Cos’è il LiDAR, il sensore che funziona con luce laser di auto, iPhone e mappe 3D e la differenza col radar

Il LiDAR (Light Detection and Ranging) è un sistema di telerilevamento che invia impulsi laser verso ciò che abbiamo davanti e calcola quanto tempo impiega la luce riflessa a tornare al sensore. Da questa informazione può ricavare la distanza dagli oggetti e, ripetendo la misura in moltissimi punti, può costruire una rappresentazione tridimensionale dell'ambiente che ci circonda. È una tecnologia che abbiamo ereditato dal mondo scientifico, ma che oggi trova ampie applicazioni anche nel mondo consumer, essendo ormai facile da trovare su smartphone e robot aspirapolvere, oltre che su sistemi sviluppati per le auto a guida autonoma. Conosciamola più da vicino.

Come funziona il LiDAR e le differenze con il RADAR

Il nome LiDAR deriva dall'inglese Light Detection and Ranging, cioè rilevamento e misurazione della distanza tramite la luce. Il principio ricorda quello del RADAR, acronimo di Radio Detection and Ranging: quest’ultimo, emettendo onde radio e misurando il tempo che passa prima che il segnale ritorni dopo aver incontrato un oggetto, permette di calcolare la distanza a cui si trova e, in alcuni casi, anche la sua velocità e direzione di movimento. Nel LiDAR, invece, la sorgente è un laser, un fascio di luce molto concentrato e caratterizzato da una precisa lunghezza d'onda. Misurando il cosiddetto ToF (Time of Flight), ovvero l'intervallo tra l'emissione dell'impulso e il ritorno della luce, il sensore può stabilire quanto è lontano ciò che ha colpito.

La luce utilizzata dal LiDAR ha però una lunghezza d'onda molto più corta rispetto alle onde radio del RADAR. Questo permette di ottenere misurazioni più precise e di distinguere dettagli più piccoli, ricavando informazioni non soltanto sulla distanza, ma anche sulla forma degli oggetti che vengono individuati.

Un singolo rilevamento può quindi diventare parte di una vera e propria scansione tridimensionale dell'ambiente. Ripetendo gli impulsi, il sistema può ricostruire la posizione degli elementi circostanti e, osservandone i cambiamenti nel tempo, ricavare informazioni sul movimento, sulla velocità e persino sull'orientamento degli oggetti stessi: per esempio, può capire come stanno ruotando e se sono rivolti verso il sensore oppure nella direzione opposta.

Questa capacità dipende anche dal modo in cui il laser viene utilizzato. I sensori LiDAR presenti in dispositivi come alcuni smartphone, non si limitano a emettere un unico raggio, ma proiettano una griglia di laser. In questo modo possono raccogliere rapidamente molti punti di informazione e sviluppare un'immagine più precisa dell'ambiente circostante. Il risultato può essere utilizzato, per esempio, per creare un modello virtuale tridimensionale di una stanza, come potete apprezzare dalla seguente immagine.

L’uso nell’elettronica di consumo: a cosa serve su smartphone, AR e aspirapolveri

Cerchiamo di dare un po’ di concretezza a questa tecnologia passando in rassegna alcuni esempi d’utilizzo del LiDAR nell’elettronica di consumo. Partiamo dall’oggetto che abbiamo costantemente nelle nostre tasche: lo smartphone. Sempre più smartphone in commercio dispongono di un sensore LiDAR che trova applicazione soprattutto nella fotografia computazionale, che usa software e algoritmi avanzati basati sull’intelligenza artificiale per elaborare le immagini e superare i limiti fisici dell'hardware di una fotocamera. Il LiDAR, riuscendo a scansionare in tre dimensioni l’ambiente circostante permette di fornire al chip che dovrà processare le immagini acquisite informazioni preziose sulla profondità che possono aiutare, per esempio, a ottenere scatti più precisi, soprattutto in condizioni di scarsa illuminazione.

Un altro campo particolarmente interessante è quello della Realtà Aumentata, o AR: in questo caso immagini generate dal computer vengono sovrapposte a ciò che vediamo nell'ambiente reale attraverso lo schermo dello smartphone.

La stessa capacità di “vedere” lo spazio viene sfruttata dai robot aspirapolvere. Il LiDAR può aiutarli a mappare le stanze della nostra casa, in modo tale da potersi orientare nelle operazioni di pulizie, e anche riconoscere gli ostacoli che permetteranno al robot di determinare i percorsi migliori per portare a termine il lavoro.

Nelle automobili a guida autonoma, invece, il LiDAR può contribuire a costruire una mappa dettagliata di ciò che circonda il veicolo, identificando terreno, strade, automobili, persone, animali e così via.

Il LiDAR prima di arrivare a noi

Prima di arrivare nell'elettronica di consumo, il LiDAR era soprattutto uno strumento a uso scientifico. È stato impiegato da aerei e droni per mappare la superficie terrestre e oggi viene utilizzato in ambiti come topografia, archeologia, geologia, sismologia, silvicoltura e meteorologia. I sistemi installati su velivoli possono produrre mappe ad alta risoluzione e rappresentazioni 3D del territorio, mentre specifiche lunghezze d'onda permettono di studiare anche particelle, aerosol e molecole presenti nell'atmosfera.

La tecnologia ha iniziato a svilupparsi poco dopo l'invenzione del laser. Nel 1961 la Hughes Aircraft Company realizzò un primo sistema simile al LiDAR per il tracciamento dei satelliti, combinando un fascio laser con strumenti capaci di calcolare la distanza attraverso il tempo di ritorno del segnale. Negli anni successivi il LiDAR trovò applicazioni nella meteorologia e nella ricerca atmosferica, fino a diventare noto al grande pubblico durante la missione Apollo 15 del 1971, quando un altimetro laser venne utilizzato per mappare la superficie della Luna.

Oggi, anche grazie alla riduzione dei costi di produzione dei sensori, quella stessa idea è entrata in oggetti che utilizziamo ogni giorno. Ricordatevelo la prossima volta che vi accingete a scattare una foto-ritratto con il vostro smartphone.

non perderti questo video

Che cos’è il Radar, come funziona e come è fatto