Как работают «глаза» лидара?
Прежде чем говорить о том, почему пыль влияет на эффект распознавания лидара, нам нужно сначала уточнить, как работает лидар.
LiDAR (LiDAR, полное название Light Detection and Ranging) — активный датчик, который сам излучает лазерный луч, а лазерный луч отражается обратно после попадания на окружающие объекты. Измеряя время, необходимое каждому лазерному импульсу для возвращения из излучения, можно рассчитать расстояние и направление целевого объекта, тем самым построив трехмерное облако точек окружающей среды.
Эта конструкция может получать очень точную информацию об окружающей среде в идеальных условиях, но на нее сильно повлияет столкновение с такими объектами, как капли дождя, дым, пыль и т. д. Эти препятствия будут влиять на лазерный луч, тем самым влияя на качество возвращаемого сигнала.
Как пыль мешает лазерным сигналам?
Когда люди водят автомобили, если в окружающей среде есть пыль, это на самом деле оказывает незначительное влияние. Но для лидара пыль на самом деле является очень неприятным источником помех.
Когда лазерный луч сталкивается с частицами пыли в воздухе, происходит рассеяние, и свет, который изначально должен был распространяться по прямой линии, отклоняется частицами пыли. Такое рассеяние сделает отраженный сигнал более слабым и размытым, а часть света может даже не вернуться на приемную сторону. Чем больше пыли, тем серьезнее будет рассеяние светового пятна и тем слабее будет обнаруженный эффективный сигнал. В конечном итоге это проявится в увеличении шума в данных облака точек, нечетких очертаниях объектов и даже в неверном суждении системы об отсутствии препятствия.
Помимо отклонения света, пыль также приводит к потере энергии луча во время распространения, что приводит к уменьшению мощности сигнала, принимаемого приемником радара. Как только уровень сигнала падает примерно до уровня шума датчика, становится трудно точно отличить реальные отражения от фонового шума, что напрямую влияет на точность измерения дальности и способность идентифицировать удаленные объекты.
Пыль также может стать причиной загрязнения смотровых окон LiDAR. Передающие и принимающие лучи LiDAR должны проходить через прозрачное защитное стекло или окно. Если к поверхности этого окна прилипла пыль, и она постепенно накапливается и со временем становится толще, то при прохождении через этот слой загрязнения лазер будет производить диффузное отражение и поглощение, а сигнал выходящего и возвращающегося луча будет ослаблен или даже изменит свое направление. Этот вид физической окклюзии оказывает большое влияние на общее качество облака точек. Измерение расстояния не только будет неточным, но также может привести к тому, что система ошибочно решит, что впереди есть препятствие, или вообще не увидит реальный объект.
Как уменьшить влияние пыли на лидар
Фактически, было предложено и применено множество мер противодействия пылевым помехам.
Одна из идей — уменьшить прилипание пыли к окну от фурнитуры. В конструкции материала и покрытия корпуса радара могут быть использованы материалы с высоким светопропусканием и сильными противо-способностями к обрастанию, чтобы уменьшить накопление пыли на защитной крышке, тем самым гарантируя как можно меньшую блокировку лазера. Например, в некоторых сценариях применения используются защитные чехлы с нано-необрастающими покрытиями на поверхности, чтобы предотвратить прилипание пыли и продлить цикл очистки оборудования.
На уровне программного обеспечения в отрасли также разработаны алгоритмы целевой фильтрации и распознавания. Эти алгоритмы будут комбинировать интенсивность и расстояние лазерного эха, а также распределение точек вокруг облака точек, чтобы определить, какие точки с большей вероятностью будут представлять собой шум, вызванный рассеянием пыли, а затем удалить их из данных облака точек. Такой «алгоритм удаления пыли» может в определенной степени восстановить информацию об облаке точек реальной среды и уменьшить влияние ложных препятствий.
Другой метод — это слияние датчиков, которое заключается в объединении лидара с датчиками других типов. Например, камеры могут предоставлять информацию об изображении, чтобы помочь отличить пыль от реальных целей. Радар миллиметрового-волна имеет лучшую проникающую способность в условиях дождя, тумана и пыли. Их объединение может сформировать более надежную систему восприятия, которая гораздо надежнее, чем один лидар в сложных условиях.
В некоторых особых экстремальных сценариях будут добавлены меры активной очистки, такие как установка устройств обдува воздухом, щеток или других модулей механической очистки снаружи лидара для регулярной очистки пыли с поверхности окна. Однако этот тип решения требует более высоких затрат и требований к техническому обслуживанию и в основном используется в промышленных или специальных роботизированных средах.
В заключение,
пыль влияет на LiDAR во многих отношениях. Это не только нарушает путь распространения лазера, но также снижает мощность сигнала, загрязняет окно датчика и в конечном итоге приводит к увеличению шума в данных облака точек, снижению точности распознавания, сокращению дальности обнаружения и даже к неправильной оценке препятствий. Для приложений,-критичных к безопасности, таких как автономное вождение, эти последствия нельзя игнорировать.
