"Mắt" lidar hoạt động như thế nào?
Trước khi nói về lý do tại sao bụi ảnh hưởng đến hiệu quả nhận dạng của lidar, trước tiên chúng ta cần làm rõ cách thức hoạt động của lidar.
LiDAR (LiDAR, tên đầy đủ Phát hiện ánh sáng và phạm vi) là một cảm biến hoạt động tự phát ra chùm tia laser và chùm tia laser phản xạ trở lại sau khi chạm vào các vật thể xung quanh. Bằng cách đo thời gian cần thiết để mỗi xung laser quay trở lại sau khi phát xạ, có thể tính toán khoảng cách và hướng của vật thể mục tiêu, từ đó xây dựng đám mây điểm ba{1}}chiều của môi trường xung quanh.
Thiết kế này có thể thu được thông tin môi trường rất chính xác trong điều kiện lý tưởng, nhưng sẽ bị ảnh hưởng rất lớn nếu gặp các vật thể như hạt mưa, khói, bụi,… Những chướng ngại vật này sẽ ảnh hưởng đến chùm tia laser, từ đó ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu phản hồi.
Bụi cản trở tín hiệu laser như thế nào?
Khi con người lái ô tô, nếu có bụi trong môi trường thì thực tế nó ít ảnh hưởng. Nhưng đối với lidar, bụi thực sự là một nguồn gây nhiễu rất rắc rối.
Khi chùm tia laser gặp các hạt bụi trong không khí, sự tán xạ xảy ra và ánh sáng ban đầu truyền theo đường thẳng sẽ bị các hạt bụi làm lệch hướng. Sự tán xạ như vậy sẽ làm cho tín hiệu phản hồi yếu hơn và mờ hơn, thậm chí một số ánh sáng có thể không quay trở lại đầu thu. Càng có nhiều bụi thì sự tán xạ điểm sáng càng nghiêm trọng và tín hiệu hiệu quả được phát hiện sẽ càng yếu. Điều này cuối cùng sẽ biểu hiện dưới dạng sự gia tăng nhiễu trong dữ liệu đám mây điểm, đường viền đối tượng không rõ ràng và thậm chí là hệ thống đánh giá sai rằng không có trở ngại nào.
Ngoài việc làm lệch hướng ánh sáng, bụi còn khiến chùm tia bị mất năng lượng trong quá trình truyền dẫn, khiến cường độ tín hiệu mà máy thu radar nhận được giảm đi. Khi cường độ tín hiệu giảm xuống xung quanh mức nhiễu của cảm biến, việc phân biệt chính xác giữa phản xạ thực và nhiễu nền sẽ trở nên khó khăn, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của phạm vi và khả năng nhận dạng các vật thể ở xa.
Bụi cũng có thể gây ô nhiễm cửa sổ quan sát LiDAR. Các chùm tia truyền và nhận LiDAR cần phải đi qua một tấm kính hoặc cửa sổ bảo vệ trong suốt. Nếu có bụi bám trên bề mặt cửa sổ này, dần dần tích tụ và trở nên dày hơn theo thời gian, tia laser sẽ tạo ra sự phản xạ và hấp thụ khuếch tán khi đi qua lớp ô nhiễm này, đồng thời tín hiệu của chùm tia đi ra và quay trở lại sẽ bị suy yếu hoặc thậm chí thay đổi hướng. Loại tắc nghẽn vật lý này có tác động lớn đến chất lượng tổng thể của đám mây điểm. Việc đo khoảng cách không chỉ không chính xác mà còn có thể khiến hệ thống nhầm tưởng rằng có chướng ngại vật phía trước hoặc hoàn toàn không nhìn thấy vật thật.
Làm thế nào để giảm tác động của bụi lên lidar
Trên thực tế, nhiều biện pháp chống nhiễu đã được đề xuất và áp dụng.
Một ý tưởng là giảm độ bám dính của bụi vào cửa sổ từ phần cứng. Trong thiết kế vật liệu vỏ và lớp phủ của radar, có thể sử dụng các vật liệu có khả năng truyền ánh sáng cao và khả năng chống bám bẩn-mạnh để giảm sự tích tụ bụi trên vỏ bảo vệ, từ đó đảm bảo rằng tia laser ít bị cản trở nhất có thể. Ví dụ: trong một số trường hợp ứng dụng, vỏ bảo vệ có lớp phủ chống bám bẩn nano{3}}trên bề mặt được sử dụng để ngăn bụi bám vào và kéo dài chu kỳ làm sạch của thiết bị.
Ở cấp độ phần mềm, ngành này cũng đã phát triển các thuật toán nhận dạng và lọc có mục tiêu. Các thuật toán này sẽ kết hợp cường độ và khoảng cách của tiếng vang laser và sự phân bổ các điểm xung quanh đám mây điểm để xác định điểm nào có nhiều khả năng bị nhiễu do tán xạ bụi, sau đó loại bỏ chúng khỏi dữ liệu đám mây điểm. Một "thuật toán loại bỏ bụi" như vậy có thể khôi phục thông tin đám mây điểm của môi trường thực ở một mức độ nhất định và giảm tác động của các chướng ngại vật giả.
Một phương pháp khác là phản ứng tổng hợp cảm biến, tức là kết hợp lidar với các loại cảm biến khác. Ví dụ, camera có thể cung cấp thông tin hình ảnh để giúp phân biệt bụi với mục tiêu thật. Radar sóng milimet-có khả năng xuyên thấu tốt hơn trong mưa, sương mù và bụi. Việc kết hợp chúng có thể tạo thành một hệ thống nhận thức mạnh mẽ hơn, đáng tin cậy hơn nhiều so với một lidar duy nhất trong môi trường phức tạp.
Trong một số trường hợp đặc biệt, các biện pháp làm sạch tích cực sẽ được bổ sung, chẳng hạn như lắp đặt thiết bị thổi khí, bàn chải hoặc các mô-đun làm sạch cơ học khác ở bên ngoài lidar để thường xuyên làm sạch bụi trên bề mặt cửa sổ. Tuy nhiên, loại giải pháp này có yêu cầu về chi phí và bảo trì cao hơn và chủ yếu được sử dụng trong môi trường robot công nghiệp hoặc đặc biệt.
Tóm lại,
bụi ảnh hưởng đến LiDAR theo nhiều cách. Nó không chỉ làm gián đoạn đường truyền tia laser mà còn làm giảm cường độ tín hiệu, làm ô nhiễm cửa sổ cảm biến và cuối cùng dẫn đến tăng nhiễu trong dữ liệu đám mây điểm, giảm độ chính xác nhận dạng, phạm vi phát hiện bị rút ngắn và thậm chí đánh giá sai các chướng ngại vật. Đối với các ứng dụng quan trọng-an toàn như lái xe tự động, không thể bỏ qua những tác động này.
