Tony Pirc, Applications Engineer, Analog Devices

I recenti progressi in ambito tecnologico hanno dato il via a soluzioni senza precedenti per “catturare” il mondo fisico in forma digitale. Una di queste soluzioni è il rilevamento della distanza tramite la luce, o LIDAR. Molte applicazioni e ambiti industriali hanno adottato la tecnologia LIDAR; le applicazioni spaziano dal rilevamento geografico alla mappatura strutturale 3D e al riconoscimento degli oggetti. I settori includono l’automazione della produzione, la sicurezza, l’agricoltura e molti altri. Tutte queste applicazioni e settori hanno sfruttato il LIDAR per ridurre i costi, creare ambienti più sicuri, migliorare l’efficienza o persino fare cose in precedenza impossibili. Per comprendere meglio l’impatto del LIDAR, è importante capire cosa è questa tecnologia, cosa veniva utilizzato prima di essa, e cosa il LIDAR ci permette effettivamente di misurare e, ancora più importante, di fare.

Fondamentalmente, il LIDAR è un sistema che sfrutta la riflessione della luce sugli oggetti al fine di rilevarli. Il sistema consiste in una parte trasmittente che emette luce e un’altra sezione ricevente che misura il tempo di ritorno della luce riflessa. Questo è esattamente il modo in cui funzionano i sistemi radar tradizionali, con una differenza molto importante: la lunghezza d’onda dei sistemi LIDAR è dell’ordine di diecimila volte più corta delle lunghezze d’onda radar più corte.

Figura 1. Quello che vediamo in confronto a quello che vede il radar.

In cosa differisce il LIDAR?

Cosa ci permette di fare una lunghezza d’onda molto più corta che non potremmo fare con il radar? Con una lunghezza d’onda più corta è possibile acquisire un’immagine con una risoluzione molto più elevata, a causa della limitazione fisica per la quale una misura non può essere più precisa della lunghezza d’onda elettromagnetica che viene utilizzata per misurarla. Anche con i trucchi del software e dell’elaborazione del segnale, si potrà definire così bene qualcosa soltanto se si usano lunghezze d’onda lunghe per farlo. Con la lunghezza d’onda più corta che caratterizza il LIDAR, è possibile scansionare l’ambiente rilevando gli oggetti e i relativi dettagli, invece di essere limitati a conoscerne solo posizione, dimensioni approssimative e velocità.

Immaginiamo di cercare di muoverci in una stanza buia che non ci è familiare. In genere ci si muove molto più lentamente rispetto a quando è illuminata, si usano le mani per sentire gli oggetti circostanti e farsi un’idea di dove si trovano. Prendiamo lo stesso scenario ma indossiamo un paio di guanti in lattice, da giardinaggio o guantoni da boxe. Ciascuna di queste paia di guanti ha proprietà eccellenti nell’ambito a cui sono destinate, ma non altrettanto quando ci si muove al buio.

 

Il LIDAR esiste da anni, dov’è la novità?

Il radar è stato utilizzato con grande successo per molti decenni e continuerà a essere estremamente utile, ma ora abbiamo un ulteriore strumento all’orizzonte che ci permetterà di estendere ulteriormente la nostra capacità di percepire le cose. Fino ad ora, la tecnologia LIDAR è stato limitata ad applicazioni di grandi dimensioni e costose (come, ad esempio, le attrezzature specializzate per il tele-rilevamento) o più piccole e semplici (come i dispositivi di rilevamento della velocità utilizzati dalle forze dell’ordine).

Un sistema LIDAR ad alte prestazioni deve soddisfare determinati criteri. La parte trasmittente, ad esempio, ha il compito di emettere impulsi laser da 3 ns a 5 ns con corrente di picco compresa fra 40 A e 80 A, allo scopo di poterlo rendere appetibile per il settore automotive: i driver laser si stanno finalmente avvicinando a questi livelli di potenza, rendendo questa sezione del LIDAR una realtà. Altri fattori includono una gestione dell’alimentazione compatta ed efficiente, l’integrazione dei sottosistemi, l’elaborazione dei dati ad alta velocità a costi accessibili e un software sofisticato per elaborare questi dati. La nostra capacità di incrementare le prestazioni dei sistemi LIDAR e budget di potenza richiesta in diminuzione ci stanno avvicinando ad un punto di svolta in cui può aver senso adottare il LIDAR in molte applicazioni dove prima semplicemente non era possibile soddisfare la domanda. Nell’ottica di avvicinamento a questo punto critico, lo sforzo collettivo nel ridurre costi, dimensioni ed esigenze di alimentazione aumentando allo stesso tempo le prestazioni, sta accelerando l’appetibilità di questa soluzione.

Così come è accaduto con la rivoluzione dei sistemi micro-elettro-meccanici (MEMS) degli anni ’90, il LIDAR oggi sta diventando più piccolo, economico e versatile. Sia il LIDAR che i MEMS hanno impiegato molto tempo per esprimere pienamente il loro potenziale nei diversi sistemi e sottosistemi. Nonostante i MEMS fossero stati sviluppati negli anni ’50, per molto tempo non hanno rappresentato un’alternativa pratica da integrare a livello di sistema per svariati motivi tra cui costo, dimensioni, requisiti di alimentazione e prestazioni. Solo negli anni ’90 la tecnologia di processo è diventata abbastanza matura da soddisfare la domanda e permettere la proliferazione dei MEMS in applicazioni prima inimmaginabili. Allo stesso modo, il LIDAR (sviluppato nei primi anni ’60) solo ora è pronto ad incontrare una domanda di mercato analoga.

[boris]

Ciò che sta cambiando oggi è la convergenza dei fattori che influiscono sulla progettazione e sulla produzione di un sistema LIDAR ad alte prestazioni. Questi fattori aggiuntivi hanno consentito al LIDAR di superare i propri vincoli, come la riduzione dei costi, la risoluzione di problemi di dimensioni e alimentazione, e l’aumento delle prestazioni complessive. Poiché questi fattori hanno permesso alla tecnologia LIDAR di migliorare le prestazioni diminuendo i costi di sviluppo, ha senso iniziare ad esplorare nuove aree per le applicazioni LIDAR.

Figura 2. Fasi dello sviluppo della tecnologia MEMS e LIDAR in 13 anni

 

Cosa ci permette di fare oggi il LIDAR che prima non era possibile?

Immaginate quali tipi di nuove tecnologie possono essere sviluppate con un sistema in grado di scansionare le superfici quando questo presenti un costo molto più accessibile rispetto al passato. Ecco alcune innovazioni recenti in termini di applicazione dei sistemi LIDAR:

 

Entertainment

Un vantaggio per il settore dell’intrattenimento è stato quello di poter mappare ambienti o oggetti complessi in modo digitale, permettendo un’interazione più fluida tra la realtà come la conosciamo e le realtà generate dal software. Nei film o nei videogiochi, ad esempio, questo permette un’acquisizione fluida del movimento in 3D degli attori, il quale può essere trasferito in un universo virtuale. Fino ad ora per ottenere un simile risultato era necessario disporre di costose tute munite di sensori (che erano tuttavia limitate in termini di trasmissione di informazioni di movimento) o sull’animazione fatta in casa (che, a seconda del dettaglio desiderato, può essere lenta e costosa).

Figura 3. 3D motion capture d’altri tempi con tute speciali, con rilevamento dei movimenti attraverso sfere bianche.

Figura 4. La cattura delle forme tramite LIDAR fornisce un’immagine molto più ricca di dettagli.

 

Ricerche Geografiche

Il LIDAR è utilizzato da tempo nel rilevamento geografico, tuttavia l’aumento in termini di portata e risoluzione di questi sistemi ha permesso ai ricercatori di scoprire antiche rovine che non sarebbe stato possibile studiare via terra. Le dimensioni e i costi in costante diminuzione stanno inoltre rendendo il LIDAR molto più attraente ai fini del rilevamento territoriale per scopi civili e ingegneristici, con importanti vantaggi rispetto ai metodi tradizionali di rilevamento in termini di velocità, precisione, flessibilità e sicurezza.

Figura 5. Mappatura in rilievo di una cava.

Ingegneria Civile e Strutturale

Durante la costruzione di un edificio, il LIDAR può essere usato per monitorare l’avanzamento dei lavori in tempo reale, confrontare le misure con gli schemi correnti e permettere il loro aggiornamento. Le strutture esistenti possono anche essere scansionate per comprendere meglio l’evoluzione della loro integrità nel corso degli anni, il che permetterebbe di valutare in modo più accurato esigenze di ristrutturazione o ricostruzione.

Figura 6. Aggiornamento in tempo reale di un cantiere, segnalando i cambiamenti necessari nella progettazione.

Trasporti

La panacea della guida autonoma è l’aggiunta di un sistema LIDAR a basso costo per completare la suite di strumenti che attualmente rileva ciò che circonda un veicolo. I segnali LIDAR permettono al sistema autonomo di misurare le caratteristiche dettagliate delle superfici che il radar non è in grado di rilevare (identificando l’oggetto), superando gli ostacoli atmosferici molto meglio di un sistema di visione tradizionale.

Figure 7. Un’automobile che di notte rileva le caratteristiche di oggetti circostanti consente il funzionamento sicuro del veicolo.

Sicurezza

Equipaggiare quelli che tradizionalmente erano semplici sensori di rilevamento ostacoli con sistemi LIDAR può avere il vantaggio di sapere come e quando rispondere in situazioni di emergenza. Un braccio robotico che movimenta oggetti pesanti sarà in grado di rispondere in maniera più consapevole quando un oggetto simile a una persona entra nel suo raggio di azione, piuttosto che al semplice oggetto per la cui movimentazione il robot è stato progettato.

 

Agricoltura

Per anni, semplici sensori sono stati utilizzati per rilevare aspetti come il livello del grano in un silo, lo stato dei raccolti, il livello del carburante e così via. Ciò che questi strumenti spesso non rilevano è il contesto più profondo, la forma che assume il cumulo di grano quando viene versato nel silo e in che posizione viene misurato (punto più alto, più basso, medio o un punto arbitrario) può influenzare l’efficienza con cui viene utilizzato lo stoccaggio. Attualmente, l’unico modo per rilevare queste informazioni con i metodi tradizionali è l’uso di più sensori, che di per sé ha limiti di risoluzione e aggiunge un costo significativo alla produzione. Essere in grado di rilevare la crescita nel tempo di un intero raccolto fin nei minimi particolari, fornisce dati importanti che possono essere utili alle pratiche di coltivazione, sia in tempo reale che per i raccolti futuri. Il LIDAR può anche aiutare a ottimizzare il movimento dei macchinari automatizzati nella raccolta delle colture.

Figura 8. L’aratura di un campo con successiva mappatura del terreno in tempo reale indipendentemente dalle condizioni di illuminazione grazie alle caratteristiche del LIDAR.

 

Automazione

Conoscere la struttura fisica nei minimi dettagli aggiunge un enorme valore alla robotica, che può gestire in modo più accurato e appropriato oggetti di varie dimensioni e geometrie. Questo vantaggio può essere trasferito a qualsiasi contesto di produzione o di magazzino dove è presente la movimentazione o lo smistamento ripetitivo. Essere in possesso di queste informazioni aggiuntive può anche permettere l’allentamento di inutili e rigide tolleranze produttive, risparmiando costi nella produzione e nel controllo qualità.

Figura 9. Danni e difetti possono essere rilevati prima dell’imbottigliamento, laddove spesso non è pratico installare sistemi di visione di grandi dimensioni (spesso utilizzati dopo che le bottiglie sono state riempite e confezionate). Questo è particolarmente utile quando le bottiglie sono visivamente difficili da distinguere l’una dall’altra.

Le applicazioni discusse in precedenza sono quelle che si stanno sviluppando o sono già state sviluppate. Come sempre accade in tutte le imprese umane, è impossibile oggi sapere quali altri sistemi utili e creativi le persone troveranno per utilizzare una tecnologia come il LIDAR. Per qualsiasi prodotto o un sistema che potrebbe essere in grado di sfruttare i vantaggi del LIDAR, Analog Devices ha l’esperienza per aiutarvi lungo tutto il viaggio: dalla concezione alla creazione per rendere la tua idea una realtà.

 

Valutare come il LIDAR può Generare Valore per le Aziende

Analog.com/lidar è il punto di partenza per le aziende che cercano di entrare nel mondo LIDAR o vogliono migliorare i loro prodotti. Non solo: per un approccio di alto livello, basato sulle applicazioni, gli esperti di sistemi di ADI sono a disposizione per una guida su come affrontare questi problemi. Per un contatto tecnico, ADI dispone di piattaforme di valutazione come la AD-FMCLIDAR1-EBZ che può aiutare a lanciare sul mercato i prodotti più velocemente, evitando attività di progetto non necessarie.

[/boris]