Sensor LIDAR em carros autônomos: como funciona
Um sensor LIDAR mede distâncias com luz. Ele dispara pulsos de laser, cronometra o tempo que cada um leva para bater num objeto e voltar e, repetindo isso milhões de vezes por segundo em várias direções, monta um mapa tridimensional do que está em volta do carro. A luz é rápida: para um objeto a 100 m, o pulso vai e volta em menos de um milionésimo de segundo.
Este artigo explica como funcionam os sensores LIDAR em carros autônomos, com a fórmula da medição, os números de um sensor real e as contas que mostram o que ele enxerga a 100 m e a 250 m. As fontes são um artigo de revisão da Nature Communications, a ficha da fabricante Ouster, comunicados da Volvo, da Valeo e da Waymo e a norma SAE J3016.
O princípio: cronometrar a luz
O método mais comum é o tempo de voo: a distância é determinada pelo intervalo de tempo entre o pulso emitido e o pulso que retorna, na definição de uma revisão publicada na Nature Communications em 2024. Como a luz faz o caminho de ida e de volta:
d = c × t ÷ 2
em que c é a velocidade da luz, 299.792.458 m/s, e t é o tempo medido. Invertendo, o tempo de ida e volta para cada distância é t = 2 × d ÷ c (contas nossas):
- 10 m: 2 × 10 ÷ 299.792.458 ≈ 67 bilionésimos de segundo (nanossegundos);
- 100 m: ≈ 667 nanossegundos;
- 250 m: ≈ 1.668 nanossegundos, ou 1,67 milionésimo de segundo.
A dificuldade está na precisão. Para distinguir 2 cm, o sensor precisa separar 2 × 0,02 ÷ c ≈ 133 trilionésimos de segundo. Todo o projeto eletrônico de um LIDAR gira em torno de medir tempo nessa escala.
Do pulso à nuvem de pontos
Um único feixe mede um único ponto. Para cobrir a cena, o sensor usa vários lasers empilhados na vertical, os canais, e varre a horizontal girando ou desviando os feixes com espelhos. Cada medição vira um ponto com três coordenadas, e o conjunto é a nuvem de pontos, a imagem em três dimensões que o computador do carro interpreta.
A revisão da Nature Communications separa os sensores em três famílias, pelo que se move dentro deles:
- Mecânico: lasers, lentes e detectores giram juntos. É o cilindro que se via no teto dos primeiros carros de teste.
- Estado sólido híbrido: só o espelho de varredura se move para desviar o feixe.
- Estado sólido puro: nenhuma parte móvel.
Os números de um sensor real
A página do sensor OS1, da Ouster, informa 128 canais de resolução vertical, campo de visão vertical de 45 graus, alcance de 90 m para um alvo que reflete 10% da luz e alcance máximo de 250 m, com até 10,4 milhões de pontos por segundo (o número conta pontos medidos, e um mesmo disparo pode gerar mais de um eco).
O detalhe dos 10% importa. O alcance de um LIDAR depende de quanto o alvo reflete: uma placa de trânsito devolve quase toda a luz, e um pneu preto ou um casaco escuro, só uma pequena fração. Por convenção, as fichas informam o alcance para um alvo fosco e escuro, de 10% de refletividade. No OS1, a diferença é de 90 m para 250 m.
O que o sensor enxerga a 100 m
Com 128 canais em 45 graus, o ângulo entre dois feixes vizinhos é 45 ÷ 128 ≈ 0,35 grau. A distância entre duas linhas de pontos cresce com a distância do alvo (contas nossas):
- a 100 m: 100 × tan(0,35°) ≈ 0,61 m entre uma linha e a seguinte;
- a 250 m: 250 × tan(0,35°) ≈ 1,53 m.
Um pedestre de 1,70 m é cruzado por 1,70 ÷ 0,61 ≈ 3 linhas a 100 m, e por uma só a 250 m. Detectar que há algo ali é possível de longe; reconhecer que é uma pessoa pede mais pontos, ou seja, mais canais ou menos distância. Por isso alguns sensores têm versões com os feixes mais concentrados perto do horizonte, onde estão os objetos distantes. A conta acima supõe espaçamento uniforme.
Quanta distância é suficiente
A 120 km/h o carro anda 33,3 m por segundo. Com 1 segundo de reação e frenagem de 7 m/s² em piso seco (premissas nossas), a distância de parada é 33,3 + 33,3² ÷ (2 × 7) ≈ 113 m. Um sensor que só garante 90 m para alvos escuros não cobre uma parada completa nessa velocidade. O sistema precisa de mais alcance ou tem de andar mais devagar.
A Volvo usou essa lógica ao anunciar o LIDAR do EX90: o sensor detectaria pedestres a até 250 m e algo pequeno e escuro como um pneu numa pista preta a 120 m, segundo o comunicado da empresa. A empresa estimou redução de até 20% nos acidentes graves. Segundo a imprensa especializada, a Volvo retirou o LIDAR do EX90 na linha 2026, depois de encerrar o contrato com a fornecedora do sensor; não conferimos isso em comunicado da empresa.
Por que há dois comprimentos de onda
Os lasers de LIDAR trabalham no infravermelho, invisível, e em duas faixas principais: perto de 905 nanômetros e perto de 1.550 nanômetros. A potência do laser é limitada pela segurança dos olhos de quem está na rua. Segundo a revisão da Nature Communications, o laser de 1.550 nm se destaca na detecção a longa distância porque o limite de potência seguro para os olhos é mais alto nesse comprimento de onda. Mais potência, mais alcance. Em troca, o laser de 905 nm é a opção mais econômica.
Onde o LIDAR entra na automação
A norma SAE J3016 divide a automação em seis níveis, de 0 a 5:
| Nível | Nome na norma | Quem dirige |
|---|---|---|
| 0 | sem automação | o motorista |
| 1 | assistência ao motorista | o motorista, com uma ajuda (direção ou velocidade) |
| 2 | automação parcial | o motorista supervisiona o tempo todo |
| 3 | automação condicional | o carro, em condições definidas; o motorista assume quando chamado |
| 4 | automação alta | o carro, dentro de uma área ou condição |
| 5 | automação total | o carro, em qualquer lugar |
A coluna da direita é resumo nosso. O LIDAR é presença quase obrigatória do nível 3 para cima, quando o carro passa a ser responsável pela direção, e já aparece em carros de nível 2. Dois exemplos com fonte:
- Nível 3. O sistema Drive Pilot, da Mercedes-Benz, usa o LIDAR Scala 2, da Valeo, para direção condicionalmente automatizada, a até 60 km/h no lançamento, na Alemanha, em 2022 (há registro de ampliação posterior desse limite, que não conferimos em fonte oficial), segundo a Valeo.
- Nível 4. A sexta geração do sistema da Waymo, dos táxis sem motorista, combina 13 câmeras, 4 LIDARs e 6 radares, e o conjunto enxerga a até 500 m, de dia e de noite, segundo a empresa.
Por que o LIDAR não trabalha sozinho
Cada sensor tem um ponto cego. A câmera vê cor, texto e semáforo, mas mede distância mal e sofre no escuro e contra o sol. O radar mede distância e velocidade com chuva e neblina, mas com pouca definição de forma. O LIDAR mede distância e forma com precisão, de dia e de noite, mas não lê cor nem placa, e a água no ar espalha a luz e reduz o alcance. A Waymo descreve os três como complementares, especialmente em tempo ruim, e conta com um sistema de limpeza com aquecimento para manter os sensores desobstruídos, segundo outro texto da empresa.
O carro ainda precisa saber onde está e como se move. Essa parte vem do posicionamento por satélite, explicado em como funcionam os sistemas de navegação via satélite, e de sensores inerciais como o de como funciona o giroscópio do celular.
O preço caiu
Na última década, o custo de um LIDAR caiu de mais de 10 mil dólares para a faixa de 500 a 1.000 dólares, segundo a revisão da Nature Communications. A revisão não aponta uma causa única; a produção em escala e os projetos com menos partes móveis ajudaram. Foi o que permitiu ao sensor sair dos carros de teste e chegar a carros de série.
A mesma técnica de medir com laser é usada fora dos carros, em levantamentos de terreno e de construções; um exemplo está em drones na inspeção de obras civis. A física da luz usada como ferramenta está em o que é fotônica.
Perguntas frequentes
O que significa LIDAR?
É a sigla em inglês de detecção e medição de distância por luz. O sensor mede distâncias cronometrando pulsos de laser.
Qual a diferença entre LIDAR e radar?
O princípio é o mesmo, medir o eco. O radar usa ondas de rádio, que atravessam melhor chuva e neblina, com menos detalhe. O LIDAR usa luz infravermelha e desenha a forma dos objetos com muito mais definição.
O laser do LIDAR faz mal aos olhos?
Os sensores automotivos são projetados dentro dos limites de segurança para os olhos, e é esse limite que restringe a potência e o alcance.
Todo carro autônomo usa LIDAR?
Não. Há fabricantes que apostam só em câmeras. Os sistemas de nível 3 e 4 citados neste artigo usam LIDAR combinado com câmeras e radares.
Qual é o alcance de um LIDAR?
Depende do alvo. No sensor usado como exemplo, 90 m para um alvo escuro, de 10% de refletividade, e até 250 m para alvos mais reflexivos.
O LIDAR transforma tempo em distância: cada bilionésimo de segundo de eco vale 15 cm. O que limita o sensor é a potência que os olhos toleram, a refletividade do alvo e o número de linhas que chegam a um objeto distante. Outras tecnologias na mesma fase estão em inovações tecnológicas na engenharia.
