Kuidas lidari "silmad" töötavad?
Enne kui räägime sellest, miks tolm mõjutab lidari äratundmisefekti, peame esmalt selgitama, kuidas lidar töötab.
LiDAR (LiDAR, täisnimi Light Detection and Ranging) on aktiivne andur, mis kiirgab iseenesest laserkiirt ja laserkiir peegeldub tagasi pärast tabamist ümbritsevate objektide vastu. Mõõtes aega, mis kulub iga laserimpulsi emissioonist naasmiseks, saab arvutada sihtobjekti kauguse ja suuna, luues seeläbi ümbritsevast keskkonnast kolmemõõtmelise punktipilve.
See disain võib saada ideaalsetes tingimustes väga täpset keskkonnateavet, kuid see mõjutab oluliselt, kui see puutub kokku selliste objektidega nagu vihmapiisad, suits, tolm jne. Need takistused mõjutavad laserkiirt, mõjutades seega tagastatava signaali kvaliteeti.
Kuidas tolm lasersignaale häirib?
Kui inimesed sõidavad autodega, siis kui keskkonnas on tolmu, on sellel tegelikult vähe mõju. Kuid lidari jaoks on tolm tegelikult väga tülikas häireallikas.
Kui laserkiir kohtab õhus tolmuosakesi, tekib hajumine ja valgus, mis peaks algselt liikuma sirgjooneliselt, suunatakse tolmuosakeste poolt kõrvale. Selline hajumine muudab tagasisaatva signaali nõrgemaks ja hägusemaks ning osa valgust ei pruugi isegi vastuvõtvasse otsa tagasi tulla. Mida rohkem tolmu on, seda tõsisem on valguspunktide hajumine ja seda nõrgem on tuvastatud efektiivne signaal. See väljendub lõpuks müra suurenemisena punktipilveandmetes, ebaselgete objektide piirjoonte ja isegi süsteemi väärarvamusena, et takistust pole.
Lisaks valguse kõrvalekaldumisele põhjustab tolm ka kiirte energiakadu levimise ajal, mistõttu radarivastuvõtja poolt vastuvõetud signaali tugevus väheneb. Kui signaali tugevus langeb umbes anduri müratasemele, muutub tegeliku peegelduse ja taustmüra täpne eristamine raskeks, mis mõjutab otseselt kauguse täpsust ja kaugete objektide tuvastamise võimet.
Tolm võib põhjustada ka LiDAR-i vaateakende saastumist. LiDARi edastavad ja vastuvõtvad talad peavad läbima läbipaistva kaitseklaasi või akna. Kui selle akna pinnale on kinnitunud tolm, mis järk-järgult koguneb ja aja jooksul pakseneb, tekitab laser selle saastekihi läbimisel hajusat peegeldust ja neeldumist ning väljamineva ja tagasituleva kiire signaal nõrgeneb või isegi muudab selle suunda. Sellisel füüsilisel oklusioonil on suur mõju punktipilve üldisele kvaliteedile. Mitte ainult kauguse mõõtmine ei ole ebatäpne, vaid võib ka panna süsteemi ekslikult uskuma, et ees on takistus või ei näe see tegelikku objekti üldse.
Kuidas vähendada tolmu mõju lidarile
Tegelikult on tolmu interferentsi vastu välja pakutud ja rakendatud palju vastumeetmeid.
Üks idee on vähendada riistvara tolmu nakkumist aknale. Radari kestamaterjali ja katte konstruktsioonis saab kasutada suure valguse läbilaskvusega ja tugeva -määrdumisvastase toimega materjale, et vähendada tolmu kogunemist kaitsekattele, tagades nii, et laser oleks võimalikult vähe blokeeritud. Näiteks kasutatakse mõnes kasutusstsenaariumis tolmu kleepumise vältimiseks ja seadme puhastustsükli pikendamiseks pinnale nano-määrdumisvastase kattega kaitsekatteid.
Tarkvara tasemel on tööstus välja töötanud ka suunatud filtreerimis- ja tuvastamisalgoritmid. Need algoritmid ühendavad laserkaja intensiivsuse ja kauguse ning punktide jaotuse punktipilve ümber, et teha kindlaks, millised punktid on tõenäolisemalt tolmu hajumisest põhjustatud müra, ning seejärel eemaldada need punktipilveandmetest. Selline "tolmueemaldusalgoritm" suudab teatud määral taastada reaalse keskkonna punktipilvede info ja vähendada valetakistuste mõju.
Teine meetod on andurite liitmine, mis seisneb lidari kombineerimises teist tüüpi anduritega. Näiteks võivad kaamerad pakkuda pilditeavet, mis aitab tolmu tegelikest sihtmärkidest eristada. Millimeeter-laineradaril on parem vihma, udu ja tolmu läbitungimisvõime. Nende kombineerimine võib moodustada tugevama tajusüsteemi, mis on keerulises keskkonnas palju usaldusväärsem kui üksik lidar.
Mõne erilise äärmusliku stsenaariumi korral lisatakse aktiivsed puhastusmeetmed, näiteks õhupuhumisseadmete, harjade või muude mehaaniliste puhastusmoodulite paigaldamine lidari välisküljele, et puhastada regulaarselt tolmu akna pinnalt. Seda tüüpi lahendused on aga kõrgemate kulu- ja hooldusnõuetega ning neid kasutatakse peamiselt tööstuslikes või spetsiaalsetes robotikeskkondades.
Kokkuvõtteks
tolm mõjutab LiDAR-i mitmel viisil. See mitte ainult ei häiri laseri levimise teekonda, vaid vähendab ka signaali tugevust, saastab anduri akent ja viib lõpuks punktipilveandmete müra suurenemiseni, tuvastamise täpsuse vähenemiseni, tuvastamisvahemiku lühenemiseni ja isegi takistuste valesti hindamiseni. Ohutuse{2}}oluliste rakenduste, nagu autonoomne sõit, puhul ei saa neid mõjusid tähelepanuta jätta.
