LiDAR & AI: Nuova generazione di sensori spaziali

03/10/2022

Introduzione alla tecnica LiDAR

Con il termine LiDAR (Light Detection And Ranging) indichiamo una tecnica di rilevamento che sfrutta fasci laser per poter scansionare e visualizzare il mondo in 3D, tramite una nuova tipologia di sensori. Tale tecnica nasce dalla necessità di ottenere informazioni precise sulla struttura e conformazione di ampie aree.

Come spesso accade per simili tecnologie, le prime applicazioni hanno visto la luce negli ambiti militari; nello specifico i LiDAR venivano impiegati per scansioni aeree e analisi di fondali marini. Successivamente le tecniche sono state impiegate per ricerca in ambiti scientifici.

Oggi, grazie all’evoluzione della tecnica, lo spazio applicativo si è ulteriormente esteso, trovando impiego anche in settori comuni:

  • Scienza della terra (rilevamenti geologici, sismologia)
  • Archeologia
  • Telerilevamento
  • Meteorologia
  • Robotica (manipolatori e carrelli autonomi)
  • IoT
  • Avionica (sistemi di navigazione aerea e autopiloti)
  • Automotive (sistemi di ausilio alla guida).

La nostra attenzione sarà rivolta a questo ultimo settore applicativo dal momento che le tecniche di percezione degli scenari rappresentano il primo elemento da raggiungere per la transizione verso i sistemi di guida autonoma.

L’impiego di sensori LiDAR è una pratica consolidata nei sistemi ADAS che equipaggiano i veicoli di nuova generazione.

Ci concentreremo sulle principali caratteristiche dei sensori, il loro funzionamento e come ALTEN Italia collabora allo sviluppo di strumenti che rendono possibile il processing di dati acquisiti da questa famiglia di dispositivi.

 

 

Caratteristiche e funzionamento dei sistemi LiDAR

Alla base di ogni sistema LiDAR ci sono 3 componenti principali:

  • Laser
  • Scanner
  • Ricevitore GPS

I sistemi LiDAR per fornire le informazioni spaziali che permettono di ricostruire lo spazio in 3D, utilizzano impulsi di luce. Lo spettro di frequenze impiegato cade al di fuori dello spettro del visibile. La misura viene fatta misurando il tempo di riflessione, vale a dire il tempo impiegato da ciascun impulso per ritornare all’emettitore dopo aver impattato gli oggetti target presenti sulla scena ripresa. Si ottiene così l’informazione riguardo la distanza dal punto di riflessione e la direzione dell’impulso.

In particolare, il processo di funzionamento di un sensore LiDAR segue generalmente i seguenti passi:

  1. Il laser emette i segnali (brevi impulsi di luce)
  2. I segnali (raggi emessi) raggiungono un ostacolo
  3. I segnali vengo rifessi dall’ostacolo (segnali di ritorno)
  4. I segnali ritornano al ricevitore
  5. A ogni segnale di ritorno viene assegnata una posizione nello spazio e una rappresentazione nella point cloud del LiDAR

lidar mechanism

Le lunghezze d’onda utilizzate da sensori LiDAR vanno dall’infrarosso (10 nm) all’ultravioletto (250 nm); per applicazioni automotive tutti i sensori utilizzati sono “eye-safe”, quindi non dannosi anche se emessi contro gli occhi.

La possibilità di sfruttare questi sensori per determinare le caratteristiche morfologie dello scenario catturato ha gettato le basi per l’adozione di questi sensori nel mondo dei veicoli. Alcune delle funzionalità garantite dall’adozione dei LiDAR possono essere:

  • Adaptive cruise control;
  • Traffic jam assistant;
  • Autonomous emergency braking;
  • Lane changing e Steering assist;
  • Front and Rear collision avoidance;
  • Pedestrian detection;
  • Park assistant;
  • Preventive comfort assistant.

La ricostruzione dello scenario stradale viene spesso indicato come “perception”. Alcuni costruttori hanno scelto di puntare su tecnologie differenti:

  • Tecnologia video basata su l’utilizzo di telecamere;
  • Tecnologie RADAR;
  • Tecnologie LiDAR.

Nella nostra esperienza ci sentiamo di escludere che una tecnologia possa essere superiore ad un’altra, preferendo invece la fusione delle stesse in un’unica piattaforma di misura.

ALTEN Italia è attivamente impegnata nello sviluppo di algoritmi di risoluzione quantitativa delle immagini, vale a dire quegli algoritmi che offrono la possibilità di riconoscere gli oggetti presenti in una scena e stimare la distanza tra essi. Tali algoritmi trovano applicazioni negli strumenti di visualizzazioni di immagini acquisite da sensori LiDAR di nuova generazione e negli strumenti di calibrazione (oltre che in tutti i software di classificazione e riconoscimento).

 

Vantaggi

Nella nostra esperienza possiamo individuare 3 principali punti di forza dei sensori LiDAR rispetto ad altri sensori (telecamere e RADAR).
Questi sono:

  • Maggiore profondità di misura (notevolmente superiore alle camere);
  • Buone prestazioni nella classificazione (al pari delle telecamere e superiore al Radar)
  • Ottime prestazioni in condizioni di scarsa visibilità o maltempo (superiore alle camere)
  • Velocità di acquisizione (notevolmente superiore alle camere);
  • Basso carico computazionale richiesto (in relazione alle prestazioni di computer vision garantite).

Questi vantaggi sono legati al funzionamento alla base dei sensori LiDAR, dal momento che operano come un vero e proprio scanner nello spazio tridimensionale rispetto al veicolo.

Allo stesso modo le condizioni di luce, ambientali e ombre non influiscono sul comportamento degli impulsi utilizzati dal sensore (cosa più difficile da garantire con delle telecamere).

Infine, avendo già l’informazione spaziale non sono necessari ulteriori calcoli ed elaborazioni. Questo riduce di molto il carico computazionale che sarebbe necessario per riconoscere distanze, oggetti, e velocità, per esempio, da feed video.

 

AI e LiDAR

Per ALTEN Italia, il legame tra i sensori LiDAR e il mondo dell’AI è molto stretto. Tali famiglie di sensori sono in grado di collezionare grandi quantità di dati spaziali sotto forma di point cloud 3D che poi processiamo attraverso tecniche di AI.

Siamo impegnati nello sviluppo di algoritmi AI in grado di processare queste informazioni 3D con l’obiettivo di realizzare riconoscimento e tracking di:

  • Ostacoli
  • Segnaletica stradale e semafori
  • Veicoli
  • Animali e persone

 

La sfida più grande che ci vede impegnata è riuscire a combinare dati spaziali forniti da LiDAR con quelle degli altri sensori precedentemente introdotti, (telecamere e RADAR), al fine di migliorarne le prestazioni.

La precisione dei sensori LiDAR e la loro combinazione con altri sensori offre la possibilità di creare modelli 3D dello spazio circostante sempre più precisi e ciò, in combinazione a tecniche AI, consente di migliorare le capacità di guida autonoma. La nostra sfida è migliorare l’abilità di prendere decisioni istantaneamente e persino, tramite l’utilizzo di modelli predittivi, di anticipare eventi.

L’obiettivo, analogamente a quanto fatto per i sistemi TSR e TSA, è estendere il portfolio di soluzioni ALTEN per poter supportare attivamente l’adeguamento normativo e gli sviluppi richiesti all’evoluzione dei sistemi di guida autonoma.

Articolo a cura di V. Perlutchi

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