Guida sicura con i sensori

Se acquistiamo una vettura nuova, di un modello recente, ci troveremo, di serie, una serie di dispositivi che ci aiutano a rendere la guida più confortevole e, soprattutto, più sicura. Abbiamo la frenata di emergenza, se per distrazione o perché guardiamo in un’altra direzione, stiamo per tamponare il veicolo che ci precede, la vettura ci avvisa e, se il caso, frena da sola. Se usciamo dalla corsia di marcia senza mettere la freccia la vettura ci avvisa. Se incontriamo un limite di velocità, questo viene riportato, per ricordarcelo, sul cruscotto, lampeggiante se abbiamo una velocità superiore. Ne abbiamo parlato in Changes nel Novembre del 2022.

In molti veicoli abbiamo poi il cruise control adattativo, che ci permette di viaggiare in autostrada senza doversi preoccupare del traffico: se incontriamo un veicolo più lento la vettura rallenta da sola. Se cambiamo corsia e non vediamo un veicolo di fianco perché è nell’angolo cieco, la vettura lo segnala. Quando parcheggiamo o facciamo delle manovre ci segnala se ci avviciniamo troppo ad un ostacolo, fino a controllare il volante per eseguire perfettamente un parcheggio. Di notte possiamo tenere sempre gli abbaglianti, ci pensa l’auto ad abbassare le luci quando incrociamo un veicolo.

Tutte queste funzioni realizzano quelli che sono chiamati sistemi avanzati di assistenza alla guida, in inglese ADAS (Advanced Driver Assistance systems) e sono possibili grazie ad una molteplicità di sensori che rilevano il traffico intorno al veicolo, la corsia di marcia ed i segnali stradali. Questi sensori sono telecamere, radar, laser radar o sensori ad ultrasuoni. Ma perché ce ne sono molti? Perché non basta una telecamera? Il guidatore, infatti, ha solo gli occhi per controllare quello che sta intorno al veicolo e guidare. Il motivo è semplice, questi sensori non devono “sostituire” la visione del guidatore, ma migliorarla. Quindi devono vedere bene di notte, con la nebbia, a grande distanza come anche molto vicino, e tutto intorno al veicolo. Nel seguito vediamo questi diversi sensori, come funzionano e per cosa vengono tipicamente utilizzati sulle vetture.

Radar a microonde

RADAR è l’acronimo Radio Detection and Ranging, sensori in gradi rilevare la presenza di oggetti, la loro distanza e velocità relativa, mediante fasci di onde radio elettromagnetiche. Il sensore Radar trasmette fasci di queste onde radio, queste incontrano i vari ostacoli intorno al veicolo e da questi vengono riflesse. Il sensore rileva queste riflessioni e misurando il tempo intercorso tra la trasmissione e la ricezione, può calcolare la distanza di ogni oggetto che ha provocato una riflessione. La velocità di trasmissione delle onde radio è pari alla velocità della luce, quindi, considerando che l’onda radio deve percorrere due volte lo spazio (trasmissione e riflessione), ogni 6 nanosecondi di ritardo è pari ad un metro di distanza. Quindi se un oggetto provoca una riflessione con un ritardo di 600 nanosecondi, rispetto all’istante in cui l’onda è stata trasmessa, significa che si trova a 100 metri di distanza. I sensori radar devono utilizzare una frequenza radio precisa, autorizzata specificatamente per questo impiego, intorno ai 76-77 GHz. Le onde riflesse hanno una frequenza leggermente diversa per effetto Doppler, cioè per la velocità relativa che l’ostacolo ha rispetto al sensore. Se la velocità è la stessa la frequenza sarà uguale, aumenterà se l’ostacolo si avvicina o diminuirà se si allontana. Questo è esattamente quello che succede anche per le onde sonore: quando un treno attraversa una stazione suonando per avvisare della sua presenza, noi percepiamo una frequenza più alta mentre si avvicina e una molto più bassa quando si allontana.

Il sensore radar permette quindi di calcolare allo stesso tempo sia la posizione che la velocità relativa dei vari ostacoli presenti nell’area che il sensore copre. Inoltre, funziona in tutte le condizioni atmosferiche, di notte, con la pioggia o con la nebbia. Non teme poi di essere sporcato, entro certi limiti.

Il suo difetto è nella scarsa risoluzione, che non permette di “classificare” gli oggetti che rileva. Oggetti anche piccoli vengono rilevati, ma non è possibile, dal segnale radar, capire se si tratta di un palo, un pedone, un veicolo, se non in modo molto grossolano. Le sue caratteristiche, soprattutto il fatto di funzionare in tutte le condizioni atmosferiche, rendono il sensore radar utilizzato in particolare per funzioni anticollisione, come la frenata di emergenza.

La tecnologia Radar per uso autoveicolistico è nata, ovviamente trasferendo la tecnologia nota in campo aeronautico, negli anni Novanta ed ha raggiunto prestazioni molto elevate.

A titolo di esempio si riportano le prestazioni di un sensore radar della Bosch:

• Distanza di rilievo: fino a 302 metri
• Angolo visuale: 120 gradi in orizzontale, 24 gradi in verticale
• Precisione nella misura della distanza: 10-20 cm
• Precisione nella misura della velocità: 4 cm/sec
• Precisione nella misura dell’angolo: 0,1 gradi
• Ostacoli diversi vengono riconosciuti se differiscono in distanza (di 40-80 cm), in velocità (di almeno 17 cm/sec), o in angolo (di almeno un grado).

Sensori radar vengono anche usati per le funzioni di monitoraggio angolo cieco, cioè per segnalare quando si cambia corsia se sta sopravvenendo un veicolo nella corsia che andiamo ad impegnare, oppure per rilevare veicoli che sopraggiungono quando usciamo da un parcheggio in retromarcia. In questo caso il radar è interessante per la sua capacità di misurare la velocità: solo oggetti in movimento, veicoli o pedoni/ciclisti, sono da considerare per queste due funzioni.

Sensori Lidar, Laser Radar

Il LIDAR, Laser Radar, funziona con lo stesso principio del Radar, ma anziché usare fasci di onde radio, utilizza un fascio di luce laser. Come nel radar misura la distanza e la velocità degli oggetti sui quali si riflette la luce laser. Il fascio di luce è nell’infrarosso, non visibile dall’occhio umano e con livelli di potenza media bassa da non creare problemi nel caso penetrasse negli occhi delle persone.

La risoluzione del radar laser è migliore rispetto al radar a microonde, però, le condizioni atmosferiche, nebbia e piaggia, possono limitare o addirittura impedirne il funzionamento. L’impiego di questo sensore è quindi meno diffuso, lo si trova spesso su veicoli destinati ad un uso interno come gli AGV, Automated Guided Vehicles, che movimentano merci o semilavorati all’interno degli stabilimenti, oppure nei veicoli a guida autonoma, dove è necessaria la maggiore risoluzione, dell’ordine del millimetro, fornita dai laser radar.  

Telecamere

In molti casi però il radar non è adeguato in particolare dove:

• È necessario fornire una immagine al guidatore e lasciare che lui la interpreti per eseguire la manovra più adeguata
• È necessaria una “interpretazione” della scena, per individuare caratteristiche non rilevabili dalla semplice misura della posizione nello spazio: riconoscimento bordi strada/corsia e dei segnali stradali.

Per questi casi si utilizzano telecamere. Abbiamo quindi telecamere “rear view” che forniscono una immagine della scena dietro al veicolo, utile nelle manovre di parcheggio. Queste telecamere sono a colori con caratteristiche abbastanza standard, solo con una grande angolo di visione, per poter coprire l’area posteriore completamente. A volte queste telecamere sono poste su tutti e quattro i lati del veicolo. Le immagini così riprese vengono però “fuse” da un calcolatore, per creare un’unica immagine cosiddetta “bird view” (visione uccello), cioè apparentemente ripresa dall’alto. Il guidatore può quindi avere la percezione completa degli ostacoli che circondano il veicolo osservando una unica immagine.

Da alcuni anni è anche possibile utilizzare telecamere al posto degli specchietti retrovisori laterali esterni. Alcuni modelli recenti di veicoli industriali utilizzano questa soluzione che permette maggiore sicurezza, per l’eliminazione degli angoli ciechi e risparmi, per la minore resistenza aerodinamica, la telecamera è molto più piccola dello specchietto laterale che sostituisce. 

Ci sono poi le telecamere per il riconoscimento della corsia di marcia e i segnali stradali. Vengono poste internamente sul parabrezza, tipicamente nella zona dello specchietto retrovisore centrale, dove non disturbano la visione della strada da parte del guidatore. L’immagine ripresa viene elaborata per estrarre la geometria della corsia di marcia di fronte al veicolo e la posizione del veicolo rispetto ad essa.

Un opportuno avviso viene dato al guidatore nel caso si percepisca una imminente uscita dalla corsia, non segnalata con l’indicatore di direzione. Questo avviso può essere luminoso (spia sul quadro), acustico e anche “aptico”, una coppia applicata al volante per suggerire al guidatore la manovra per evitare l’uscita di corsia. Le immagini riprese da questa telecamera vengono anche utilizzate per riconoscere i segnali stradali e fornire le relative informazioni al guidatore, in particolare i limiti di velocità.

Una ulteriore funzione di questa telecamera frontale è il controllo automatico dei fari abbaglianti. Se la telecamera rileva una luce in movimento che si sta avvicinando, segno di un veicolo che ci sta incrociando, provvede automaticamente ad abbassare le luci, da abbaglianti ad anabbaglianti. Quando poi non c’è più nessun veicolo/luce riattiva i fari abbaglianti. Le prestazioni di queste telecamere differiscono da quelle che abbiamo nei nostri telefonini o computer, anche se hanno dimensioni simili. In particolare, non è molto importante la risoluzione, qualche milione di pixel sono sufficienti, ma la capacità di funzionare in condizioni di luce molto differenti (notte/giorno) e di avere una grandissima dinamica, in modo da poter operare correttamente anche in condizioni di luce proibitive, come controsole o all’uscita dai tunnel, dove anche l’occhio umano ha grossi problemi. Sul mercato si trovano anche, ma sono poco diffuse per il loro costo elevato, telecamere che rilevano l’infrarosso, che sono in grado di vedere di notte anche in assenza di illuminazione, come nei visori infrarossi militari. L’immagine viene semplicemente restituita al guidatore sul display nel cruscotto.

Sensori ad ultrasuoni

Durante le manovre a bassa velocità è importante poter evitare collisioni con gli ostacoli intorno al veicolo. Dalla posizione di guida è difficile avere una percezione corretta e completa degli ostacoli presenti intorno al veicolo. Alcuni ad esempio potrebbero essere bassi, paletti o gradini. Il sistema di telecamere “Bird View” descritto precedentemente risolve il problema, ma è piuttosto costoso e complesso.

Un sensore più semplice, poco costoso, che misuri solo la distanza dall’ostacolo più vicino, sarebbe sufficiente. Per questo vengono usati i sensori ad ultrasuoni, piccoli sensori a forma circolare, di diametro circa 2 centimetri, disposti sui paraurti posteriore ed anteriore.

Possono rilevare ostacoli da pochi cm di distanza fino a qualche metro. Sono quindi ideali per aiutare durante le manovre di parcheggio. Possono anche essere utilizzati per “misurare” uno spazio utile per il parcheggio e, se questo è di dimensioni sufficienti, permettere di eseguire la manovra di parcheggio in modo semiautomatico: il guidatore controlla acceleratore e freno mentre il volante è controllato automaticamente.  

Ma guardano solo fuori?

Questi sensori non vengono solo utilizzati per rilevare il traffico esterno al veicolo ma anche internamente. Sistemi basati su telecamere saranno obbligatori sui nuovi modelli nel 2024 per rilevare la distrazione del guidatore: osservando il viso del guidatore rilevano in che direzione sta guardando e, se non guarda la strada davanti, attivano un avviso per richiamare la sua attenzione alla guida. Sono anche allo studio soluzioni per permettere una interazione con il veicolo di tipo gestuale. Una telecamera può ad esempio rilevare un movimento della mano dall’alto verso il basso, ad indicare di far scorrere verso il basso una lista, ad esempio di numeri di telefono o destinazioni del navigatore. Comodo vero?

Cosa manca per la guida automatica

I sensori sono elementi cruciali nei sistemi ADAS, offrendo al veicolo una percezione avanzata dell’ambiente circostante. Attraverso questa percezione, il veicolo riesce ad aiutare il guidatore ad evitare collisioni, anticipando possibili situazioni critiche, soprattutto a causa di pericoli di non facile percezione da parte del guidatore (veicoli negli angoli ciechi, bassa visibilità). Con il crescere delle situazioni di distrazione dalla guida da parte del guidatore, l’impatto sulla sicurezza da parte dei sistemi ADAS diventa sempre più importante. Grazie a questi sensori il veicolo può poi aumentare il comfort di guida, sollevando il guidatore dal compito di controllare la distanza dal veicolo che precede, Cruise control adattativo, e dal mantenere il veicolo correttamente nella corsia di marcia, Lane keeping.

L’evoluzione della tecnologia porterà ad avere veicoli a guida autonoma? La strada in questo senso è ancora lunga. Soluzioni di ausilio alla guida di livello 3 (con supervisione continua da parte del guidatore), sono sicuramente possibili e cominciano ad arrivare sul mercato, presumibilmente per poi diffondersi rapidamente.

Ma livelli di guida superiore, livello 4 dove il guidatore può “assentarsi” completamente dalla guida salvo poter essere richiamato in caso di problemi, o livello 5, dove il guidatore può non esserci, sono ancora lontani se non per scenari molto ben definiti e limitati. Nel frattempo, possiamo sfruttare il supporto che questi sensori ci possono dare per una guida sempre più sicura e rilassante. Ma anche se abbiamo questi supporti non dobbiamo mai fidarci completamente della tecnologia: questi sistemi non riescono comunque a prevedere tutte le possibili situazioni che possiamo incontrare nella guida e talvolta possono sbagliare. Quindi quando guidiamo sempre occhi sulla strada, senza distrazioni e in condizioni fisiche adeguate. Per la nostra sicurezza e di tutti gli altri.