Molto prima che l’ADAS diventasse sofisticato abbastanza da parcheggiare un’auto da solo, due tecnologie molto più semplici risolvevano silenziosamente il problema quotidiano di giudicare la distanza da cose che un guidatore non può vedere direttamente: il bordo basso del paraurti, il pilastro proprio dietro il lunotto, il cordolo nascosto sotto il bagagliaio. I sensori di parcheggio ultrasonici e la telecamera per la retromarcia affrontano questo problema in due modi completamente diversi, e capire perché entrambi esistono ancora fianco a fianco, invece che uno abbia semplicemente sostituito l’altro, dipende da cosa ciascuno dei due non riesce davvero a fare.
Il sensore che non vede niente — ascolta
Un sensore di parcheggio è, al suo interno, un piccolo sonar: un trasduttore piezoelettrico incorporato nel paraurti emette un breve impulso ultrasonico, tipicamente attorno ai 40 kHz, ben oltre ciò che un orecchio umano può sentire, e poi misura quanto tempo impiega l’eco di quell’impulso a rimbalzare su qualunque cosa si trovi davanti. Dato che il suono viaggia nell’aria a una velocità nota e abbastanza costante, quel tempo di andata e ritorno si converte direttamente in distanza — nessuna telecamera, nessuna elaborazione di immagini, nessuna luce richiesta — ed è esattamente per questo che i sensori di parcheggio funzionano identici nel buio pesto, in un sole accecante o nella nebbia più densa, condizioni che confondono genuinamente un sistema basato su telecamera. La centralina dell’auto trasforma quella distanza grezza nel bip che la maggior parte dei guidatori conosce bene: bip più lenti a distanza maggiore, un tono continuo quando ci si avvicina a qualcosa che la soglia del sensore considera pericolosamente vicino.
Perché anche i sensori hanno i loro punti ciechi
I sensori ultrasonici sono genuinamente ciechi a qualsiasi cosa fuori dal loro cono di emissione, e a qualsiasi cosa non rifletta bene il suono — un palo di metallo sottile, il bordo basso di un cordolo, o una superficie inclinata bruscamente rispetto al sensore possono disperdere l’impulso invece di rimandarlo dritto indietro, dando un’eco debole o del tutto assente anche se l’oggetto è reale e vicino. È per questo che i paraurti hanno tipicamente da quattro a sei sensori invece di uno o due: ciascuno copre un cono stretto, e solo la sovrapposizione di diversi cono dà una copertura ragionevolmente completa lungo la larghezza di un paraurti. È anche per questo che il classico sensore ultrasonico dice solo “c’è qualcosa a circa questa distanza in questa zona generica” — non ha modo di dire cosa sia effettivamente quel qualcosa, o esattamente dove si trovi all’interno del suo cono. Proprio questo limite è esattamente il vuoto che una telecamera riesce a colmare bene.
La telecamera: dettaglio ricco, nessun vero senso della distanza
Una telecamera per la retromarcia, quasi sempre montata vicino alla targa o alla maniglia del bagagliaio con un obiettivo grandangolare o fisheye per massimizzare il campo visivo in uno spazio ristretto, dà al guidatore esattamente quello che i sensori ultrasonici non possono: un’immagine autentica di cosa ci sia davvero là dietro — un bambino, un carrello della spesa, la forma specifica di un dissuasore. Quello che non dà gratuitamente è la distanza: una singola telecamera non ha modo intrinseco di sapere se un oggetto sia piccolo e vicino o grande e lontano, motivo per cui la maggior parte dei sistemi sovrappone all’immagine linee guida dinamiche, linee curve che si spostano in tempo reale con l’angolo di sterzo per mostrare il percorso previsto dell’auto, calcolate dalla geometria dello sterzo invece che misurate dall’immagine stessa. I sistemi surround-view più avanzati uniscono i flussi di quattro o più telecamere — anteriore, posteriore, e una in ciascuno specchietto retrovisore esterno — in un’unica vista virtuale a volo d’uccello dell’auto vista direttamente dall’alto, un problema di elaborazione immagini in tempo reale genuinamente difficile, che consiste nel fondere diversi flussi grandangolari distorti in un unico composito omogeneo e non distorto, aggiornato decine di volte al secondo mentre l’auto si muove.
Due tecnologie cieche, una combinazione utile
Nessuno dei due sistemi da solo è sufficiente per quello di cui ha bisogno il moderno assistente automatico al parcheggio: i sensori di distanza danno numeri solidi e indipendenti dall’illuminazione ma nessun contesto; le telecamere danno un contesto ricco ma numeri deboli. Combinare entrambi — letture di distanza ultrasoniche fuse con il riconoscimento di oggetti basato su telecamera — è esattamente ciò che permette a un moderno sistema di parcheggio assistito di giudicare sia quanto sia effettivamente grande uno spazio sia se ciò che ne definisce i bordi sia un cordolo innocuo o qualcosa che l’auto deve davvero evitare, la stessa logica di base di fusione sensoriale usata su scala molto più ampia dallo stack di percezione dietro i livelli più alti di guida autonoma, solo compressa nei pochi centimetri e nei pochi secondi che contano quando si fa retromarcia in uno spazio ristretto.
La ricerca UE che spinge la sensoristica ultrasonica oltre una dimensione
Il limite di fondo di un sensore di parcheggio convenzionale — misura un solo numero di distanza per cono, senza alcun senso di posizione o forma esatta — è esattamente ciò che il progetto UE TOPOSENS (“3D Ultrasonic Sensors for Automotive – Democratizing 3D Vision Through Sound”, Horizon 2020, SME Instrument Phase 2, coordinato da Toposens GmbH, Germania, €2,45M di contributo UE su €3,49M di budget totale, 2020-2022) si è proposto di risolvere. Invece del design a singolo microfono e singolo eco dietro i sensori di oggi, Toposens ha costruito un sensore con più microfoni e un algoritmo brevettato che converte echi sovrapposti in una vera nuvola di punti 3D — coordinate X, Y e Z per ogni superficie riflettente nel raggio d’azione, non solo una cifra di distanza — puntando esplicitamente al rilevamento di ostacoli a corto raggio, alla protezione di oggetti piccoli o bassi vicino e sotto l’auto, e ai livelli più alti di guida automatizzata dove un solo numero di distanza per zona semplicemente non è informazione sufficiente per agire in sicurezza.
Photo: © Car-Shooters
