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MAGGIO 2019 AUTOMAZIONE OGGI 414 153 Sensori rotanti e flash I sistemi LiDAR sono costituiti da componenti piuttosto sofisticati e a seconda del loro tipo contengono: sorgenti laser e diodi laser, elementi ottici (lenti, specchi e diffusori), elementi per orientare il fascio emesso nello spazio, fotorivelatori e unità di elaborazione del segnale. I sistemi LiDAR sono generalmente realizzati secondo due principali metodologie, quella a scansione (scanner) e quella a immagine fissa (flash). Nella tipologia a scansione meccanica un sensore LiDAR fa ruotare fisicamente il laser e il ricevitore per ottenere una visione a 360° o comunque con un campo visivo molto ampio. La scansione meccanica può avvenire ruotando o muovendo fisicamente sugli assi cartesiani l’emettitore e il rile- vatore di luce, oppure utilizzando dei microspecchi comandabili realizzati in tecnologia Mems ( Micro Electro-Mechanical Systems ) che governano la scansione del fascio emesso verso il bersaglio tramite un controllo elettronico (figura 3). Il campo visivo di un sensore LiDAR a scansione viene determinato dai gradi di libertà e dagli eventuali vincoli di movimento del sistema meccanico o Mems di scansione. La metodologia Flash LiDAR, invece, non prevede parti in movi- mento e illumina direttamente l’intera area target del rilevamento, assomigliando di più a uno scatto fotografico. Il campo visivo di sensore LiDAR Flash viene determinato sostanzialmente dalla ca- ratteristiche dell’ottica che emette e riceve il fascio di luce (figura 4). Le diverse tecnologie LiDAR differiscono anche in termini di lunghezza d’onda della luce emessa e dei materiali utilizzati per realizzare il rivelatore sensibile. Ad esempio, nel settore automo- bilistico vengono tipicamente utilizzati fotorivelatori in silicio sen- sibili alle lunghezze d’onda dei 905 nm. Utilizzando semiconduttori composti, un sistema LiDAR può essere utilizzato sfruttando la luce nella gamma delle lunghezza d’onda dei 1.550 nm. La lun- ghezza d‘onda del raggio laser emesso e la potenza con il quale viene emesso, insieme alla sensibilità del rilevatore di luce, sono alcuni dei fattori che deter- minano la portata visiva del LiDAR e la sua capacità di discriminare i dettagli. I sistemi LiDAR possono utilizzare diversi metodi di misurazione della distanza, oltre al tempo di volo di un impulso possono misurare lo sfasamento del segnale emesso da un laser a onda continua (CW) o sfruttare la modula- zione di frequenza ( Fmcw ). Si tratta di tecniche di misura e di ela- borazione dei segnali mutuate dalla lunga esperienza accumulata nel settore dei radar, che ora vengono adattate alle lunghezze d’onda dei segnali luminosi. Proprio per i previsti sviluppi del settore automobilistico nel campo dei sistemi di assistenza alla guida e a guida autonoma, è in corso una grande attività di ricerca per minimizzare la dimen- sioni e i costi dei sensori LiDAR, tradizionalmente piuttosto in- gombranti e non particolarmente economici. Ad esempio, Osram Semiconductors ha recentemente annunciato la disponibilità di un chip emettitore di impulsi laser a 910 nm con una potenza di picco di ben 125 W, mediante il quale si possono realizzare in grande serie e a basso costo LiDAR avanzati per il mercato auto- mobilistico e industriale. Il ruolo dei fotorivelatori è altrettanto im- portante per la funzionalità, la sicurezza, i costi e le prestazioni di sistema LiDAR, in particolare per quanto riguarda la gamma dina- mica e le prestazioni ottenibili in termini di risoluzione spaziale, la luce emessa dalla sorgente laser di un LiDAR si propaga in diverse direzioni e dopo essere stata riflessa da un oggetto deve essere ri- cevuta dal rivelatore. Con il processo di rilevamento, i fotoni della luce riflessa devono essere identificati correttamente, nel senso che quelli di interesse sono solamente quelli derivanti dall’origi- naria sorgente di emissione del sensore. Pertanto, bisogna preve- nire le interferenze dovute agli eventuali riflessi generati da altri sistemi LiDAR attivi nello stesso ambiente ( spoofing ), così come quelli dovuti ai riflessi naturali della luce ambientale o di altre sorgenti luminose artificiali ( clutter ). In generale, si sono diffuse Fig. 5 - Chip fotorivelatore di tipo Spad realizzato in tecnologia Cmos Fig. 3 - Sensore LiDAR a scansione elettronica tramite microspecchi MEMS Fig. 4 - Sensore LiDAR di tipo flash Fig. 6 - Minibus a guida autonoma con sensore LiDAR montato sul tetto