Nel mondo dell’ingegneria robotica, la percezione dell’ambiente, spesso facilitata da tecnologie come LiDAR, è un requisito fondamentale per garantire l’autonomia e la sicurezza dei sistemi e delle macchine che si vanno ad automatizzare.
Tra le tecnologie più importanti e diffuse per la mappatura tridimensionale e il riconoscimento dello spazio, il LiDAR (Light Detection and Ranging) si è affermato come uno strumento essenziale per la navigazione.
Cos’è il LiDAR
Il LiDAR è una tecnologia di rilevamento remoto che utilizza impulsi laser per misurare la distanza tra il sensore e gli oggetti circostanti. Il principio su cui si basa è semplice ma estremamente efficace: il Time of Flight (ToF). Il dispositivo emette un impulso laser e misura il tempo che impiega per essere riflesso dall’oggetto e tornare al ricevitore. Dal momento che la velocità di propagazione del segnale laser è nota, e pari a quella della luce, la distanza che il segnale ha percorso viene calcolata semplicemente, moltiplicando la velocità della luce per il tempo misurato. E poiché i percorsi di andata e ritorno del segnale sono identici, la distanza tra il sensore e l’oggetto corrisponde alla metà della distanza complessiva percorsa dal raggio laser.
Da questo principio di funzionamento possono derivare diversi tipi di LIDAR che variano per costruzione, precisione e costo:
- LiDAR meccanico: Utilizza componenti meccanici mobili (come specchi rotanti o il sensore stesso in rotazione) per variare la direzione del fascio laser
- LiDAR a stato solido: Utilizza una matrice di foto-emettitori e foto-ricettori che, in maniera sincrona, inviano impulsi in diverse posizioni in brevissimo tempo.
- Flash LiDAR: emette un singolo impulso di luce su un ampio campo visivo e misura simultaneamente il tempo di volo su tutti i foto-ricettori del sensore.
I LIDAR si dividono inoltre in:
- 2D: emettono e ricevono tutti i raggi su un unico piano, di solito orizzontale.
- 3D: emettono e ricevono i raggi laser su più piani o in diverse direzioni.
Possono ottenere questo risultato tramite rotazione verticale del piano di scansione o, in alternativa, con più piani laser sovrapposti chiamati multi-beam
Come Funziona
Un sistema LiDAR è composto tipicamente da tre componenti principali:
- Laser: emette impulsi a una frequenza elevata (fino a centinaia di migliaia al secondo).
- Scanner o specchi rotanti: orientano il fascio laser su un ampio campo visivo.
- Ricevitore ottico e unità di elaborazione: rilevano il ritorno dell’impulso e calcolano la distanza.
Il risultato è una nuvola di punti (point cloud) tridimensionale che rappresenta fedelmente l’ambiente circostante.
La maggior parte dei LiDAR, per ogni punto, fornisce anche un indice relativo alla riflettività della superficie colpita: più è alto più la superficie è “riflettente”.
Questo permette di rilevare e tracciare nello spazio i cosiddetti “riflettori” che possono essere di ausilio alla localizzazione di un robot nello spazio.
Le caratteristiche principali di un LiDAR sono:
- il range: spesso fornito in relazione a superfici con indice di riflessione del 10% (quindi poco riflettenti)
- la precisione
- l’accuratezza
- la densità di punti
- la frequenza di scansione
Maggiori dettagli:
https://www.sick.com/media/docs/3/63/963/whitepaper_lidar_en_im0079963.pdf
Rispetto alle camere, i sensori LIDAR offrono una misura diretta e precisa della distanza riuscendo a coprire distanze molto più ampie, e sono meno influenzati dalle condizioni di illuminazione e dalle caratteristiche visive delle superfici. Mentre le telecamere forniscono informazioni ricche dal punto di vista visivo (colore, texture), esse faticano a stimare correttamente la profondità in presenza di superfici uniformi, scarsa illuminazione o controluce.
I LiDAR, al contrario, mantengono prestazioni elevate anche al buio o in ambienti scarsamente strutturati, rendendoli più affidabili per la mappatura tridimensionale e la navigazione autonoma. Tuttavia, a differenza delle telecamere, i LiDAR non catturano informazioni visive e sono generalmente più costosi e ingombranti, il che ne limita l’uso in applicazioni a basso costo o su piattaforme compatte.
Per questo motivo, spesso si sceglie di utilizzare LiDAR e camere in combinazione integrando le loro caratteristiche complementari.
Applicazioni del LiDAR nella Robotica
1. Veicoli autonomi
I robot mobili, inclusi droni e veicoli a guida autonoma, utilizzano LiDAR per evitare oggetti
2. Mappatura e SLAM
Il LiDAR è ampiamente usato per algoritmi SLAM (Simultaneous Localization and Mapping), che permettono ai robot di costruire mappe e localizzarsi simultaneamente, in tempo reale.
3. Inventari di magazzino
Nei magazzini automatizzati, AGV e AMR utilizzano LiDAR per navigare in ambienti complessi senza necessità di guide fisiche.
4. Agricoltura di precisione
Trattori autonomi e robot agricoli usano LiDAR per mappare il terreno, identificare oggetti circostanti e monitorare le colture.
Concludendo possiamo affermare che LiDAR è ormai diventato uno strumento chiave per la robotica moderna. Le sue capacità lo rendono utile per quel che riguarda la sicurezza dei veicoli autonomi grazie alla collision detection; inoltre è molto utilizzato anche in molti sistemi di localizzazione indoor e outdoor e in tutte le applicazioni robotiche dove l’obiettivo è creare una mappa dell’ambiente circostante.
La Nostra Esperienza con LiDAR
In presenza di superfici altamente trasparenti, è essenziale integrare sensori aggiuntivi, come gli ultrasuoni, poiché la luce del LiDAR le attraversa senza riflettersi.
Analogamente, per superfici nere o non riflettenti, il LiDAR si rivela poco affidabile nell’individuazione di ostacoli.
Un’altra sfida riguarda la gestione dell’elevato volume di dati rilevati: è cruciale filtrare e selezionare solo le informazioni necessarie per raggiungere il nostro obiettivo.
Infine, abbiamo riscontrato che in situazioni in cui due laser si trovano allineati o in presenza di luce solare intensa, il LiDAR può restituire errori di abbagliamento.
