Hoe werken lidar-ogen?
Voordat we het hebben over waarom stof het herkenningseffect van lidar beïnvloedt, moeten we eerst verduidelijken hoe lidar werkt.
LiDAR (LiDAR, volledige naam Light Detection and Ranging) is een actieve sensor die zelf een laserstraal uitzendt en de laserstraal terugkaatst nadat hij omringende objecten heeft geraakt. Door de tijd te meten die elke laserpuls nodig heeft om terug te keren van de emissie, kunnen de afstand en richting van het doelobject worden berekend, waardoor een driedimensionale puntenwolk van de omringende omgeving wordt geconstrueerd.
Dit ontwerp kan onder ideale omstandigheden zeer nauwkeurige omgevingsinformatie verkrijgen, maar zal sterk worden beïnvloed als het objecten tegenkomt zoals regendruppels, rook, stof, enz. Deze obstakels zullen de laserstraal beïnvloeden, waardoor de kwaliteit van het geretourneerde signaal wordt beïnvloed.
Hoe interfereert stof met lasersignalen?
Als mensen autorijden en er stof in de omgeving zit, heeft dat eigenlijk weinig impact. Maar voor lidar is stof eigenlijk een zeer lastige bron van interferentie.
Wanneer de laserstraal stofdeeltjes in de lucht tegenkomt, vindt verstrooiing plaats en wordt het licht dat oorspronkelijk in een rechte lijn zou moeten reizen, door de stofdeeltjes afgebogen. Een dergelijke verstrooiing zal het retoursignaal zwakker en waziger maken, en het kan zijn dat een deel van het licht niet eens terugkeert naar de ontvangende kant. Hoe meer stof er is, hoe ernstiger de verstrooiing van de lichtvlekken zal zijn, en hoe zwakker het gedetecteerde effectieve signaal zal zijn. Dit zal zich uiteindelijk manifesteren als een toename van ruis in de puntenwolkgegevens, onduidelijke objectcontouren en zelfs een verkeerde inschatting door het systeem dat er geen obstakel is.
Naast dat het licht wordt afgebogen, zorgt stof er ook voor dat de straal tijdens de voortplanting energie verliest, waardoor de door de radarontvanger ontvangen signaalsterkte afneemt. Zodra de signaalsterkte daalt tot rond het ruisniveau van de sensor, wordt het moeilijk om nauwkeurig onderscheid te maken tussen echte reflecties en achtergrondruis, wat een directe invloed heeft op de nauwkeurigheid van het bereik en het vermogen om verre objecten te identificeren.
Stof kan ook vervuiling van LiDAR-kijkvensters veroorzaken. LiDAR-zend- en ontvangststralen moeten door een transparant beschermend glas of raam gaan. Als er stof aan het oppervlak van dit raam zit en dit zich geleidelijk ophoopt en in de loop van de tijd dikker wordt, zal de laser diffuse reflectie en absorptie produceren wanneer hij door deze vervuilingslaag gaat, en zal het signaal van de straal die uitgaat en terugkomt verzwakt worden of zelfs van richting veranderen. Dit soort fysieke occlusie heeft een grote impact op de algehele kwaliteit van de puntenwolk. Niet alleen zal de afstandsmeting onnauwkeurig zijn, maar het kan er ook voor zorgen dat het systeem ten onrechte denkt dat er een obstakel verderop is of dat het echte object helemaal niet te zien is.
Hoe de impact van stof op lidar te verminderen
In feite zijn er veel tegenmaatregelen voorgesteld en toegepast tegen stofinterferentie.
Eén idee is om de hechting van stof aan het raam door het beslag te verminderen. Bij het ontwerp van het materiaal en de coating van de behuizing van de radar kunnen materialen met een hoge lichttransmissie en een sterk aangroeiwerend vermogen worden gebruikt om de ophoping van stof op de beschermkap te verminderen, waardoor wordt verzekerd dat de laser zo min mogelijk wordt geblokkeerd. In sommige toepassingsscenario's worden bijvoorbeeld beschermende hoezen met nano-aangroeiwerende coatings op het oppervlak gebruikt om te voorkomen dat stof zich hecht en om de reinigingscyclus van de apparatuur te verlengen.
Op softwareniveau heeft de industrie ook gerichte filter- en herkenningsalgoritmen ontwikkeld. Deze algoritmen combineren de intensiteit en afstand van de laserecho en de verdeling van punten rond de puntenwolk om te bepalen op welke punten de kans groter is dat er ruis wordt veroorzaakt door stofverstrooiing, en verwijderen deze vervolgens uit de puntenwolkgegevens. Een dergelijk ‘stofverwijderingsalgoritme’ kan de puntenwolkinformatie van de werkelijke omgeving tot op zekere hoogte herstellen en de impact van valse obstakels verminderen.
Een andere methode is sensorfusie, waarbij lidar wordt gecombineerd met andere soorten sensoren. Camera's kunnen bijvoorbeeld beeldinformatie leveren om stof van echte doelen te onderscheiden. Millimeter-golfradar heeft een beter doordringend vermogen voor regen, mist en stof. Door ze te combineren kan een robuuster waarnemingssysteem ontstaan, dat veel betrouwbaarder is dan een enkele lidar in complexe omgevingen.
In sommige speciale extreme scenario's zullen actieve reinigingsmaatregelen worden toegevoegd, zoals het installeren van luchtblaasapparaten, borstels of andere mechanische reinigingsmodules aan de buitenkant van de lidar om regelmatig stof van het oppervlak van het raam te verwijderen. Dit type oplossing heeft echter hogere kosten en onderhoudseisen en wordt vooral gebruikt in industriële of speciale robotomgevingen.
Concluderend,
stof heeft op veel manieren invloed op LiDAR. Het verstoort niet alleen het voortplantingspad van de laser, maar vermindert ook de signaalsterkte, vervuilt het sensorvenster en leidt uiteindelijk tot meer ruis in de puntenwolkgegevens, verminderde herkenningsnauwkeurigheid, een korter detectiebereik en zelfs een verkeerde inschatting van obstakels. Voor veiligheids-kritieke toepassingen zoals autonoom rijden kunnen deze gevolgen niet worden genegeerd.
