Lidar "gözler" nasıl çalışır?
Tozun lidarın tanıma etkisini neden etkilediğinden bahsetmeden önce öncelikle lidarın nasıl çalıştığını açıklamamız gerekiyor.
LiDAR (LiDAR, tam adı Light Detection and Ranging), kendiliğinden bir lazer ışını yayan ve lazer ışını çevredeki nesnelere çarptıktan sonra geri yansıyan aktif bir sensördür. Her lazer darbesinin emisyondan geri dönmesi için gereken süre ölçülerek hedef nesnenin mesafesi ve yönü hesaplanabilir, böylece çevredeki ortamın üç- boyutlu bir nokta bulutu oluşturulabilir.
Bu tasarım ideal koşullar altında çok doğru çevresel bilgiler elde edebilir ancak yağmur damlası, duman, toz vb. nesnelerle karşılaşması durumunda büyük ölçüde etkilenecektir. Bu engeller lazer ışınını etkileyerek geri dönen sinyalin kalitesini etkileyecektir.
Toz lazer sinyallerini nasıl etkiler?
İnsanlar araba kullanırken ortamda toz varsa aslında çok az etkisi olur. Ancak Lidar için toz aslında çok zahmetli bir parazit kaynağıdır.
Lazer ışını havadaki toz parçacıklarıyla karşılaştığında saçılma meydana gelir ve başlangıçta düz bir çizgide ilerlemesi gereken ışık, toz parçacıkları tarafından saptırılır. Bu tür bir saçılma, geri dönüş sinyalini daha zayıf ve daha bulanık hale getirecek ve ışığın bir kısmı alıcı tarafa geri dönmeyebilir. Ne kadar çok toz varsa, ışık noktası saçılımı o kadar ciddi olur ve tespit edilen etkin sinyal de o kadar zayıf olur. Bu durum en sonunda nokta bulutu verilerinde gürültünün artması, nesne hatlarının net olmaması ve hatta sistemin herhangi bir engel olmadığına dair yanlış karar vermesi şeklinde kendini gösterecektir.
Toz, ışığı saptırmanın yanı sıra ışının yayılma sırasında enerji kaybetmesine de neden olarak radar alıcısının aldığı sinyal gücünün azalmasına neden olur. Sinyal gücü sensörün gürültü seviyesi civarına düştüğünde, gerçek yansımalar ile arka plan gürültüsü arasında doğru bir şekilde ayrım yapmak zorlaşır; bu da menzil doğruluğunu ve uzaktaki nesneleri tanımlama yeteneğini doğrudan etkiler.
Toz ayrıca LiDAR görüntüleme pencerelerinin kirlenmesine de neden olabilir. LiDAR gönderen ve alan ışınların şeffaf bir koruyucu cam veya pencereden geçmesi gerekir. Bu pencerenin yüzeyine toz yapışmışsa ve yavaş yavaş birikerek zamanla kalınlaşırsa, lazer bu kirlilik tabakasından geçerken dağınık yansıma ve soğurma üretecek ve ışının dışarı çıkıp geri gelme sinyali zayıflayacak, hatta yönünü değiştirecektir. Bu tür bir fiziksel tıkanmanın nokta bulutunun genel kalitesi üzerinde büyük etkisi vardır. Sadece mesafe ölçümü hatalı olmakla kalmayacak, aynı zamanda sistemin yanlışlıkla ileride bir engel olduğuna inanmasına veya gerçek nesneyi hiç görmemesine de neden olabilir.
Lidar üzerindeki tozun etkisi nasıl azaltılır
Aslında toz girişimine karşı birçok karşı önlem önerilmiş ve uygulanmıştır.
Bir fikir, donanımın pencereye toz yapışmasını azaltmaktır. Radarın kabuk malzemesi ve kaplamasının tasarımında, koruyucu kapak üzerinde toz birikmesini azaltmak için yüksek ışık geçirgenliğine ve güçlü kirlenme önleyici özelliğe sahip malzemeler kullanılabilir, böylece lazerin mümkün olduğu kadar az engellenmesi sağlanır. Örneğin, bazı uygulama senaryolarında, tozun yapışmasını önlemek ve ekipmanın temizleme döngüsünü uzatmak için yüzeyinde nano-kirlenme önleyici kaplamalar bulunan koruyucu kapaklar kullanılır.
Yazılım düzeyinde endüstri aynı zamanda hedefe yönelik filtreleme ve tanıma algoritmaları da geliştirmiştir. Bu algoritmalar, lazer yankısının yoğunluğunu, mesafesini ve nokta bulutu etrafındaki noktaların dağılımını birleştirerek hangi noktaların toz saçılımından kaynaklanan gürültü olma ihtimalinin daha yüksek olduğunu belirleyecek ve ardından bunları nokta bulutu verilerinden kaldıracak. Böyle bir "toz giderme algoritması", gerçek ortamın nokta bulutu bilgisini bir dereceye kadar geri yükleyebilir ve sahte engellerin etkisini azaltabilir.
Diğer bir yöntem ise lidarı diğer sensör türleriyle birleştiren sensör füzyonudur. Örneğin kameralar, tozu gerçek hedeflerden ayırt etmeye yardımcı olacak görüntü bilgileri sağlayabilir. Milimetre-dalga radarı yağmur, sis ve toz için daha iyi nüfuz etme kapasitesine sahiptir. Bunların birleştirilmesi, karmaşık ortamlarda tek bir lidardan çok daha güvenilir olan daha sağlam bir algılama sistemi oluşturabilir.
Bazı özel aşırı senaryolarda, pencere yüzeyindeki tozun düzenli olarak temizlenmesi için lidarın dışına hava üfleme cihazları, fırçalar veya diğer mekanik temizleme modüllerinin takılması gibi aktif temizlik önlemleri eklenecektir. Ancak bu tür bir çözüm daha yüksek maliyet ve bakım gereksinimlerine sahiptir ve çoğunlukla endüstriyel veya özel robot ortamlarında kullanılır.
Sonuç olarak,
toz LiDAR'ı birçok yönden etkiler. Yalnızca lazer yayılma yolunu bozmaz, aynı zamanda sinyal gücünü azaltır, sensör penceresini kirletir ve sonuç olarak nokta bulutu verilerinde gürültünün artmasına, tanıma doğruluğunun azalmasına, algılama aralığının kısalmasına ve hatta engellerin yanlış değerlendirilmesine yol açar. Otonom sürüş gibi güvenlik açısından-kritik uygulamalarda bu etkiler göz ardı edilemez.
