Come funzionano gli "occhi" lidar?
Prima di parlare del motivo per cui la polvere influisce sull’effetto di riconoscimento del lidar, dobbiamo innanzitutto chiarire come funziona il lidar.
LiDAR (LiDAR, nome completo Light Detection and Ranging) è un sensore attivo che emette un raggio laser da solo e il raggio laser si riflette dopo aver colpito gli oggetti circostanti. Misurando il tempo impiegato da ogni impulso laser per ritornare dall'emissione, è possibile calcolare la distanza e la direzione dell'oggetto target, costruendo così una nuvola di punti tridimensionale dell'ambiente circostante.
Questo progetto può ottenere informazioni ambientali molto precise in condizioni ideali, ma sarà notevolmente influenzato se incontra oggetti come gocce di pioggia, fumo, polvere, ecc. Questi ostacoli influenzeranno il raggio laser, influenzando così la qualità del segnale restituito.
In che modo la polvere interferisce con i segnali laser?
Quando gli esseri umani guidano le automobili, se c’è polvere nell’ambiente, l’impatto in realtà è minimo. Ma per il lidar, la polvere è in realtà una fonte di interferenza molto fastidiosa.
Quando il raggio laser incontra particelle di polvere nell'aria, si verifica la diffusione e la luce che originariamente dovrebbe viaggiare in linea retta viene deviata dalle particelle di polvere. Tale dispersione renderà il segnale di ritorno più debole e più sfocato e parte della luce potrebbe anche non tornare all'estremità ricevente. Maggiore è la polvere, più grave sarà la diffusione del punto luminoso e più debole sarà il segnale effettivo rilevato. Ciò alla fine si manifesterà come un aumento del rumore nei dati della nuvola di punti, contorni degli oggetti poco chiari e persino una valutazione errata da parte del sistema che non vi siano ostacoli.
Oltre a deviare la luce, la polvere fa anche perdere energia al raggio durante la propagazione, provocando una diminuzione dell'intensità del segnale ricevuto dal ricevitore radar. Una volta che l'intensità del segnale scende intorno al livello di rumore del sensore, diventa difficile distinguere con precisione tra riflessioni reali e rumore di fondo, che influisce direttamente sulla precisione della portata e sulla capacità di identificare oggetti distanti.
La polvere può anche causare la contaminazione delle finestre di visualizzazione LiDAR. I raggi di trasmissione e ricezione LiDAR devono passare attraverso un vetro o una finestra protettiva trasparente. Se c'è della polvere attaccata alla superficie di questa finestra, che si accumula gradualmente e diventa più spessa nel tempo, il laser produrrà una riflessione e un assorbimento diffusi quando passa attraverso questo strato di inquinamento e il segnale del raggio che esce e ritorna sarà indebolito o addirittura cambierà direzione. Questo tipo di occlusione fisica ha un grande impatto sulla qualità complessiva della nuvola di punti. Non solo la misurazione della distanza sarà imprecisa, ma potrebbe anche indurre il sistema a credere erroneamente che ci sia un ostacolo davanti a sé o a non vedere affatto l'oggetto reale.
Come ridurre l'impatto della polvere sul lidar
In effetti, molte contromisure sono state proposte e applicate all’interferenza della polvere.
Un'idea è quella di ridurre l'adesione della polvere della ferramenta alla finestra. Nella progettazione del materiale e del rivestimento dell'involucro del radar, è possibile utilizzare materiali con elevata trasmissione della luce e forte capacità antivegetativa- per ridurre l'accumulo di polvere sulla copertura protettiva, garantendo così che il laser venga bloccato il meno possibile. Ad esempio, in alcuni scenari applicativi, vengono utilizzate coperture protettive con nano-rivestimenti antivegetativi sulla superficie per impedire l'adesione della polvere e prolungare il ciclo di pulizia dell'attrezzatura.
A livello di software, l’industria ha sviluppato anche algoritmi mirati di filtraggio e riconoscimento. Questi algoritmi combineranno l'intensità e la distanza dell'eco laser e la distribuzione dei punti attorno alla nuvola di punti per determinare quali punti hanno maggiori probabilità di essere rumore causato dalla dispersione della polvere, quindi rimuoverli dai dati della nuvola di punti. Un tale "algoritmo di rimozione della polvere" può ripristinare in una certa misura le informazioni sulla nuvola di punti dell'ambiente reale e ridurre l'impatto dei falsi ostacoli.
Un altro metodo è la fusione dei sensori, che consiste nel combinare il lidar con altri tipi di sensori. Ad esempio, le fotocamere possono fornire informazioni sull’immagine per aiutare a distinguere la polvere dai bersagli reali. Il radar a onde-millimetriche ha migliori capacità di penetrazione in caso di pioggia, nebbia e polvere. La loro combinazione può formare un sistema di percezione più robusto, che è molto più affidabile di un singolo lidar in ambienti complessi.
In alcuni scenari estremi speciali, verranno aggiunte misure di pulizia attive, come l’installazione di dispositivi di soffiaggio dell’aria, spazzole o altri moduli di pulizia meccanica all’esterno del lidar per pulire regolarmente la polvere dalla superficie della finestra. Tuttavia, questo tipo di soluzione presenta costi e requisiti di manutenzione più elevati e viene utilizzata principalmente in ambienti robotizzati industriali o speciali.
Insomma,
la polvere influisce sul LiDAR in molti modi. Non solo interrompe il percorso di propagazione del laser, ma riduce anche la potenza del segnale, contamina la finestra del sensore e, in definitiva, porta a un aumento del rumore nei dati della nuvola di punti, a una diminuzione della precisione di riconoscimento, a un raggio di rilevamento ridotto e persino a una valutazione errata degli ostacoli. Per le applicazioni-critiche per la sicurezza come la guida autonoma, questi impatti non possono essere ignorati.
