Bagaimana cara kerja "mata" lidar?
Sebelum membahas mengapa debu mempengaruhi efek pengenalan lidar, pertama-tama kita perlu menjelaskan cara kerja lidar.
LiDAR (LiDAR, nama lengkap Light Detection and Ranging) adalah sensor aktif yang memancarkan sinar laser dengan sendirinya, dan sinar laser tersebut dipantulkan kembali setelah mengenai benda di sekitarnya. Dengan mengukur waktu yang dibutuhkan setiap pulsa laser untuk kembali dari emisi, jarak dan arah objek target dapat dihitung, sehingga membentuk awan titik tiga-dimensi dari lingkungan sekitarnya.
Desain ini dapat memperoleh informasi lingkungan yang sangat akurat dalam kondisi ideal, namun akan sangat terpengaruh jika bertemu dengan benda seperti tetesan air hujan, asap, debu, dll. Hambatan tersebut akan mempengaruhi sinar laser, sehingga mempengaruhi kualitas sinyal yang dikembalikan.
Bagaimana debu mengganggu sinyal laser?
Saat manusia mengendarai mobil, jika terdapat debu di lingkungan sebenarnya dampaknya kecil. Namun bagi lidar, debu justru menjadi sumber gangguan yang sangat merepotkan.
Ketika sinar laser bertemu dengan partikel debu di udara, terjadi hamburan, dan cahaya yang seharusnya bergerak dalam garis lurus dibelokkan oleh partikel debu tersebut. Hamburan seperti itu akan membuat sinyal balik menjadi lebih lemah dan buram, dan sebagian cahaya bahkan mungkin tidak kembali ke pihak penerima. Semakin banyak debu, semakin serius hamburan titik cahayanya, dan semakin lemah sinyal efektif yang terdeteksi. Hal ini pada akhirnya akan bermanifestasi sebagai peningkatan noise pada data point cloud, garis besar objek yang tidak jelas, dan bahkan kesalahan penilaian oleh sistem bahwa tidak ada hambatan.
Selain membelokkan cahaya, debu juga menyebabkan pancaran sinar kehilangan energi selama perambatan sehingga menyebabkan kekuatan sinyal yang diterima penerima radar berkurang. Ketika kekuatan sinyal turun hingga mendekati tingkat kebisingan sensor, maka menjadi sulit untuk membedakan secara akurat antara pantulan sebenarnya dan kebisingan latar belakang, yang secara langsung memengaruhi keakuratan jangkauan dan kemampuan untuk mengidentifikasi objek yang jauh.
Debu juga dapat menyebabkan kontaminasi pada jendela tampilan LiDAR. LiDAR yang memancarkan dan menerima sinar harus melewati kaca atau jendela pelindung transparan. Jika ada debu yang menempel pada permukaan jendela ini, dan lambat laun menumpuk dan menjadi lebih tebal seiring berjalannya waktu, laser akan menghasilkan pantulan dan penyerapan yang menyebar ketika melewati lapisan polusi ini, dan sinyal sinar yang keluar dan kembali akan melemah atau bahkan berubah arah. Oklusi fisik semacam ini berdampak besar pada kualitas point cloud secara keseluruhan. Pengukuran jarak tidak hanya tidak akurat, tetapi juga dapat membuat sistem salah mengira bahwa ada penghalang di depan atau tidak melihat objek sebenarnya sama sekali.
Cara mengurangi dampak debu pada lidar
Faktanya, banyak tindakan penanggulangan telah diusulkan dan diterapkan terhadap gangguan debu.
Salah satu idenya adalah mengurangi pelekatan debu ke jendela dari perangkat keras. Dalam desain bahan dan lapisan selubung radar, bahan dengan transmisi cahaya tinggi dan kemampuan anti-pengotoran yang kuat dapat digunakan untuk mengurangi akumulasi debu pada penutup pelindung, sehingga memastikan bahwa laser sesedikit mungkin terhalang. Misalnya, dalam beberapa skenario aplikasi, penutup pelindung dengan lapisan nano-antifouling pada permukaan digunakan untuk mencegah debu menempel dan memperpanjang siklus pembersihan peralatan.
Pada tingkat perangkat lunak, industri juga telah mengembangkan algoritma penyaringan dan pengenalan yang ditargetkan. Algoritme ini akan menggabungkan intensitas dan jarak gema laser serta distribusi titik di sekitar titik awan untuk menentukan titik mana yang lebih mungkin menimbulkan kebisingan akibat hamburan debu, dan kemudian menghapusnya dari data titik awan. "Algoritme penghilangan debu" seperti itu dapat memulihkan informasi titik cloud dari lingkungan nyata sampai batas tertentu dan mengurangi dampak hambatan palsu.
Cara lainnya adalah sensor fusion yaitu menggabungkan lidar dengan sensor jenis lain. Misalnya, kamera dapat memberikan informasi gambar untuk membantu membedakan debu dari target sebenarnya. Radar gelombang-milimeter memiliki kemampuan penetrasi yang lebih baik terhadap hujan, kabut, dan debu. Menggabungkan keduanya dapat membentuk sistem persepsi yang lebih kuat, yang jauh lebih dapat diandalkan daripada satu lidar di lingkungan yang kompleks.
Dalam beberapa skenario ekstrem khusus, tindakan pembersihan aktif akan ditambahkan, seperti memasang alat penghembus udara, sikat, atau modul pembersih mekanis lainnya di bagian luar lidar untuk membersihkan debu di permukaan jendela secara teratur. Namun, solusi jenis ini memiliki persyaratan biaya dan pemeliharaan yang lebih tinggi dan terutama digunakan di lingkungan industri atau robot khusus.
Kesimpulannya,
debu mempengaruhi LiDAR dalam banyak cara. Hal ini tidak hanya mengganggu jalur propagasi laser tetapi juga mengurangi kekuatan sinyal, mencemari jendela sensor, dan pada akhirnya menyebabkan peningkatan noise pada data point cloud, penurunan akurasi pengenalan, pemendekan jangkauan deteksi, dan bahkan kesalahan penilaian terhadap rintangan. Untuk aplikasi penting-keselamatan seperti mengemudi secara otonom, dampak ini tidak dapat diabaikan.
