Il sensore RaDAR nei veicoli a guida autonoma

Il RaDAR, come il LiDAR, è una tecnologia che le automobili a guida autonoma possono utilizzare per determinare la posizione, l'angolo e la velocità degli oggetti. Mentre il LiDAR utilizza la luce laser per creare un'immagine dell'ambiente circostante, il RaDAR utilizza le onde a radio frequenza. In questo articolo, viene descritta una panoramica sulla tecnologia RaDAR utilizzata nei veicoli a guida autonoma, confrontata con la tecnologia LiDAR.

Introduzione

Il RaDAR è stato determinante nell'aiutare gli alleati a vincere la seconda guerra mondiale. Ora, il RaDAR viene sfruttato per vincere un'altra guerra: la battaglia per eliminare tutti gli incidenti stradali e gli infortuni gravi migliorando al contempo la mobilità in tutto il mondo. Più piccoli delle dimensioni di un telefono cellulare, i dispositivi RaDAR automobilistici di oggi possono rilevare se c'è un oggetto di grandi dimensioni davanti a noi, dietro di noi o nel nostro punto cieco di lato. Ma non è abbastanza! Rimangono numerosi ostacoli per raggiungere l'obiettivo di un veicolo sicuro al 100% e completamente autonomo. Ciò che serve è lo sviluppo di tecnologie in grado di rilevare, discernere e comprendere l'intero mondo che circonda l'automobile. Nel tentativo di affrontare questa sfida, grandi aziende produttrici di componentistica elettronica come Analog Devices hanno realizzato un metodo collaborativo e un processo iterativo per portare il RaDAR ad un livello di precisione più elevato ad alte prestazioni, che possa consentire di salvare vite umane. Il RaDAR, nelle automobili di oggi, ha una risoluzione molto grossolana. Tutto ciò che "vede" è a livello di oggetti di grandi dimensioni. Può rilevare qualcosa all’esterno intorno ad un'auto, potrebbe essere una motocicletta o un camioncino, ma non può identificare l'oggetto. Aumentando la risoluzione, tramite i progressi nella tecnologia di rilevamento hardware e con potenti algoritmi software, il RaDAR può discernere vari attributi intorno a ciò che sta vedendo, avvicinandoci di un passo ad un veicolo completamente autonomo e sicuro. Ciò coincide con la necessità di ottenere dati RaDAR a risoluzione più elevata rispetto a quelli attualmente disponibili. Le applicazioni di guida autonoma ad alte prestazioni devono essere in grado di separare un segnale stradale da una bicicletta o da un bambino. Un veicolo autonomo intraprende un'azione evasiva e svolta, frena o accelera per la sicurezza sia degli occupanti del veicolo che dei pedoni vulnerabili. In Figura 1 viene riportato un modulo RaDAR di Analog Devices.

Figura 1: Modulo RaDAR dell’Analog Devices

Il sensore RaDAR

Il RaDAR (Radio Detection and Ranging) può essere considerato un sensore. Trasmette onde elettromagnetiche a radio frequenza (RF) mediante un'antenna che nel contempo riceve le onde RF riflesse dagli ostacoli nel raggio operativo del RaDAR raccogliendo grandi quantità di informazioni su oggetti e terreno circostanti. Il sensore RaDAR, più datato del LiDAR, presenta alcuni importanti vantaggi rispetto al LiDAR e alla tecnologia di visione ottica ViDAR, per cui può essere molto utile impiegarlo nei veicoli autonomi. Ad esempio, le onde radio possono rilevare oggetti, anche di notte o in condizioni di nuvolosità e di scarsa illuminazione. A differenza dei sistemi di visione ottica, il RaDAR può anche consentire ad un veicolo a guida autonoma di "vedere" al buio, anche se i suoi fari si guastano. Il RaDAR, essendo più datato, è anche in genere più economico da implementare rispetto al LiDAR. Poiché le auto a guida autonoma richiedono così tanti sensori per funzionare, la differenza di costo tra RaDAR e LiDAR può fare una differenza significativa nel prezzo finale di un'auto a guida autonoma. Ci sono degli svantaggi nell'usare il RaDAR. Le antenne del RaDAR, ad esempio, sono in genere abbastanza visibili, a differenza dei dispositivi di rilevamento LiDAR che possono integrarsi più facilmente nel design del veicolo. Quando si utilizzano onde radio con lunghezze d'onda più corte, i sistemi RaDAR faticano a rilevare oggetti più piccoli. Anche le auto che utilizzano solo il RaDAR potrebbero non essere in grado di determinare con precisione la forma di un oggetto, il che potrebbe rappresentare un grosso problema poiché i veicoli a guida autonoma devono distinguere tra pedoni, altri veicoli, segnali, segnaletica orizzontale e ostacoli. Il RaDAR è anche vulnerabile alle onde radio della stessa lunghezza d'onda utilizzate dal sistema RaDAR stesso. Sia l'uso accidentale che intenzionale delle onde radio potrebbe confondere i sistemi RaDAR di un veicolo, facendogli perdere dal controllo un oggetto o considerare fermi gli oggetti in movimento. Per questo motivo, le case automobilistiche probabilmente non possono utilizzare il RaDAR come sostituto del LiDAR o dei sistemi di rilevamento ottico come il ViDAR. Tuttavia, il RaDAR potrebbe funzionare come un eccellente complemento per questi sistemi, fornendo informazioni aggiuntive sulla posizione, la forma e il movimento degli oggetti vicini quando la visibilità è bassa. Un sistema combinato LiDAR-RaDAR o ViDAR-RaDAR potrebbe sfruttare appieno la tecnologia di rilevamento e distanza esistente, consentendo alle case automobilistiche di costruire auto a guida autonoma che funzioneranno bene in una varietà di condizioni.

L’impiego del RaDAR nelle automobili a guida autonoma

Per la maggior parte, le auto a guida autonoma esistenti si basano su una combinazione di tecnologie LiDAR e ViDAR. Un numero crescente di case automobilistiche e ricercatori sui veicoli autonomi, tuttavia, considera l’utilizzo del RaDAR un importante sistema supplementare per la sicurezza dei veicoli autonomi, ad esempio, per navigare in condizioni meteorologiche avverse. Il sistema RaDAR è progettato per essere simile a un LiDAR e migliore nel determinare la forma e le dimensioni degli oggetti rispetto ai sistemi RaDAR tradizionali. In pratica, il sistema potrebbe aiutare a colmare alcune delle debolezze dei sistemi RaDAR, rendendoli un'opzione più preziosa per i produttori di auto a guida autonoma. Anche alcune auto esistenti con sistemi di guida autonoma o di assistenza alla guida, utilizzano già il RaDAR. Ad esempio, le versioni recenti della Mazda includono sistemi di supporto alla guida che sfruttano una combinazione di telecamere e RaDAR con rilevamento anteriore. Allo stesso tempo, tuttavia, alcune case automobilistiche stanno eliminando gradualmente il RaDAR. Tesla ha recentemente annunciato che non includerà più sistemi RaDAR in molti dei suoi veicoli costruiti per il mercato del nord America. La Figura 2 mostra l’interno di un’immaginaria automobile del futuro senza conducente.

Figura 2: Automobile del futuro senza conducente

Il contributo del RaDAR nella sicurezza delle auto a guida autonoma

Nonostante le grandi innovazioni, anche le auto a guida autonoma più avanzate non sono completamente autonome. Una delle principali criticità per queste auto è la scarsa visibilità causata dal maltempo, come la nebbia, polvere e forti piogge che possono impedire il pieno funzionamento dei sistemi LiDAR e ViDAR, fondamentali per la navigazione in sicurezza. Il RaDAR per i veicoli autonomi può aiutare a colmare alcune di queste vulnerabilità, consentendo alle auto a guida autonoma un livello di autonomia più elevato. Con la tecnologia, le auto a guida autonoma potrebbero continuare a rilevare efficacemente gli oggetti, anche in condizioni di scarsa visibilità. Sebbene il RaDAR presenti alcuni inconvenienti, i ricercatori stanno trovando nuovi modi per utilizzare la tecnologia che potrebbe aiutare i sistemi RaDAR ad essere ancora più utili nelle auto a guida autonoma.

Prestazioni del RaDAR per veicoli autonomi

Il RaDAR nei veicoli autonomi opera alle frequenze da 24 a 79 GHz, corrispondenti al range di frequenze operative dei RaDAR a corto raggio (sensore RaDAR SRR), a medio raggio (sensore RaDAR MRR) e a lungo raggio (sensore RaDAR LRR). In questo range di frequenze i RaDAR hanno funzioni leggermente diverse.

• La tecnologia dei sensori RaDAR SRR consente il monitoraggio degli angoli ciechi, l'assistenza al mantenimento della corsia e l'assistenza al parcheggio dei veicoli autonomi.

• I sensori RaDAR MRR vengono utilizzati quando la distanza di rilevamento degli ostacoli è compresa tra 100 e 150 metri con un angolo del fascio variabile tra 30° e 160°.

• Il controllo automatico della distanza e l'assistenza alla frenata sono supportati dai sensori RaDAR LRR.

La tecnologia RaDAR nei veicoli autonomi funziona con onde millimetriche che consentono una precisione millimetrica. L'utilizzo di onde millimetriche nel RaDAR veicolare autonomo garantisce un'elevata risoluzione nel rilevamento degli ostacoli e una precisione centimetrica nella determinazione della posizione e del movimento. Rispetto ad altre tecnologie di sensori nei veicoli autonomi, il RaDAR funziona in modo affidabile in condizioni di scarsa visibilità come clima nuvoloso, neve, pioggia e nebbia.

Tipologia di RaDAR utilizzati nei veicoli autonomi

Esistono due tipi di RaDAR utilizzati nei veicoli autonomi.

RaDAR a impulsi - Nel RaDAR a impulsi, viene emesso un impulso dal dispositivo e la frequenza del segnale rimane costante durante la missione del RaDAR.

RaDAR ad onda continua modulata in frequenza (FMCW) - Nel RaDAR FMCW, gli impulsi vengono emessi continuamente (ad onda continua). Gli impulsi sono modulati in frequenza, ossia durante l'intera operazione la frequenza varia durante il tempo di trasmissione. Il RaDAR FMCW è dominante nei veicoli autonomi grazie alla sua elevata risoluzione nella percezione della portata e della profondità. Approfonditi studi di ricerca da parte delle case automobilistiche continueranno a sviluppare varianti avanzate di RaDAR a impulsi e FMCW. Nella ricerca, un importante ausilio viene offerto dal software di simulazione per sviluppare sistemi RaDAR end-to-end non solo per veicoli autonomi, ma anche per applicazioni aerospaziali, di difesa e commerciali.

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