Radar auto e LiDAR: come funziona la tecnologia dietro la guida autonoma

Se fino a qualche anno fa l’auto che guida da sola rientrava nella categoria del “futuribile”, oggi la maggior parte di noi ha familiarizzato con questo concetto e non si stupisce più nel vedere le mani che si staccano dal volante. Dietro la guida autonoma c’è tuttavia tanta tecnologia, che dà un contributo decisivo a quello che ormai si incomincia a dar per scontato quando si parla di assistenza alla guida o guida automatizzata. Alla base di tutto, come nel cervello, c’è infatti la ricostruzione virtuale (mentale nel caso del cervello) dell’ambiente circostante. È infatti tale ricostruzione, resa possibile dalla continua analisi e ricombinazione degli input raccolti dai sensori, a ricreare l’ambiente dove il mezzo è in grado di muoversi in autonomia. Dispositivi come radar, lidar, telecamere devono dunque collaborare tra loro per fornire al cervello dell’auto le coordinate sempre aggiornate per muoversi in sicurezza. E proprio su questo fronte si stanno muovendo negli ultimi anni molti tra i più importanti componentisti automotive, che hanno sancito alleanze strategiche con i player dell’ Information Technology (IT) e dell’universo dei software per sviluppare le tecnologie alla base di questi dispositivi. Tutto questo si riverberà in maniera sempre più consistente anche nell’aftermarket auto: già oggi la ricalibrazione degli ADAS sta diventando un business sempre più interessante per officine e carrozzerie, e lo diventerà sempre di più.

C’è chi tempo addietro profetizzava che l’auto sarebbe diventata un computer su ruote. È avvenuto molto di più, con l’auto che si appresta a diventare una intelligenza artificiale su ruote.

Le tecnologie alla base della guida autonoma: radar, lidar, telecamere

Vediamo ora le ultime tecnologie e dispositivi che stanno rendendo possibile questa “rivoluzione” (già in corso) dell’auto, e che porterà ad un’accelerazione verso livelli di guida autonoma sempre più alti, fino al “non più fantascientifico” livello 5 di guida autonoma (guida completamente automatizzata).

Radar 4d di nuova generazione: come funziona

Dei radar per auto, fondamentali per recepire tutte le coordinate necessarie alla ricostruzione dello spazio circostante in cui si sta muovendo l’auto, si parla già da tempo. Negli ultimi anni, tuttavia, l’accelerazione tecnologica è stata bruciante, arrivando non solo allo sviluppo del full-range radar – o radar 4d – ma anche ad una “democratizzazione” del suo utilizzo, visto che non è più relegato ad applicazioni premium. Ma come funziona un radar auto di nuova generazione?

Il Full-Range Radar – come il radar lanciato da ZF – rileva l’ambiente circostante un veicolo con 4 misure, inclusa l’altezza. Abbinato alle telecamere e ai LiDAR, il radar ad alta risoluzione contribuisce a garantire l’affidabilità e la sicurezza necessaria per una guida semi e altamente automatizzata, fino al livello 4.

Si tratta di una tecnologia ad alta risoluzione nelle 4 misure di distanza, velocità, azimuth (orizzontale) ed elevazione. L’innovazione sta proprio nell’aggiunta dell’angolo di elevazione, che consente di creare un’immagine 3D ottimizzata anche del traffico, arricchita da informazioni sulla velocità, rendendo quindi possibile un rilevamento dell’ambiente ad alta risoluzione. Questo genere di dato è fondamentale, ad esempio, perché un veicolo che sta correndo in autostrada individui prontamente una coda in galleria frenando di conseguenza. Il radar 4d può fornire inoltre informazioni per individuare il ciglio della strada o se ci sono aree libere di passaggio sul lato della strada.

Dai radar mid-range ai radar full-range

Con i radar full-range si fa quindi un ulteriore passo in avanti rispetto alla generazione dei radar mid -range . Il Full-Range Radar ha infatti una risoluzione molto più elevata: tipicamente i radar mid-range hanno infatti 12 canali (3 trasmettitori e 4 ricevitori), mentre nel full-range radar il numero di canali cresce esponenzialmente: nel caso di ZF quattro chip Monolithic Microwave Integrated Circuit (MMIC) sono combinati in modo da dare luogo a 192 canali disponibili.

Con questo tipo di radar aumenta notevolmente anche la sicurezza. Il riconoscimento degli oggetti presenti nello spazio circostante in cui si sta muovendo la vettura è infatti molto più dettagliato: vengono ad esempio recepiti ben 10 punti dati da un pedone rispetto agli uno o due punti dei comuni radar automotive. I radar, come è noto, registrano la velocità dell’oggetto misurato per ogni punto di misura: il Full-Range Radar può addirittura determinare il movimento degli arti, con possibilità di capire anche in quale direzione stia camminando il pedone.

Nei radar full-range ad aumentare è anche l’angolo di apertura e la distanza coperta (350 metri), consentendo un’operatività ottimale in diverse condizioni di traffico: da una lenta coda urbana alla fluidità di una strada di provincia fino alla veloce autostrada. Il full-range radar ZF utilizza la banda a 77 gigahertz e la modulazione Fast Ramp Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW), che condivide con altri sensori radar di ZF

Radar auto e guida autonoma: mercato in crescita nei prossimi 10 anni

Secondo i dati di IHS Markit, il mercato dei radar acquisterà sempre più importanza nei prossimi 10 anni, con volumi crescenti nel settore automotive. In particolare, il full-range radar sarà cruciale per consentire la guida autonoma di livello 2 e 3. I componentisti automotive si stanno muovendo velocemente per soddisfare una richiesta che, nei prossimi anni, crescerà a ritmi particolarmente sostenuti. Un esempio calzante di questa “corsa” è il recente accordo tra Marelli e WHST (Wuhu SensorTech Intelligent Technology Co., Ltd), azienda cinese high-tech specializzata in radar, che a fine aprile hanno firmato un accordo quadro di collaborazione per sviluppare e produrre sensori radar finalizzati ad applicazioni ADAS e Autonomous Driving (guida autonoma).

Radar integrati nei proiettori

La collaborazione riguarderà i radar 4D a 77 GHz e 79 GHz che saranno integrati da Marelli all’interno dei propri proiettori, fanali, griglie frontali, così come su radar standalone negli angoli, radar a lungo raggio e sulla più recente tecnologia radar per l’abitacolo. I proiettori con i radar integrati sono quindi destinati a diventare gli “occhi” della vettura, indispensabili per abilitare i sistemi ADAS e i diversi livelli di guida autonoma. Un esempio è lo Smart Corner, una soluzione Marelli che integra sensori per la guida autonoma all’interno dei gruppi ottici anteriori e posteriori. Radar e illuminazione auto sono dunque destinati a viaggiare sullo stesso binario e ad essere sempre più integrati tra loro.

Radar a corto raggio

Anche la nuova generazione di radar a corto raggio di Continental – che utilizza una tecnologia a 77 Ghz al posto della precedente tecnologia a 24 Ghz, ha portato ad un rilevamento ancora più preciso dell’ambiente. Il sensore radar analizza infatti l’ambiente circostante con una risoluzione più elevata e con un livello di accuratezza maggiore, rilevando gli altri utenti della strada e gli ostacoli in maniera più precisa, oltre a rilevare le direzioni di movimento e le velocità.

Questi sistemi radar, che possono essere posizionati ai quattro angoli della carrozzeria del veicolo, costituiscono già la base di vari ADAS, come quelli per il monitoraggio dei punti ciechi, il rilevamento dei veicoli circostanti (sistema Lane Change Assist), il controllo degli incroci e delle intersezioni coi sistemi Intersection e Emergency Brake Assist, nonché lo studio dell’area dietro il veicolo per garantire l’uscita in sicurezza dei passeggeri (evitando ad esempio di aprire le porte quando un altro veicolo o un ciclista si sta avvicinando da dietro). Il radar a corto raggio rende inoltre possibili nuove funzioni di sicurezza come il Right-Turn Assistant, che entra in funzione se il guidatore vuole svoltare a destra nel momento in cui il ciclista è in procinto di superare l’automobile da quel lato. Altro ADAS che può essere abilitato grazie al il monitoraggio continuo e ad alta risoluzione del radar a raggio corto è l’ Emergency Steer Assist: questo sistema consente di sapere esattamente chi o cosa si trova nelle vicinanze del veicolo in ogni momento, nonché le loro traiettorie e velocità, e può regolare di conseguenza i segnali di sterzo.

LiDAR: aumenta la velocità di calcolo, diminuiscono i costi

Altra tecnologica in rapida accelerazione è quella dei LiDAR, anch’essa funzionale all’implementazione degli ADAS e allo sviluppo della guida autonoma. Il LiDAR si basa sull’impiego della tecnologia a laser, utilizzata per creare una scansione 3D dell’ambiente circostante e degli oggetti che si muovono in esso. Quando la luce emessa dal laser colpisce l’oggetto, la parte di essa che torna indietro viene raccolta da un sensore e computata da un processore per generare una ricostruzione tridimensionale di ciò che l’auto ha di fronte. Grazie all’ enorme potenza di calcolo raggiunta dai processori attuali, viene creata in poche frazioni di secondo (praticamente in tempo reale) una mappatura tridimensionale in cui è possibile tracciare anche oggetti in movimento di piccole dimensioni, oltre a rilevare la presenza di ostacoli, strade sconnesse, ecc. L’ aumento della velocità di calcolo è andata di pari passo all’abbassamento dei costi di produzione – inizialmente troppo elevati per essere adottati massivamente dalla filiera automotive – e attualmente i LiDAR sono alla base di funzioni come i sistemi di assistenza al cambio di corsia, alla guida in autostrada e nelle situazioni di traffico intenso. Le soluzioni LiDAR di nuova generazione consentono infatti il rilevamento e tracciamento degli oggetti e dello spazio libero, misurazione del profilo stradale e capacità di localizzazione.

LiDAR e Radar a confronto: vantaggi e svantaggi

I LiDAR continuano tuttavia ad essere una tecnologia più costosa rispetto ai radar – non ancora applicabile a tutti i segmenti – ma hanno il vantaggio di restituire una scansione più precisa e meglio definita, grazie al fatto che la luce laser ha una lunghezza d’onda minore rispetto alle onde radio dei radar, il che consente di identificare meglio gli oggetti e i dettagli. Il radar, da parte sua, mantiene un vantaggio a livello di costi e di efficienza in caso di condizioni meteorologiche avverse (nebbia, pioggia, neve). Altro punto di forza è di avere un’antenna unica, che fa da emettitore e da ricevitore, mentre nel LiDAR emettitore e ricevitore sono elementi distinti, facendo aumentare le dimensoni.

La tecnologia dei LiDAR allo stato solido sembra essere quella di maggiore interesse per le applicazioni in ambito automotive, data la sua efficienza e resistenza.

In questa direzione va il recente accordo di Marelli con XenomatiX, fornitore di moduli LiDAR allo stato solido, che ha portato sul mercato un prodotto basato su una tecnologia collaudata a livello di semiconduttori e progettato per la produzione di massa.

L’intenzione di Marelli è di integrare sistemi di riconoscimento e classificazione degli oggetti basati sull’ intelligenza artificiale con i moduli LiDAR realizzati con XenomatiX (che utilizzano la tecnologia “no-scanning”).