Quasi tutti i prodotti vengono reinventati oggi, con nuove funzionalità e design innovativi che sono guidati dalla domanda dei consumatori. L'industria mondiale dell'illuminazione sente certamente le pressioni del mercato per innovare e portare le prestazioni dei prodotti a un nuovo livello. In particolare, i segmenti automobilistico, aerospaziale e dell'illuminazione in generale, stanno ponendo l'accento su prodotti innovativi che definiranno nuove categorie dell'illuminazione.
L'onere di arrivare a queste innovazioni di prodotto ricade sugli ingegneri ottici. Non solo devono fornire innovazioni continue, ma devono lavorare rapidamente, per supportare i cicli di lancio dei prodotti richiesti dai clienti. I loro progetti devono funzionare con notevole affidabilità, per supportare applicazioni di prodotti fondamentali per il raggiungimento di un obiettivo. Oggi si presta molta attenzione al design ottico, per due ragioni principali: la prima è che la tecnologia ottica supporta nuove aree emergenti come sensori, intelligenza artificiale e automazione, la seconda ragione risiede nel design dell'illuminazione la quale influenza la decisione di acquisto per molti prodotti di consumo.
Aumento della sicurezza attraverso la tecnologia ottica
Con il concetto di Illuminazione Adattiva si intende la possibilità di variare l’intensità di illuminazione degli ambienti come strade, aree pubbliche, in base alle condizioni metereologiche, di traffico e di ambientazione. Attraverso l’illuminazione adattiva è possibile aumentare la sicurezza e il confort visivo, oltre a garantire il risparmio energetico.
A titolo esplicativo verrà riportato un esempio di applicazione nell’ambito dell’illuminazione adattiva, nel quale una corretta progettazione dell’illuminazione porta a significativi vantaggi in termini di sicurezza durante la guida notturna e nel caso di veicoli a guida autonoma.
Le nuove tecnologie ottiche, come i fasci di luce generati da matrici di pixel, stanno contribuendo a creare capacità di illuminazione dinamica e adattiva per migliorare notevolmente la visibilità e la sicurezza del conducente di notte. Queste capacità adattive aiutano a rivelare oggetti critici come la segnaletica orizzontale, i pedoni e le auto in arrivo, evitando l'uso di abbaglianti e anabbaglianti che potrebbero accecare temporaneamente un guidatore in arrivo.
I fanali intelligenti si basano sulla tecnologia adattiva dei fasci abbaglianti, che utilizza i dati delle telecamere e dei sensori montati sull'auto per modellare in modo dinamico e autonomo i fasci di luce che vengono proiettati sulla strada da percorrere. Questo può significare: il passaggio dalla funzionalità anabbagliante a quella abbagliante, fanali curvi per illuminare tratti non rettilinei quando si sterza, implementazione di una strategia Matrix Beam, con possibile aumento della risoluzione della matrice.
Poiché i fanali funzionano in un ambiente critico per la sicurezza, qualsiasi errore nel processo di rilevamento-controllo-illuminazione può avere conseguenze disastrose. Prima di essere lanciato sul mercato, qualsiasi sistema di proiettori intelligenti deve essere testato in modo esauriente e deve essere in grado di dimostrare di rispondere in modo accurato a ogni possibile situazione ambientale.
Fig. 1: I fanali intelligenti sono in grado di rilevare oggetti sulla strada e ottimizzare automaticamente le condizioni di illuminazione.
Progettazione dei sistemi di illuminazione a risparmio energetico
Un esempio di simulazione è lo sviluppo di complessi sistemi di proiettori a Matrix Beam, grazie alle loro precise capacità di illuminazione notturna. I fari Matrix consentono alle auto di guidare con gli abbaglianti accesi in modo permanente. Questi sistemi di proiettori intelligenti hanno la capacità unica di percepire gli altri veicoli sulla strada davanti e di deviare il percorso della luce dell'auto in avvicinamento, continuando a proiettare piena luce nelle aree in cui non c'è un altro veicolo. I fanali Matrix Beam forniscono un'illuminazione completa evitando che conducenti nel senso di marcia opposta vengano abbagliati. Questa caratteristica è possibile perché il fascio luminoso viene creato utilizzando numerosi LED che sono distribuiti su una matrice, quindi possono essere controllati individualmente a seconda delle condizioni ambientali.
Poiché ciascuno di questi LED può essere acceso e spento dinamicamente, i proiettori a Matrix Beam rappresentano una sfida ingegneristica particolarmente sofisticata. Esistono numerose configurazioni di funzionamento della matrice, che possono generare fasci luminosi, e queste combinazioni possono cambiare dinamicamente, in tempo reale, al variare delle condizioni della carreggiata o metereologiche. Tuttavia, la matrice di LED deve essere progettata con attenzione, i sensori devono acquisire e trasmettere dati in tempo reale ed in maniera accurata, mentre i controlli software integrati devono eseguire i calcoli necessari per attivare una nuova configurazione del fascio luminoso in qualsiasi istante.
Fig. 2: Esempio di sistema combinato
proiettore/lidar/telecamera, realizzato con software di simulazione numerica
Figg. 3 e 4: Confronto della visibilità generata dal codice numerico, del sistema di telecamere in condizioni meteorologiche simili. Il rivestimento antipioggia applicato alla lente esterna in figura 2 mostra che, in caso di pioggia, sarà assicurata la piena visibilità del sensore.
Una delle sfide chiave nella commercializzazione dei veicoli dotati di avanzati sistemi di assistenza alla guida (ADAS) è la percezione accurata in relazione all'ambiente fisico circostante. Questi sistemi devono essere in grado di distinguere la segnaletica stradale, le auto, pedoni e altri oggetti fisici con un grado di precisione per poter adattare il fascio luminoso alle condizioni ottimali di guida. Inoltre devono distinguere fenomeni ottici come il riflesso e l'abbagliamento causato da oggetti fisici reali.
Utilizzando strumenti e processi tradizionali, la progettazione di questo tipo di sistemi di illuminazione autonoma e avanzata richiederebbe mesi o addirittura anni a causa della continua iterazione delle informazioni all’interno dei team coinvolti nello sviluppo del prodotto.
Vantaggi della simulazione CAE nei sistemi di proiettori intelligenti
Con questa grande quantità di tecnologie coinvolte e di parametri operativi da considerare, non è più possibile creare prototipi che implementino i sensori, il software e l’ottica da installare su più veicoli da testare fisicamente per cui l’unica soluzione accettabile è l’adozione anche in questo ambito della simulazione ingegneristica. Progettando sistemi di proiettori intelligenti, inclusi i relativi controlli software incorporati, e quindi convalidandoli in un ambiente di test virtuale, i team di sviluppo prodotto possono lanciare nuovi progetti di proiettori in modo rapido e conveniente, senza sacrificare il rigore analitico necessario per garantire la sicurezza. Oggi la simulazione numerica offre gli strumenti per affrontare le sfide sopra citate mettendo a disposizione nuovi codici che aiutano gli ingegneri a progettare i fanali, anche con elevata complessità (come una matrice di LED), in uno spazio di progettazione virtuale. Questi strumenti consentono agli ingegneri di “testare su strada” il design del proiettore, combinato con il suo software di controllo, in un ambiente virtuale che replica il mondo fisico, grazie alle proprietà ottiche in real-time e grazie alla simulazione ottica che si basa sulla fisica.
Il feedback dei test di guida virtuali può essere facilmente ricollegato al modello numerico sviluppato, per perfezionare il design e la funzionalità del proiettore molto prima che venga costruito un prototipo fisico. Questo workflow innovativo e dinamico riduce significativamente la necessità di prove su strada, implementando un ciclo di lancio del prodotto molto più veloce ed economico.
Dal modello CAD al prodotto reale, tramite la simulazione numerica
Attraverso l’utilizzo di metodologie numeriche si possono adottare strategie di progettazione e design per valutare il miglior compromesso fra costi, efficacia, prestazioni, qualità ed estetica dei prodotti.
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