Kuinka lidar "silmät" toimivat?
Ennen kuin puhumme siitä, miksi pöly vaikuttaa lidarin tunnistusvaikutukseen, meidän on ensin selvitettävä, miten lidar toimii.
LiDAR (LiDAR, koko nimi Light Detection and Ranging) on aktiivinen anturi, joka lähettää lasersäteen itsestään, ja lasersäde heijastuu takaisin osuessaan ympäröiviin esineisiin. Mittaamalla aika, joka kuluu kunkin laserpulssin palautumiseen emissiosta, voidaan laskea kohteen etäisyys ja suunta, mikä muodostaa kolmiulotteisen pistepilven ympäröivästä ympäristöstä.
Tämä malli voi saada erittäin tarkkoja ympäristötietoja ihanteellisissa olosuhteissa, mutta se vaikuttaa suuresti, jos se kohtaa esineitä, kuten sadepisaroita, savua, pölyä jne. Nämä esteet vaikuttavat lasersäteeseen, mikä vaikuttaa palautetun signaalin laatuun.
Miten pöly häiritsee lasersignaaleja?
Kun ihmiset ajavat autoa, jos ympäristössä on pölyä, sillä on vain vähän vaikutusta. Mutta lidarille pöly on itse asiassa erittäin hankala häiriölähde.
Kun lasersäde kohtaa ilmassa pölyhiukkasia, tapahtuu sirontaa ja pölyhiukkaset ohjaavat valon, jonka pitäisi alun perin kulkea suorassa linjassa. Tällainen sironta tekee paluusignaalista heikomman ja epäselvämmän, ja osa valosta ei ehkä edes palaa vastaanottopäähän. Mitä enemmän pölyä on, sitä vakavampi valopisteen sironta on ja sitä heikompi havaittu tehokas signaali on. Tämä ilmenee lopulta kohinan lisääntymisenä pistepilvidatassa, epäselvänä objektin ääriviivana ja jopa järjestelmän virheenä, ettei estettä ole.
Valon suuntaamisen lisäksi pöly aiheuttaa säteen energian menetyksen etenemisen aikana, jolloin tutkavastaanottimen vastaanottaman signaalin voimakkuus heikkenee. Kun signaalin voimakkuus putoaa anturin kohinatason tuntumaan, on vaikea erottaa tarkasti todellisia heijastuksia taustamelusta, mikä vaikuttaa suoraan etäisyyden tarkkuuteen ja kykyyn tunnistaa kaukana olevat kohteet.
Pöly voi myös saastuttaa LiDAR-katseluikkunoita. LiDAR-lähettävät ja vastaanottavat säteet on kuljetettava läpinäkyvän suojalasin tai ikkunan läpi. Jos tämän ikkunan pintaan on kiinnittynyt pölyä, joka vähitellen kerääntyy ja paksuuntuu ajan myötä, laser tuottaa hajaheijastuksen ja absorption kulkiessaan tämän saastekerroksen läpi, ja säteen ulos- ja paluusignaali heikkenee tai jopa muuttaa suuntaa. Tällaisella fyysisellä tukkeutumisella on suuri vaikutus pistepilven yleiseen laatuun. Sen lisäksi, että etäisyysmittaus ei ole tarkka, se voi myös saada järjestelmän virheellisesti uskomaan, että edessä on este tai että se ei näe todellista kohdetta ollenkaan.
Kuinka vähentää pölyn vaikutusta lidariin
Itse asiassa monia vastatoimia on ehdotettu ja niitä on sovellettu pölyn häiriöihin.
Yksi idea on vähentää pölyn tarttumista ikkunaan laitteistosta. Tutkan kuorimateriaalin ja pinnoitteen suunnittelussa voidaan käyttää materiaaleja, joilla on korkea valonläpäisevyys ja vahva anti-fouling-ominaisuus, vähentämään pölyn kerääntymistä suojakannen päälle ja näin varmistamaan, että laser on mahdollisimman vähän estetty. Esimerkiksi joissakin käyttöskenaarioissa käytetään suojakuoria, joissa on nano-antifouling-pinnoite, estämään pölyn kiinnittymistä ja pidentämään laitteen puhdistusjaksoa.
Ohjelmistotasolla toimiala on kehittänyt myös kohdennettuja suodatus- ja tunnistusalgoritmeja. Nämä algoritmit yhdistävät laserkaiun intensiteetin ja etäisyyden sekä pisteiden jakautumisen pistepilven ympärillä määrittääkseen, mitkä pisteet ovat todennäköisemmin pölyn sironnan aiheuttamaa melua, ja poistavat ne sitten pistepilvidatasta. Tällainen "pölynpoistoalgoritmi" voi palauttaa jossain määrin todellisen ympäristön pistepilvitietoa ja vähentää väärien esteiden vaikutusta.
Toinen menetelmä on sensorien fuusio, jossa yhdistetään lidar muiden tyyppisten antureiden kanssa. Esimerkiksi kamerat voivat tarjota kuvatietoja, jotka auttavat erottamaan pölyn todellisista kohteista. Millimetri-aaltotutka läpäisee paremmin sateen, sumun ja pölyn. Niiden yhdistäminen voi muodostaa vankemman havaintojärjestelmän, joka on paljon luotettavampi kuin yksittäinen lidar monimutkaisissa ympäristöissä.
Joissakin erityisissä äärimmäisissä skenaarioissa lisätään aktiivisia puhdistustoimenpiteitä, kuten ilmanpuhalluslaitteiden, harjojen tai muiden mekaanisten puhdistusmoduulien asentaminen lidarin ulkopuolelle puhdistamaan säännöllisesti pölyä ikkunan pinnalta. Tämän tyyppisillä ratkaisuilla on kuitenkin korkeammat kustannukset ja huoltovaatimukset, ja niitä käytetään pääasiassa teollisissa tai erikoisrobottiympäristöissä.
Lopuksi,
pöly vaikuttaa LiDARiin monin tavoin. Se ei ainoastaan häiritse laserin etenemisreittiä, vaan myös heikentää signaalin voimakkuutta, saastuttaa anturiikkunan ja johtaa viime kädessä pistepilvitietojen lisääntyneeseen kohinaan, heikentyneeseen tunnistustarkkuuteen, lyhentyneeseen tunnistusalueeseen ja jopa esteiden väärinarviointiin. Turvallisuuskriittisissä sovelluksissa, kuten autonomisessa ajamisessa, näitä vaikutuksia ei voida jättää huomiotta.
