Lidar vs. stereo-kamera v nízkej textúre: robustnosť a latencia

Prečo je nízka textúra pre navigáciu dronov problém

Nízka textúra (hladké steny, monotónne povrchy, hmla, sneh, asfalt bez detailov) zásadne sťažuje odhad pohybu a mapovanie. Stereo-kamery pri takýchto scénach trpia nekorektnými koreláciami a „plochými“ disparty mapami; LiDAR má vlastné limity pri malých odrazivostiach a v aerosóloch. Pre autonómne UAS je preto kľúčová otázka: ktorá technológia je robustnejšia a s akou latenciou dodá použiteľné meranie v reálnom čase?

Merací princíp a dôsledky pre nízku textúru

LiDAR (ToF): meria vzdialenosť z času letu laserového impulzu alebo frekvenčnej modulácie. Nezávisí od vizuálnej textúry; závisí od odrazivosti materiálu, uhla dopadu a atmosféry.
Stereo-kamera: triangulácia z ľavého/pravého obrazu. Potrebuje discriminative features alebo aspoň šum, ktorý sa dá korelovať. Pri homogénnych plochách disparty degraduje (ambiguita) a algoritmy volia vyhladené, no chybné hĺbky.

Robustnosť v hraničných podmienkach

Scéna / podmienka	LiDAR	Stereo
Monotónna biela stena, interiér	Stabilná vzdialenosť, možný slabší návrat pri matnom bielom povrchu	Slabá/žiadna disparty; VO/SLAM zlyháva bez pomocných textúr
Hmla, prach, dážď	Viacnásobné rozptyly → „blízke“ echa, šum; nutná filtrácia intenzity/kalman	Kontrast klesá, ale obraz ostáva; stereo ešte môže korelovať, no rastie chyba
Nízke osvetlenie / noc	Bez vplyvu (aktívny senzor), pokiaľ nie je saturácia iným zdrojom	Bez aktívneho prísvitu zlyháva; s IR prísvitom zlepšenie na krátku vzdialenosť
Sklo, lesklé plochy	Odchýlenia a prielomy lúča → falošné vzdialenosti	Moaré/odlesky, ale často aspoň okrajové prvky pre VO
Vysoké vibrácie / rýchly pohyb	Rotujúce/solid-state LiDARy odolné; možné „motion distortion“ počas skenu	Rolling shutter + blur → veľké chyby; global shutter výrazne pomáha

Latencia: kde sa rodí a ako ju kvantifikovať

Latencia je čas od expozície/emitovania po dostupnosť odhadov polohy/hĺbky pre riadenie. Kritická je deterministickosť – malý jitter je rovnako dôležitý ako priemerná hodnota.

LiDAR pipeline: emisia → príjem → akumulácia skenu (10–100 ms podľa frekvencie a vzorkovania) → odfiltrovanie odľahlých bodov → registrácia (ICP/NDT) a/alebo odhad pohybu (LOAM, VIO-fúzia) → aktualizácia stavového odhadu.
Stereo pipeline: expozícia (typicky 1–5 ms) → demosaic/ISP → synchronizácia páru → výpočet disparity (SGBM/SGM/hlboké siete) 5–20+ ms → re-projekcia do 3D → VO/VIO (5–10+ ms) → filter.

Typické čísla (orientačné, 60–120 Hz IMU): LiDAR-odhad pózy 40–120 ms, stereo-VIO 20–60 ms. S IMU predikciou sa efektívna riadiaca latencia znižuje o 10–30 ms. Determinizmus: LiDAR býva stabilnejší, stereo s neurónovými sieťami má väčší jitter podľa textúry a expozície.

Chyby merania a ich štatistika

LiDAR: náhodná chyba vzdialenosti (mm–cm), systematika s uhlom dopadu, multipath v aerosóloch; pri rotujúcich skeneroch „časová špirálová“ deformácia pri rýchlych rotáciách UAV.
Stereo: chyba disparity ~1 px → hĺbka Z ≈ (f·B)/d; pri malom d (nízka textúra) rastie chyba nelineárne. Vzdialené objekty majú prudko rastúcu neurčitosť.

Algoritmy a ich citlivosť na textúru

Stereo SGM/HL stereo: potrebujú gradienty; pri „flat“ plochách vyhrávajú regularizačné termy → over-smooth.
VIO (stereo/mono + IMU): používajte feature-sparse aware režimy (edge/line features, event kamery) a robustné kostné funkcie (Huber, Cauchy).
LiDAR ICP/NDT: ICP potrebuje prekrývanie a štruktúru; v prázdnych chodbách pomáha point-to-plane, normaly a motion compensation.
LIO (LiDAR-IMU odometria): IMU odstraňuje časovú deformáciu a stabilizuje odhad v nízkej štruktúre; integrácia intenzity bodov pomáha vnútornej registrácii.

Synchronizácia a časovanie: základ robustnosti

Spoločný časový základ: PTP/IEEE 1588 alebo hardvérové triggers; bez toho vzniká pseudo-latencia a chyby fúzie.
IMU ako chrbtica: vysoká frekvencia (200–1 000 Hz) s nízkym jitterom; vizuálne/LiDAR aktualizácie ako korekcie.
Rolling vs. global shutter: pre stereo preferujte global; inak vyžadujte „row time“ kompenzáciu.

Energetika, hmotnosť, výpočty

Parameter	LiDAR (rotujúci/solid-state)	Stereo-kamera (GS dvojica)
Príkon	6–20 W (viac pri dlhom dosahu)	2–6 W (bez výpočtu)
Hmotnosť	300–1 200 g+	80–200 g (pár + baseline)
Výpočtový nárok	ICP/NDT/LIO stredný–vysoký	Disparity/VO stredný–vysoký (závisí od siete)
Dosah	40–200 m (typicky), kratší v hmle/prachu	Efektívny do 10–30 m pri presnej hĺbke, viac pri VO bez hĺbky

Fúzia senzorov: keď 1+1 > 2

VIO + LiDAR (LIO-VIO): stereo poskytne hustú blízku geometriu, LiDAR stabilizuje mierku a dlhodobú driftovú zložku.
Filter vs. smoothing: EKF/UKF/MHE; pri premenlivej latencii preferujte out-of-sequence update alebo „fixed-lag smoother“.
Mapovanie: vizuálna denzita pre detail, LiDAR pre absolútnu geometriu; vo výsledku robustná lokalizácia v nízkej textúre.

Latencia v riadiacej slučke: návrhové pravidlá

Udržujte end-to-end latenciu merania < 50 ms pre rýchlosti > 10 m/s (s IMU predikciou).
Kompenzujte časové posuny (timestamping pri zdroji) a používajte predikciu stavov do času riadenia.
Stabilizujte expozičné časy (auto-exposure bounds) – redukuje jitter stereo odhadov.
Pri LiDAR-e vykonávajte de-skew bodov na základe IMU a odhadu rýchlosti.

Fail-safe scenáre a detekcia degradácie

LiDAR: monitorujte mieru návratu a varianciu bodov; pri aerosóloch prepnite na „near-field cautious“ režim a spomaľte let.
Stereo: sledujte počet validných korelácií / reprojekčnú chybu; pri poklese pod prah prepnite na IMU-only dead reckoning s rýchlym pristátím.
Rozhodovacia logika: health score každého senzora a váhovanie vo fuse podľa kvality.

Kalibrácia a baseline dizajn

Stereo baseline: dlhšia baseline zlepšuje presnosť hĺbky, no zvyšuje citlivosť na parallax a montážne tolerancie.
Extrinzika LiDAR–kamera–IMU: offline presná kalibrácia + online jemné doladenie počas letu (hand-eye, targetless metódy).
Termálne drifty: fixácia teploty alebo on-line rekalibrácia intrinzík (pre dlhé misie).

Náklady a TCO perspektíva

LiDAR: vyšší CapEx, robustnejšie výsledky v nízkej textúre a noci; vyšší príkon a hmotnosť.
Stereo: nižší CapEx, nižší príkon, vyššia citlivosť na svetlo a textúru; s IR prísvitom rastie spotreba a obmedzuje sa dosah.

Odporúčania podľa typickej misie

Misia / prostredie	Preferencia	Poznámka k latencii
Interiér s hladkými stenami, nízke svetlo	LiDAR + IMU, voliteľne mono kamera na vizuálne ciele	Stabilná, predikovateľná latencia; pozor na sklo
Hmla, prach, tunely	LiDAR s intenzitnou filtráciou + radar, stereo len doplnkovo	Rátať s „blízkymi“ echos; spomaliť trajektóriu
Exteriér, deň, detailná scéna	Stereo-VIO + IMU, doplnkový krátkodosahový LiDAR	Najnižšia latencia pri dobrých textúrach
Vysoká rýchlosť > 15 m/s	LiDAR/LIO s pevnou frekvenciou + kvalitná predikcia z IMU	Deterministickejšie oneskorenie pre plánovanie

Checklist implementácie

Hardvérová synchronizácia senzorov, presné timestampy pri zdroji.
Global shutter stereo s fixovanými expozičnými limitmi; IR prísvit len pre blízke vzdialenosti.
LiDAR de-skew na základe IMU; filtrácia aerosólov (intenzita, lokálna hustota, temporal median).
Fúzia s IMU (EKF/UKF/smoother), OOS korekcie pri premenlivej latencii.
On-line metriky kvality (valid matches, inlier ratio, return rate) a adaptívne váhovanie.
Bezpečnostné režimy pri degradácii: spomalenie, vyššie clearance, vrátenie/pristátie.

Robustnosť vs. latencia nie je binárna voľba

V nízkej textúre má LiDAR prirodzenú výhodu v spoľahlivosti hĺbky, najmä v noci a interiéroch. Stereo môže ponúknuť nižšiu latenciu a nižšie náklady, no vyžaduje textúru a stabilné svetlo. Pre drony v náročných scenároch najlepšie funguje fúzia LiDAR–IMU–(Stereo) s dôrazom na časovanie, de-skew a deterministickú latenciu. Cieľom nie je zvoliť „víťaza“, ale navrhnúť reťazec vnímania, ktorý udrží kvalitu merania v reálnom čase aj vtedy, keď textúra zmizne.