Como funcionam os "olhos" lidar?
Antes de falar sobre por que a poeira afeta o efeito de reconhecimento do lidar, precisamos primeiro esclarecer como funciona o lidar.
LiDAR (LiDAR, nome completo Light Detection and Ranging) é um sensor ativo que emite um feixe de laser por si só, e o feixe de laser reflete de volta após atingir os objetos ao redor. Medindo o tempo que leva para cada pulso de laser retornar da emissão, a distância e a direção do objeto alvo podem ser calculadas, construindo assim uma nuvem de pontos-tridimensional do ambiente circundante.
Este projeto pode obter informações ambientais muito precisas em condições ideais, mas será muito afetado se encontrar objetos como gotas de chuva, fumaça, poeira, etc. Esses obstáculos afetarão o feixe de laser, afetando assim a qualidade do sinal retornado.
Como a poeira interfere nos sinais do laser?
Quando os humanos dirigem carros, se houver poeira no meio ambiente, isso terá pouco impacto. Mas para o lidar, a poeira é, na verdade, uma fonte de interferência muito problemática.
Quando o feixe de laser encontra partículas de poeira no ar, ocorre dispersão e a luz que originalmente deveria viajar em linha reta é desviada pelas partículas de poeira. Essa dispersão tornará o sinal de retorno mais fraco e embaçado, e parte da luz pode nem retornar ao receptor. Quanto mais poeira houver, mais grave será a dispersão do ponto de luz e mais fraco será o sinal efetivo detectado. Isto eventualmente se manifestará como um aumento no ruído nos dados da nuvem de pontos, contornos pouco claros dos objetos e até mesmo um erro de julgamento por parte do sistema de que não há obstáculo.
Além de desviar a luz, a poeira também faz com que o feixe perca energia durante a propagação, fazendo com que a intensidade do sinal recebido pelo receptor do radar diminua. Quando a intensidade do sinal cai para próximo do nível de ruído do sensor, torna-se difícil distinguir com precisão entre reflexos reais e ruído de fundo, o que afeta diretamente a precisão do alcance e a capacidade de identificar objetos distantes.
A poeira também pode causar contaminação das janelas de visualização LiDAR. Os feixes de transmissão e recepção do LiDAR precisam passar por um vidro ou janela de proteção transparente. Se houver poeira aderida à superfície desta janela, e ela se acumular gradativamente e ficar mais espessa com o tempo, o laser produzirá reflexão e absorção difusa ao passar por essa camada de poluição, e o sinal do feixe saindo e voltando será enfraquecido ou até mesmo mudará de direção. Este tipo de oclusão física tem um grande impacto na qualidade geral da nuvem de pontos. A medição da distância não apenas será imprecisa, mas também poderá fazer com que o sistema acredite erroneamente que há um obstáculo à frente ou nem mesmo veja o objeto real.
Como reduzir o impacto da poeira no lidar
Na verdade, muitas contramedidas foram propostas e aplicadas à interferência de poeira.
Uma ideia é reduzir a adesão de poeira das ferragens à janela. No projeto do material do invólucro e revestimento do radar, materiais com alta transmitância de luz e forte capacidade anti-incrustante podem ser usados para reduzir o acúmulo de poeira na capa protetora, garantindo assim que o laser fique o menos bloqueado possível. Por exemplo, em alguns cenários de aplicação, são usadas capas protetoras com nano{3}}revestimentos antiincrustantes na superfície para evitar a aderência de poeira e prolongar o ciclo de limpeza do equipamento.
No nível de software, a indústria também desenvolveu algoritmos direcionados de filtragem e reconhecimento. Esses algoritmos combinarão a intensidade e a distância do eco do laser e a distribuição de pontos ao redor da nuvem de pontos para determinar quais pontos têm maior probabilidade de serem ruído causado pela dispersão de poeira e, em seguida, removê-los dos dados da nuvem de pontos. Esse "algoritmo de remoção de poeira" pode restaurar até certo ponto as informações da nuvem de pontos do ambiente real e reduzir o impacto de falsos obstáculos.
Outro método é a fusão de sensores, que consiste em combinar lidar com outros tipos de sensores. Por exemplo, as câmeras podem fornecer informações de imagem para ajudar a distinguir a poeira de alvos reais. O radar de ondas milimétricas-tem melhores capacidades de penetração para chuva, neblina e poeira. Combiná-los pode formar um sistema de percepção mais robusto, muito mais confiável do que um único lidar em ambientes complexos.
Em alguns cenários extremos especiais, serão adicionadas medidas de limpeza ativas, como a instalação de dispositivos de sopro de ar, escovas ou outros módulos de limpeza mecânica na parte externa do lidar para limpar regularmente a poeira da superfície da janela. No entanto, este tipo de solução tem custos e requisitos de manutenção mais elevados e é utilizada principalmente em ambientes industriais ou robóticos especiais.
Para concluir,
a poeira afeta o LiDAR de várias maneiras. Isso não apenas interrompe o caminho de propagação do laser, mas também reduz a intensidade do sinal, contamina a janela do sensor e, em última análise, leva ao aumento do ruído nos dados da nuvem de pontos, à diminuição da precisão do reconhecimento, ao alcance de detecção reduzido e até mesmo ao julgamento incorreto dos obstáculos. Para aplicações-críticas de segurança, como direção autônoma, esses impactos não podem ser ignorados.
