Tecnologie dei sensori per i veicoli autonomi

Di Mark Patrick, Mouser Electronics.

Le differenti tecnologie di sensori utilizzate nei veicolo autonomi e le loro principali caratteristiche

Gli argomenti trattati in questa serie saranno i seguenti:

• Come le tecnologie per la guida autonoma stanno ridisegnando il panorama automotive
• Superare le percezioni e adottare le tecnologie per la guida autonoma
• Autonomia dei veicoli: le fasi chiave dell’evoluzione
• Tecnologie dei sensori per i veicoli autonomi
• Le comunicazioni V2V e V2I forniscono i dati “time-critical” per i veicoli autonomi
• Stabilire un quadro etico per i veicoli autonomi

Sensori: tecnologie cruciali per i veicoli autonomi
Per poter circolare in sicurezza, un veicolo autonomo deve essere pienamente consapevole dell'ambiente che lo circonda. In caso contrario, i veicoli autonomi non potranno mai raggiungere gli obiettivi di sicurezza stradale che la società si attende da loro. Per soddisfare le aspettative dei passeggeri e contrastare le ansie sociali legate all'uso dei veicoli autonomi, è necessario poter disporre di sistemi che abbiano una completa comprensione (a 360°) dell'ambiente circostante.

Sono due le tecnologie indispensabili che consentono a un veicolo di “vedere”. La prima è rappresentata da differenti tipologie di sensori in grado di rilevare elettronicamente gli oggetti, la loro posizione relativamente al veicolo e, nel caso siano in movimento, la loro velocità. Poi vi sono gli algoritmi di apprendimento automatico che girano sul computer necessari per elaborare i dati provenienti dai sensori per dedurre i parametri chiave relativi agli oggetti che i sensori sono in grado di vedere. In pratica, è necessario stabilire se si tratta di un altro veicolo, un segnale stradale o un pedone. Per ciascuna classe di oggetti vi sarà in insieme di parametri distintivi che i sistemi di controllo del veicolo dovranno conoscere. Anche se molte di queste tecnologie sono già presenti sotto forma di sistemi ADAS, seppur con capacità limitate, per ottenere una completa autonomia saranno necessari sensori più avanzati.

Sensori: le tecnologie chiave
Per consentire a un veicolo di comprendere appieno l'ambiente che lo circonda, le tecnologie chiave sono le seguenti: radar, lidar e telecamere.

Il radar è già impiegato in sistemi ADAS quali la frenata di emergenza e il controllo adattivo della velocità di crociera. Esso continuerà a fornire funzioni di rilevamento indispensabili per molteplici scopi quando il veicolo viaggia a velocità differenti, come ad esempio durante il parcheggio automatico, il cambio di corsia in autostrada e in condizioni di traffico in lento movimento. I più recenti moduli radar operano nel campo delle onde millimetriche a frequenze tipiche dell'ordine di 77 GHz e sono in grado di rilevare in tempi brevi distanza, velocità e angolazione di molteplici oggetti indipendentemente dalle condizioni meteorologiche.

Compatti e di costo contenuto, questi moduli si propongono come una tecnologia di rilevamento ampiamente collaudata e affidabile. Nonostante ciò, sussistono alcune limitazioni, tra cui la velocità e la quantità di dati che sono in grado di fornire relativamente agli oggetti rilevati.

Pur operando in maniera analoga ai radar, i sistemi lidar utilizzano impulsi luminosi provenienti da una sorgente laser al posto delle onde millimetriche. Essi possono effettuare scansioni in tre dimensioni, acquisendo milioni di punti al secondo per creare rapidamente una mappa virtuale dell'ambiente che circonda il veicolo. Il lidar è stato ampiamente adottato dai produttori di veicoli grazie alla sua capacità di generare una vista sovrapposta dinamica che include forme e profondità di oggetti quali veicoli, pedoni e segnali stradali. Il lidar è una tecnologia di rilevamento complementare al radar ed entrambi i sistemi soddisfano le esigenze di specifiche applicazioni.

Tra i numerosi esempi di lidar disponibili si può segnalare Alpha Prime di Velodyne, un sensore ad alta risoluzione che prevede 128 canali. Queste in sintesi le caratteristiche salienti: campo visivo (FOV – Field Of View) orizzontale di 360°, campo visivo verticale di 40° e accuratezza della risoluzione pari a +/- 3 cm. Grazie a un frame rate (velocità di acquisizione) di 20 kHz, il sensore può fornire un massimo di 4,6 milioni di punti di dati degli oggetti al secondo. Velodyne Lidar è continuamente impegnata nello sviluppo dei sensori della prossima generazione e tra i suoi clienti operanti nel comparto automotive può annoverare aziende di primo piano quali Ford, Honda, Tesla e Mercedes-Benz.

Anche se radar e lidar producono un gran numero di dettagli utili per i sistemi di navigazione dei veicoli, non sono in grado di soddisfare tutti i requisiti. Alcuni compiti relativi al rilevamento delle immagini richiedono un'interpretazione più complessa dell'immagine oggetto dell'osservazione, come ad esempio il riconoscimento dei segnali stradali. Per svolgere questo e altri compiti simili è necessario il ricorso a telecamere ad alta definizione.

Posizionando telecamere con obiettivi grandangolari sulla parte anteriore, sui lati e sul retro di un veicolo, è possibile ottenere una visione in tempo reale a 360° dell'ambiente che circonda il veicolo stesso. Un approccio di questo tipo permette praticamente di eliminare i punti ciechi per cui, abbinando i risultati ottenuti dai lidar e dai radar, i sistemi autonomi avranno una visione che riproduce in maniera fedele l'ambiente circostante sulla quale basare le loro decisioni di guida.

Come spiegato nel blog precedente “Autonomia dei veicoli: le fasi chiave dell'evoluzione”, per conseguire la totale autonomia, ovvero il livello 5 dello schema di riferimento messo a punto da SAE, un veicolo dovrà essere in grado di guidare da solo a qualsiasi velocità e in tutte le condizioni atmosferiche senza alcun intervento umano. Conseguire tale obiettivo equivale a una totale dipendenza da una molteplicità di sensori in grado di fornire una visione in tempo reale non solo della strada da percorrere, ma anche di tutto ciò che circonda il veicolo, dai pedoni all'arredo urbano.

In questo blog sono state illustrate tre delle principali tecnologie dei sensori utilizzate dai veicoli autonomi ma non bisogna dimenticare che, con il trascorrere del tempo, altre tecnologie evolveranno per completarle. Un altro aspetto critico della progettazione dei veicoli autonomi sarà lo sviluppo di sensori e sistemi ridondanti, indispensabili per garantire che il malfunzionamento di un sensore non possa compromettere il funzionamento sicuro del veicolo nel suo complesso. Alla ridondanza è ovviamente associato un costo, ma chiaramente l'obiettivo fondamentale è assicurare che i veicoli non mettano a repentaglio la vita umana.

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