Le persone usano gli occhi e le orecchie per individuare le situazioni di traffico che comportano potenziali pericoli. Per fare la stessa cosa, i veicoli a guida autonoma hanno bisogno di tutta una serie di sensori. Tuttavia, con l'aumentare del numero di sensori, aumenta anche lo spazio necessario per inserirli, cosa spesso incompatibile con la visione dei progettisti. Ora i ricercatori della Fraunhofer-Gesellschaft, l’Institute for High Frequency Physics and Radar Techniques, hanno scoperto un metodo per integrare alcuni sensori in modo discreto. La loro soluzione si trova nei fari del veicolo, dove combinano luce ottica, radar e LiDAR.
I veicoli di oggi sono in grado di svolgere sempre più funzioni senza richiedere l'intervento del conducente. Il cruise control mantiene automaticamente la giusta distanza dall'auto che precede, i sistemi di avviso di superamento della corsia correggono la traiettoria del veicolo, se necessario, e la frenata d'emergenza interviene se il conducente viene colto di sorpresa. Tutto questo è possibile grazie alle telecamere nella zona passeggeri e ai sensori radar nella griglia del radiatore. Il futuro prevede che le auto facciano ancora di più da sole.
Per ottenere questo risultato è necessario utilizzare un numero significativamente maggiore di sensori, ma riempire le griglie di sensori non è una cosa che i progettisti di auto sono disposti a fare.
Sensori radar e LiDAR integrati nei fari
Immagine: Fraunhofer FHR
Cinque istituti del Fraunhofer hanno creato un metodo di installazione dei sensori poco ingombrante e il più sottile possibile, senza compromettere funzionalità o prestazioni. Si tratta del progetto Smart Headlight. L'obiettivo è sviluppare un faro integrato con sensori per i sistemi di assistenza alla guida che combini elementi sensoriali con sistemi di illuminazione adattivi.
Si spera di migliorare la capacità dei sensori di identificare gli oggetti sulla strada, in particolare gli altri utenti, come i pedoni. I sensori LiDAR, infatti, possono essere utilizzati nei sistemi di assistenza alla frenata elettronica o di controllo della distanza.
"Stiamo integrando i sensori radar e LiDAR in fari già presenti. Sono, infatti, le parti che garantiscono la migliore trasmissione possibile per i sensori ottici e le sorgenti luminose e sono in grado di mantenere le cose pulite". Lo afferma Tim Freialdenhoven, ricercatore del Fraunhofer FHR.
Il funzionamento dei LiDAR
I sensori LiDAR (Light Detection And Ranging) funzionano secondo un principio di misurazione basato sulla determinazione del tempo che intercorre tra l'emissione di un impulso laser e la ricezione della luce riflessa, un metodo che produce misure di distanza eccezionalmente precise.
La prima fase della creazione dei sensori per fari prevede la progettazione di un sistema LiDAR adatto all'integrazione nella tecnologia automobilistica. A tal fine è necessario considerare che la luce irradiata sulla strada dal faro non può essere ostacolata dai due sensori aggiuntivi. Questo anche se i LED responsabili della luce sono situati molto indietro nel faro. Per questo motivo, i ricercatori hanno posizionato i sensori LiDAR nella parte superiore e i sensori radar nella parte inferiore dell'involucro del faro. Allo stesso tempo, i fasci di entrambi i sistemi di sensori devono seguire lo stesso percorso della luce LED, cosa resa più difficile dal fatto che tutti i fasci coinvolti hanno lunghezze d'onda diverse.
L'approccio coassiale e il combinatore multispettrale
La luce visibile dei fari misura tra i 400 e i 750 nanometri, mentre i fasci LiDAR a infrarossi vanno dagli 860 ai 1.550 nanometri, vicino alla gamma visibile. I raggi radar, invece, hanno una lunghezza d'onda di quattro millimetri. "Queste tre lunghezze d'onda devono essere unite in modo coassiale, cioè lungo lo stesso asse. Qui che entra in gioco quello che noi chiamiamo combinatore multispettrale", afferma Freialdenhoven. Guidare i fasci in modo coassiale è fondamentale per evitare errori di parallasse, che sono complicati da districare.
Inoltre, disporre i sensori uno accanto all'altro occuperebbe molto più spazio rispetto a una configurazione coassiale, per cui i ricercatori stanno cercando di ovviare a questo problema utilizzando i cosiddetti bi-combinatori. Per combinare la luce dei LED e quella del LiDAR, questa soluzione utilizza uno specchio dicroico con un rivestimento speciale, che guida i due fasci di raggi lungo un unico asse mediante una riflessione selettiva della lunghezza d'onda
Lo stesso effetto si verifica nel secondo combinatore (anche se in modo più complesso a causa delle lunghezze d'onda molto diverse), dove vengono combinati la luce LED, la luce LiDAR e il radar. Poiché i sensori radar sono già ampiamente utilizzati nel settore automobilistico, i progetti di bi-combinatori devono consentire ai produttori di continuare a utilizzare i sensori esistenti senza bisogno di modifiche.
Sistemi radar: penetrare la nebbia
Allora perché combinare sistemi ottici, LiDAR e radar?
"Ogni singolo sistema ha i suoi punti di forza, ma anche le sue debolezze", spiega Freialdenhoven. I sistemi ottici, ad esempio, hanno prestazioni limitate in situazioni di scarsa visibilità, come gli ambienti nebbiosi e polverosi. I sistemi radar, d'altra parte, sono in grado di affrontare le dense nubi di nebbia, ma non sono molto bravi nella categorizzazione. Sebbene siano in grado di dire se qualcosa è una persona o un albero, le loro capacità non hanno nulla da invidiare ai sistemi LiDAR.
"Stiamo anche lavorando per unire i dati dei radar e dei LiDAR, cosa che aggiungerà un enorme valore, soprattutto in termini di affidabilità", spiega Freialdenhoven. Il team ha già presentato una domanda di brevetto ed è ora impegnato nella creazione di un prototipo. Questa tecnologia è destinata a creare una serie di opzioni aggiuntive per l'integrazione dei sensori nei sistemi di assistenza alla guida.
Moduli luminosi più piccoli, sensori LiDAR più compatti e sensori radar integrati renderanno possibile la creazione di concetti multi-sensore. Saranno infatti particolarmente utili nell'ottica della tecnologia dei veicoli a guida autonoma, dove i requisiti di progettazione diventano sempre più esigenti e lo spazio di installazione è limitato. Di conseguenza, i futuri sistemi di guida autonoma potrebbero essere in grado non solo di rilevare una persona, ma anche di analizzarne la velocità, la distanza e l'angolo in cui si trova rispetto al veicolo.
