"چشم" لیدار چگونه کار می کند؟
قبل از صحبت در مورد اینکه چرا گرد و غبار بر اثر شناسایی لیدار تأثیر می گذارد، ابتدا باید نحوه عملکرد لیدار را روشن کنیم.
LiDAR (LiDAR، نام کامل Light Detection and Ranging) یک حسگر فعال است که به خودی خود پرتو لیزری را ساطع می کند و پرتو لیزر پس از برخورد با اجسام اطراف بازتاب می کند. با اندازهگیری زمان لازم برای بازگشت هر پالس لیزر از گسیل، فاصله و جهت شی هدف را میتوان محاسبه کرد و در نتیجه یک ابر نقطهای سهبعدی از محیط اطراف ایجاد کرد.
این طرح در شرایط ایده آل می تواند اطلاعات محیطی بسیار دقیقی را به دست آورد، اما در صورت مواجهه با اشیایی مانند قطرات باران، دود، گرد و غبار و ... تاثیر زیادی بر آن خواهد گذاشت، این موانع بر پرتو لیزر تاثیر می گذارد و در نتیجه کیفیت سیگنال برگشتی را تحت تاثیر قرار می دهد.
چگونه گرد و غبار با سیگنال های لیزر تداخل می کند؟
وقتی انسان ها ماشین می رانند، اگر گرد و غبار در محیط وجود داشته باشد، در واقع تاثیر کمی دارد. اما برای لیدار، گرد و غبار در واقع یک منبع تداخل بسیار مشکل ساز است.
هنگامی که پرتو لیزر با ذرات گرد و غبار در هوا برخورد می کند، پراکندگی رخ می دهد و نوری که در ابتدا باید در یک خط مستقیم حرکت کند توسط ذرات غبار منحرف می شود. چنین پراکندگی سیگنال بازگشت را ضعیفتر و تارتر میکند و حتی ممکن است مقداری نور به انتهای گیرنده برنگردد. هرچه گرد و غبار بیشتر باشد، پراکندگی نقطه نور جدی تر خواهد بود و سیگنال موثر شناسایی شده ضعیف تر خواهد بود. این در نهایت خود را به عنوان افزایش نویز در دادههای ابری نقطه، طرحهای نامشخص شی و حتی قضاوت نادرست سیستم مبنی بر وجود هیچ مانعی نشان میدهد.
علاوه بر انحراف نور، گرد و غبار همچنین باعث از دست دادن انرژی پرتو در هنگام انتشار می شود و باعث کاهش قدرت سیگنال دریافتی توسط گیرنده رادار می شود. هنگامی که قدرت سیگنال به سطح نویز حسگر کاهش می یابد، تشخیص دقیق بین بازتاب های واقعی و نویز پس زمینه دشوار می شود، که مستقیماً بر دقت محدوده و توانایی شناسایی اشیاء دور تأثیر می گذارد.
گرد و غبار همچنین می تواند باعث آلودگی پنجره های مشاهده LiDAR شود. پرتوهای گیرنده و ارسال کننده LiDAR باید از یک شیشه یا پنجره محافظ شفاف عبور کنند. اگر به سطح این پنجره گرد و غبار چسبیده باشد و به مرور زمان جمع شده و ضخیم تر شود، لیزر در هنگام عبور از این لایه آلودگی، بازتاب و جذب منتشر می کند و سیگنال خروج و برگشت پرتو ضعیف شده و یا حتی جهت آن را تغییر می دهد. این نوع انسداد فیزیکی تأثیر زیادی بر کیفیت کلی ابر نقطه دارد. اندازه گیری فاصله نه تنها دقیق نیست، بلکه ممکن است سیستم را به اشتباه تصور کند که مانعی در پیش است یا اصلاً شی واقعی را نمی بیند.
چگونه تاثیر گرد و غبار بر لیدار را کاهش دهیم؟
در واقع، اقدامات متقابل زیادی برای تداخل گرد و غبار پیشنهاد و اعمال شده است.
یک ایده کاهش چسبندگی گرد و غبار به پنجره از سخت افزار است. در طراحی مواد پوسته و پوشش رادار، می توان از موادی با قابلیت عبور نور بالا و قابلیت ضد رسوب{1} قوی برای کاهش تجمع گرد و غبار روی پوشش محافظ استفاده کرد و در نتیجه اطمینان حاصل کرد که لیزر تا حد امکان مسدود می شود. به عنوان مثال، در برخی از سناریوهای کاربردی، از پوششهای محافظ با پوششهای نانو{3}} ضد رسوب روی سطح برای جلوگیری از چسبیدن گرد و غبار و افزایش چرخه تمیز کردن تجهیزات استفاده میشود.
در سطح نرم افزار، صنعت همچنین الگوریتم های فیلترینگ و شناسایی هدفمند را توسعه داده است. این الگوریتمها شدت و فاصله پژواک لیزر و توزیع نقاط در اطراف ابر نقطه را ترکیب میکنند تا مشخص کنند کدام نقاط بیشتر به نویز ناشی از پراکندگی غبار میآیند و سپس آنها را از دادههای ابر نقطه حذف میکنند. چنین "الگوریتم حذف گرد و غبار" می تواند اطلاعات ابر نقطه ای محیط واقعی را تا حدی بازیابی کند و تاثیر موانع کاذب را کاهش دهد.
روش دیگر همجوشی سنسور است که ترکیب لیدار با انواع دیگر سنسورها است. به عنوان مثال، دوربین ها می توانند اطلاعات تصویری را برای تشخیص غبار از اهداف واقعی ارائه دهند. رادار موج میلی متری{2}}قابلیت نفوذ بهتری برای باران، مه و گرد و غبار دارد. ترکیب آنها می تواند سیستم ادراک قوی تری را تشکیل دهد که بسیار قابل اعتمادتر از یک لیدار در محیط های پیچیده است.
در برخی از سناریوهای شدید خاص، اقدامات تمیزکننده فعال اضافه میشود، مانند نصب دستگاههای دمنده هوا، برسها یا سایر ماژولهای تمیزکننده مکانیکی در قسمت بیرونی لیدار برای تمیز کردن منظم گرد و غبار روی سطح پنجره. با این حال، این نوع محلول دارای نیازهای هزینه و نگهداری بالاتری است و عمدتاً در محیط های صنعتی یا ربات های خاص استفاده می شود.
در خاتمه،
گرد و غبار از طرق مختلف بر LiDAR تأثیر می گذارد. این نه تنها مسیر انتشار لیزر را مختل میکند، بلکه قدرت سیگنال را کاهش میدهد، پنجره حسگر را آلوده میکند و در نهایت منجر به افزایش نویز در دادههای ابر نقطه، کاهش دقت تشخیص، کوتاه شدن دامنه تشخیص و حتی قضاوت نادرست موانع میشود. برای ایمنی{2}}کاربردهای حیاتی مانند رانندگی خودکار، این تأثیرات را نمی توان نادیده گرفت.
