¿Cómo funcionan los "ojos" lidar?
Antes de hablar sobre por qué el polvo afecta el efecto de reconocimiento de LIDAR, primero debemos aclarar cómo funciona LIDAR.
LiDAR (LiDAR, nombre completo Light Detección y Rango) es un sensor activo que emite un rayo láser por sí solo, y el rayo láser se refleja después de impactar los objetos circundantes. Al medir el tiempo que tarda cada pulso láser en regresar de la emisión, se puede calcular la distancia y la dirección del objeto objetivo, construyendo así una-nube de puntos tridimensional del entorno circundante.
Este diseño puede obtener información ambiental muy precisa en condiciones ideales, pero se verá muy afectado si encuentra objetos como gotas de lluvia, humo, polvo, etc. Estos obstáculos afectarán el rayo láser, afectando así la calidad de la señal devuelta.
¿Cómo interfiere el polvo con las señales láser?
Cuando los humanos conducen automóviles, si hay polvo en el medio ambiente, en realidad tiene poco impacto. Pero para lidar, el polvo es en realidad una fuente de interferencia muy problemática.
Cuando el rayo láser encuentra partículas de polvo en el aire, se produce una dispersión y la luz que originalmente debería viajar en línea recta es desviada por las partículas de polvo. Tal dispersión hará que la señal de retorno sea más débil y borrosa, y es posible que parte de la luz ni siquiera regrese al extremo receptor. Cuanto más polvo haya, más grave será la dispersión del punto de luz y más débil será la señal efectiva detectada. Esto eventualmente se manifestará como un aumento del ruido en los datos de la nube de puntos, contornos de objetos poco claros e incluso un error de cálculo por parte del sistema al considerar que no hay ningún obstáculo.
Además de desviar la luz, el polvo también hace que el haz pierda energía durante la propagación, lo que hace que disminuya la intensidad de la señal recibida por el receptor del radar. Una vez que la intensidad de la señal cae alrededor del nivel de ruido del sensor, resulta difícil distinguir con precisión entre los reflejos reales y el ruido de fondo, lo que afecta directamente la precisión del alcance y la capacidad de identificar objetos distantes.
El polvo también puede causar contaminación de las ventanas de visualización LiDAR. Los haces de transmisión y recepción de LiDAR deben pasar a través de una ventana o vidrio protector transparente. Si hay polvo adherido a la superficie de esta ventana, y gradualmente se acumula y se vuelve más espeso con el tiempo, el láser producirá una reflexión y absorción difusas al pasar a través de esta capa de contaminación, y la señal del rayo que sale y regresa se debilitará o incluso cambiará de dirección. Este tipo de oclusión física tiene un gran impacto en la calidad general de la nube de puntos. No sólo la medición de la distancia será inexacta, sino que también puede hacer que el sistema crea erróneamente que hay un obstáculo más adelante o que no vea el objeto real en absoluto.
Cómo reducir el impacto del polvo en lidar
De hecho, se han propuesto y aplicado muchas contramedidas a la interferencia del polvo.
Una idea es reducir la adherencia del polvo a la ventana procedente de los herrajes. En el diseño del material y el recubrimiento del radar, se pueden utilizar materiales con alta transmitancia de luz y fuerte capacidad antiincrustante para reducir la acumulación de polvo en la cubierta protectora, asegurando así que el láser esté lo menos bloqueado posible. Por ejemplo, en algunos escenarios de aplicación, se utilizan cubiertas protectoras con nano-recubrimientos antiincrustantes en la superficie para evitar que se adhiera el polvo y extender el ciclo de limpieza del equipo.
A nivel de software, la industria también ha desarrollado algoritmos de reconocimiento y filtrado específicos. Estos algoritmos combinarán la intensidad y la distancia del eco del láser y la distribución de puntos alrededor de la nube de puntos para determinar qué puntos tienen más probabilidades de ser ruido causado por la dispersión del polvo y luego los eliminarán de los datos de la nube de puntos. Este "algoritmo de eliminación de polvo" puede restaurar la información de la nube de puntos del entorno real hasta cierto punto y reducir el impacto de obstáculos falsos.
Otro método es la fusión de sensores, que consiste en combinar lidar con otros tipos de sensores. Por ejemplo, las cámaras pueden proporcionar información de imágenes para ayudar a distinguir el polvo de los objetivos reales. El radar de ondas milimétricas-tiene mejores capacidades de penetración en lluvia, niebla y polvo. Combinarlos puede formar un sistema de percepción más robusto, que es mucho más confiable que un solo lidar en entornos complejos.
En algunos escenarios extremos especiales, se agregarán medidas de limpieza activa, como instalar dispositivos de soplado de aire, cepillos u otros módulos de limpieza mecánicos en el exterior del lidar para limpiar periódicamente el polvo de la superficie de la ventana. Sin embargo, este tipo de solución tiene mayores requisitos de coste y mantenimiento y se utiliza principalmente en entornos de robots industriales o especiales.
En conclusión,
El polvo afecta al LiDAR de muchas maneras. No solo interrumpe la ruta de propagación del láser, sino que también reduce la intensidad de la señal, contamina la ventana del sensor y, en última instancia, provoca un aumento del ruido en los datos de la nube de puntos, una menor precisión del reconocimiento, un rango de detección más corto e incluso una evaluación errónea de los obstáculos. Para aplicaciones críticas-para la seguridad, como la conducción autónoma, estos impactos no se pueden ignorar.
