Introduzione alla tecnologia LiDAR
Il LiDAR (Light Detection and Ranging) è una tecnologia di telerilevamento comprovata, con un promettente potenziale per assistere nella mappatura, monitoraggio e valutazione di superfici e oggetti. La tecnologia LiDAR permette a scienziati e professionisti di esaminare ambienti naturali e creati dall’uomo con precisione, accuratezza e flessibilità.
L’ultimo decennio è stato testimone di una crescita su molteplici fronti della tecnologia LiDAR. Questa tecnologia ha sostituito le convenzionali tecniche di rilevamento topografico in numerosi campi. LiDAR è comunemente utilizzato per creare mappe ad alta risoluzione, con applicazioni in agrimensura, archeologia, geografia, sismologia, silvicoltura e fisica atmosferica. Viene anche utilizzato nel controllo e navigazione di auto a guida autonoma e robot. Questo articolo spiegherà i fondamenti della tecnologia LiDAR, i principi operativi dei sensori LiDAR e alcuni esempi del suo utilizzo ordinario.
Cos’è il LiDAR
Il LiDAR, noto anche come LADAR o altimetria laser, è una tecnologia a sensori ottici che emette fasci intensi e focalizzati di energia laser e misura il tempo necessario affinché i riflessi vengano rilevati dal sensore. Queste informazioni vengono utilizzate per calcolare gli intervalli o distanze dagli oggetti. In questo modo, LiDAR è analogo a RADAR (Radio Detecting and Ranging), ad eccezione del fatto che si basa su impulsi discreti di luce laser anziché onde radio. Un sistema LIDAR genera una mappa 2D o 3D precisa dell’ambiente circostante e degli oggetti, inviando questi impulsi luminosi. L'altro aspetto del LiDAR è che può anche determinare le caratteristiche ottiche di un oggetto, come la riflettività e l'assorbimento. Ciò, in definitiva, fornisce dati materiali su un oggetto e la sua distanza, rendendo la tecnologia perfetta per la mappatura.
Figure1: I modelli con mappatura 3D di LiDAR della National TreeMap del Regno Unito (dati Bluesky)
I sistemi LiDAR sono sistemi attivi, in quanto emettono impulsi luminosi e rilevano la luce riflessa. Molti sistemi LiDAR operano nella regione quasi-infrarossa (ad es. 1064 nm) dello spettro elettromagnetico, sebbene alcuni sensori operino anche nella banda verde per penetrare nell'acqua e rilevare le caratteristiche del fondo. Il LiDAR è una tecnologia di rilevamento a raggio relativamente corto. La maggior parte dei sensori LiDAR è in grado di rilevare fino a 100 metri; i più avanzati sono capaci di raggiungere i 200 metri.
La tecnologia LiDAR offre risultati estremamente accurati e coerenti. La tecnologia ha surclassato svariate altre tecnologie e sensori che non sono sufficientemente precisi nel rilevamento ed incapsulamento dei dati. Per molte sfide, come la scansione tra oggetti, il LiDAR è una tecnologia idonea. Offre un metodo rapido, preciso e diretto di mappatura, producendo al contempo dati precisi e facili da analizzare. Nelle applicazioni di mobilità, dove sono necessarie elevata precisione e affidabilità, la tecnologia LiDAR sta rapidamente acquistando popolarità. Le ottime prestazioni di LiDAR, la portata estesa e la precisione di pochi centimetri di distanza consentono di rilevare rapidamente gli oggetti con una risoluzione estremamente alta e di coprire uniformemente vaste aree.
Come funziona il LiDAR
Il sistema LiDAR contiene un dispositivo laser, una unità di misurazione inerziale (IMU) di navigazione, un sistema di posizionamento globale (GPS) aereo ad alta precisione e un’interfaccia computer. La tecnologia utilizza luce ultravioletta, visibile o nel vicino infrarosso, per rilevare gli oggetti. Il laser emette impulsi di luce e rileva la luce riflessa dagli oggetti. Il sensore misura il tempo tra l’emissione e il ritorno dell’impulso laser e calcola la distanza percorsa. La distanza percorsa viene quindi convertita in rilievo. Tali misurazioni vengono effettuate utilizzando i componenti chiave del sistema LiDAR, incluso un GPS che individua la posizione X, Y e Z dell’energia luminosa e un IMU che impartisce l’orientamento. Questo processo è denominato anche misurazione “tempo di volo” (dall’inglese Time of Flight - ToF) (Figura 2). I sistemi LiDAR contemporanei sono sufficientemente potenti per azionare fino a 900.000 impulsi al secondo.
La distanza dell’oggetto = Velocità della luce x Tempo di volo/2
Figure2a: Schema a blocchi della tecnologia LiDAR
Un LiDAR replica questo processo un milione di volte al secondo e riassume i risultati in una mappa 3D ad alta definizione. Questa mappa 3D contiene dati facili da analizzare che vengono utilizzati per prendere decisioni. Un sistema LiDAR misura il tempo trascorso necessario alla luce emessa per viaggiare fino a terra e tornare indietro.
Figure2b: Misurazione della distanza nel sistema LiDAR
Applicazioni del LiDAR
Il LiDAR è stato utilizzato storicamente sia su terra che in aria. Questi impieghi si prestano a tre tipi principali di sistemi LiDAR: aereo, terrestre e satellitare. Il LiDAR aereo viene utilizzato attraverso elicotteri o droni per la raccolta dati. Il LiDAR terrestre viene installato su veicoli o su treppiedi fissi. Questi tipi di sistemi LiDAR sono perfetti per modellare e osservare la topografia statica. Le piattaforme LiDAR satellitari o spaziali sono montate su satelliti che orbitano attorno alla Terra e tendono a coprire vaste aree ma con meno dettagli.
La tecnologia LiDAR, con la sua esclusiva capacità di fornire un rilevamento e allineamento affidabile, con alta risoluzione e precisione, trova il suo utilizzo in numerosi settori e applicazioni. La tecnologia ha abbracciato con successo studi del caso in topografia, archeologia, silvicoltura, batimetria, biologia e conservazione, atmosfera, estrazione mineraria, geologia e ottimizzazione delle centrali eoliche. Le aree di applicazione del LiDAR, con l'avanzamento in altri rami della scienza e della tecnologia, si sono ampliate e vengono utilizzate per raggiungere molteplici obiettivi di sviluppo, alcuni dei quali sono:
LiDAR per realtà aumentata:
Uno scanner LiDAR fornisce una mappatura 3D ultra-dettagliata, che consente ai sistemi di realtà aumentata di sovrapporre i dati sopra una mappa precisa e affidabile. Una nuvola di punti creata con LiDAR migliora la precisione delle esperienze di realtà aumentata.
LiDAR dallo spazio:
I sistemi LiDAR si evolvono per svariate applicazioni spaziali in cui l’imaging è necessario per individuare siti di atterraggio sicuro per i veicoli, attracco e guida. I satelliti con tecnologia LiDAR vengono anche utilizzati per il rilevamento topografico, la cartografia e generare modelli predittivi climatici della Terra e altri corpi celesti.
LiDAR per auto a guida autonoma:
La tecnologia LiDAR è una soluzione comoda per abilitare il rilevamento degli ostacoli, il loro evitamento e la navigazione sicura attraverso diversi ambienti in vari veicoli. La tecnologia è diffusa in molte applicazioni di mobilità e di tipo automotive, tra cui i sistemi ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) e la guida autonoma.
LiDAR e IoT:
Alcuni aspetti del LiDAR lo rendono particolarmente utile in specifiche applicazioni dell’Internet of Things (IoT). Le soluzioni LiDAR svolgono un ruolo cardine nel mantenere la promessa dell’IoT: aumentare la sicurezza, la produttività e l’efficienza in un’ampia gamma di applicazioni per smart city, infrastrutture, agricoltura, sanità, vendita al dettaglio e non solo.
LiDAR per stampa 3D:
È già possibile creare oggetti stampati in 3D attraverso modelli fotografici. Con il LiDAR è possibile ricavare dati di modellazione molto più dettagliati, per progetti di stampa 3D ancora più interessanti.
ON Semiconductor ha introdotto un kit di sviluppo SECO-RANGEFINDER-GEVK LiDAR (direct ToF) a singolo punto alimentato dalla tecnologia Silicon Photomultiplier (SiPM). La tecnologia SiPM utilizzata nel dispositivo aiuta a fornire un rapido tempo di risposta ed elevata efficienza di rilevamento; ciò aiuta a superare le sfide poste dalle tradizionali soluzioni basate su fotodiodi.
Figure3: Kit di sviluppo per allineamento e rilevamento della luce dTOF di ON Semiconductor
Il dispositivo è progettato con diodo laser NIR, sensore SiPM, ottica ed elaborazione digitale necessari per convertire i segnali rilevati in tempo trascorso e, successivamente, il tempo trascorso in distanza. Gli istogrammi generati rendono il dispositivo adatto a varie applicazioni, come il range finding, il rilevamento delle collisioni e la mappatura 3D. La piattaforma LiDAR dToF SiPM è in grado di rilevare oggetti a distanze comprese tra 10 cm e 23 m e e può essere utilizzata immediatamente con un’interfaccia grafica dedicata.
Dato il ventaglio di vantaggi, le tecnologie e i mercati LiDAR continuano a evolversi rapidamente. Il LiDAR ha dimostrato di essere preziosissima e la crescita in diverse aree renderà questi potenti sensori sempre più disponibili nei prossimi anni. Offrono vantaggi notevoli in termini di prestazioni rispetto ad altre tecnologie ed è solo questione di tempo prima che i sensori LiDAR diventino la prassi per la maggior parte dei settori.
