Cos’è il LiDAR e come funziona il nuovo componente delle auto robot

Quando si parla di sicurezza e manutenzione, SicurAUTO.it è in prima linea e per questo  trattiamo regolarmente i diversi argomenti connessi a questo tema così importante, oggi vogliamo concentrarci sulla guida autonoma e le sue tecnologie.
Per la guida autonoma, infatti, è assolutamente necessario che il veicolo “percepisca” l’ambiente che lo circonda, distinguendo strade, alberi, altri veicoli, pedoni, edifici etc. Le automobili di oggi, soprattutto le top di gamma, hanno già sistemi ADAS che implementano la guida autonoma, come definita dai livelli SAE più bassi. Per questo hanno una dotazione di sensori già piuttosto nutrita, ma la vera guida autonoma è un’altra cosa e impone un cambio di paradigma. La percezione dell’ambiente circostante deve infatti essere estremamente precisa ed è per questo che le auto robot sperimentali sono piene di sensori. Fra questi, i LiDAR sono un po’ degli oggetti misteriosi, promettenti ma ancora in fase di sviluppo perché ad oggi troppo costosi e ingombranti per le automobili del mass market.

IL LIDAR

L’idea di fondo di LiDAR e radar è quella di emettere degli impulsi di onde elettromagnetiche e raccogliere quelle riflesse dagli oggetti per estrapolarne le caratteristiche. La prima differenza, la più sostanziale, è nei tipi di onde usate: se il radar (radio detection and ranging) usa onde radio, il LiDAR (light detection and ranging) impiega la luce, tipicamente quella di un Laser. Questa scelta, come sempre accade, ha dei vantaggi e dei punti deboli rispetto a quelli dei radar. Fra i primi va citata la capacità di rilevare dettagli più minuti degli oggetti scansionati e di meglio definirne i contorni. Questa capacità deriva dal fatto che la luce ha lunghezze d’onda minori rispetto alle onde radio e questo aumenta la risoluzione del rilevamento e permette quindi di classificare meglio gli oggetti. Un LiDAR riesce per esempio a capire la direzione nella quale un pedone sta guardando.

IL RADAR

Il radar si prende la rivincita nel costo, nella portata (le onde radio vengono assorbite di meno e quindi ritornano indietro “più forti”), nel rilevamento degli oggetti vicini e nell’efficienza in caso di pioggia, neve o nebbia. Un altro vantaggio dei radar è l’antenna unica, che agisce sia da emettitore sia da ricevitore. Il LiDAR prevede invece un emettitore distinto dal ricevitore e quindi dimensioni generalmente superiori a quelle di un radar.

MECCANICA DELICATA (E COSTOSA)

Una forma “embrionale” di LiDAR era montata ad esempio sulla 500L premiata da Euro NCAP per la sua frenata automatica ma quell’implementazione era assolutamente inadatta alla guida autonoma perché capace di rilevare solo oggetti davanti al muso dell’auto e a bassa velocità. Si trattava di dispositivi di portata ridotta e poco sensibili, non adatti alla guida autonoma. I primi veri LiDAR autonomous grade sono nati con un sistema di scansione basato su una sorgente Laser che indirizza la sua luce verso uno specchio rotante e orientabile che la “sparge” verso l’ambiente da esaminare. La cosa, dal caratteristico aspetto a “torretta”, funziona bene ma è ingombrante, richiede una meccanica di precisione e desta parecchia preoccupazione nei costruttori per l’affidabilità e la manutenzione/taratura.
I produttori di automobili vogliono infatti che i loro componenti durino a lungo in qualsiasi condizione meteorologica o di guida. Uno specchio rotante ad alta precisione che ruota vorticosamente mantenendosi affidabile per anni richiede componenti costosi e porta il prezzo finale a diverse migliaia di dollari. Già questo inficia la sua applicabilità alla grande serie ma se aggiungiamo le preoccupazioni per gli eventuali interventi in garanzia si capisce che questa soluzione è adatta soltanto ai veicoli-laboratorio.

STATICO MA LABORIOSO

Molti esperti dicono che per far diventare i LiDAR adatti alla produzione di massa essi devono sbarazzarsi delle parti mobili. In effetti la sperimentazione si è orientata verso componenti allo stato solido in grado di orientare il fascio di luce senza usare parti in movimento. Un primo approccio prevede l’uso di MEMS (Micro ElectroMechanical System) come quelli usati dai fari Laser Audi. I microspecchi che fanno questo lavoro sono contenuti in un chip e questo tecnicamente fa ritenere questi sistemi privi di parti in movimento, ma in realtà esse ci sono anche se microscopiche.

IL LASER “SEQUENZIALE”

Il sistema OPA (Optical Phased Arrays) impiega invece una matrice di piccole sorgenti Laser che possono essere pilotate individualmente. Accendendo questi punti in sequenza che prevedono opportuni ritardi si generano delle interferenze che orientano il fascio luminoso che può così scansionare l’ambiente senza parti mobili, grandi o piccole che siano. Questo sistema ha un punto debole: dato che le sorgenti sono piccole la luce Laser non è molto intensa e quindi la portata è minore. Mentre gli impulsi Laser del sistema a specchio sono invece ad alta potenza. Usare rivelatori più sofisticati nei sistemi OPA per catturare queste deboli eco purtroppo alzerebbe i costi in maniera proibitiva.

LA FREQUENZA CHE MISURA

Per fortuna si profila all’orizzonte la promettente soluzione FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave). L’impulso Laser non è a frequenza costante ma crescente nel tempo. Inventiamo dei numeri: all’inizio dell’impulso la frequenza è F, dopo un microsecondo è 2F e dopo 2 microsecondi è 3F.
In questo modo, se ricevo un segnale di ritorno con frequenza 2F so che l’impulso che ha raggiunto l’oggetto è quello partito dopo 1 microsecondo. Dato che conosciamo la velocità della luce Laser, l’istante nel quale l’impulso è partito e quello nel quale è ritornato al rilevatore, riusciremo a valutare a che distanza sono le varie parti dell’oggetto e ne otterremo un’immagine e la sua distanza. A stato solido è anche il Flash LiDAR, che usa un unico impulso per “illuminare” l’ambiente. Una miriade di piccoli sensori riceve il Laser riflesso con ritardi diversi, legati alla distanza e conformazione dell’oggetto. È molto veloce ma non ha una grande risoluzione e la portata non è esaltante. Continental lo ha sviluppando per i droni ma prevede che passeranno ancora un paio d’anni prima del rilascio di dispositivi per l’automotive. I LiDAR allo stato solido sarebbero quindi l’ideale per le Case, dato che sarebbero longevi e affidabili e quindi poco impegnativi anche con riguardo alla garanzia e alla manutenzione. È prevedibile che gli sforzi di industrie e startup (leggi di Ford che ha comprato una startup dei LiDAR) saranno in grado di raggiungere una soluzione praticabile per le auto di tutti i giorni. In modo che la domanda “cos’è il LiDAR” abbia una risposta concreta ed efficace.