Nozioni fondamentali sulla misurazione della distanza e sul riconoscimento dei gesti mediante sensori ToF

Di Steve Leibson

Contributo di Editori nordamericani di Digi-Key

Molte applicazioni richiedono il rilevamento della presenza o della distanza da oggetti fisici senza doverli toccare. La necessità di sensori di prossimità ha portato a molte soluzioni in concorrenza, tra cui i sensori del tempo di volo (ToF) ottici. Sebbene siano precisi, fino ad oggi erano costosi e complessi da implementare. Le soluzioni più recenti hanno però semplificato molto l'uso di questa tecnologia.

L'elenco dei prodotti che utilizzano il rilevamento di prossimità comprende sistemi di messa a fuoco automatica delle fotocamere, robot e droni, numerosi accessori per le sale da bagno e sensori per il varco di porte automatiche. E questi sono solo alcuni esempi, ma la lista si allunga continuamente. Le tecnologie di rilevamento di prossimità in competizione partono da semplici sensori a infrarossi e ultrasonici e, per gradi di complessità, arrivano a sistemi di sensori più avanzati come quelli adottati nelle videocamere stereoscopiche con reti neurali.

Tutte queste tecnologie hanno dei limiti e se da un lato l'intelligenza artificiale può rendersi necessaria per implementare compiti complessi come il riconoscimento e il tracciamento degli oggetti per i veicoli autonomi, dall'altro questo livello sarebbe eccessivo per l'erogazione di asciugamani di carta e di sapone. I progettisti, che devono rientrare in budget limitati e tempi di progettazione sempre più stretti, sono costretti a ridurre al minimo i costi, lo spazio e i tempi di progettazione.

Una delle alternative da prendere in considerazione per il rilevamento di prossimità sono i sensori ToF. Questi misurano la distanza da un oggetto bersaglio calcolando il tempo del viaggio di andata e ritorno dei fotoni, dal sensore all'oggetto e viceversa. Fino ad oggi non è stato facile implementare progetti ToF in modo rapido e a costi contenuti, ma le nuove generazioni di sensori ToF altamente integrati e poco costosi adesso mettono a disposizione un rilevamento senza contatto estremamente accurato e a costi inferiori.

In questo articolo tratteremo l'evoluzione e l'uso della tecnologia di misurazione della distanza, inclusi i sensori ToF, in una varietà di applicazioni sia per il rilevamento della distanza sia per il riconoscimento di gesti. Verrà quindi descritto come funziona la tecnologia dei sensori ToF prima di introdurre alcune delle più recenti soluzioni e come iniziare a utilizzarle.

I sensori di prossimità di prima generazione

La fotocamera a pellicola istantanea Polaroid SX-70, introdotta nel 1972, incorporava molte tecnologie innovative tra cui un'ottica a tre specchi ripiegabili, lenti di Fresnel, una batteria piatta da 6 V integrata nella confezione della pellicola istantanea oltre a una barra di flash da dieci lampi. Tuttavia, una delle tecnologie col maggior impatto sul futuro introdotte da Polaroid nella fotocamera SX-70 è stata il Sonar Autofocus System, che è apparso per la prima volta nella Polaroid Sonar OneStep annunciata nel 1978 (Figura 1). Il sistema autofocus tramite sonar impiegava un trasduttore ultrasonico innovativo per trasmettere l'impulso di ultrasuoni e ricevere l'energia ultrasonica riflessa.

Immagine della fotocamera Polaroid SX-70 Sonar OneStep

Figura 1: La fotocamera Polaroid SX-70 Sonar OneStep incorporava un trasduttore ultrasonico (il grande cerchio color oro sulla parte superiore della fotocamera) per la messa a fuoco automatica. (Immagine per gentile concessione di Wikipedia)

Il sensore a ultrasuoni del modello Sonar ebbe un tale successo che Polaroid creò un business attorno al solo sensore, le cui conseguenze sono ravvisabili anche oggi. Ad esempio, l'economico modulo di scansione a ultrasuoni HRC-SR04 SEN-13959 di SparkFun è un sensore di distanza con trasduttori di trasmissione e ricezione separati (Figura 2). Il sensore è progettato per essere pilotato direttamente da una scheda di sviluppo Arduino. La portata del sensore si estende da 2 a 400 cm e le specifiche affermano che è in grado di effettuare misure di prossimità senza contatto con una risoluzione minima di 3 mm.

Immagine del modulo rilevatore di distanza a ultrasuoni SEN-13959 di SparkFun

Figura 2: Il modulo rilevatore di distanza SEN-13959 di SparkFun rileva la distanza utilizzando impulsi riflessi a 40 kHz. (Fonte dell'immagine: SparkFun)

Per misurare la distanza con questo modulo, la scheda Arduino (o un altro controller) invia un impulso di 10 μs al pin Trig (di attivazione) della scheda, che lancia una serie di otto impulsi ultrasonici brevi emessi dal trasmettitore a ultrasuoni. Gli impulsi sonici colpiscono il bersaglio e si riflettono indietro, viaggiando a 343 m/s (in un ambiente tipico a 20 °C). La distanza dal bersaglio corrisponde alla durata tra la trasmissione e la ricezione degli impulsi ultrasonici, moltiplicata per 343 m/s e divisa per due (per tener conto del viaggio di andata e ritorno).

Gli impulsi ultrasonici sono riflessi bene da superfici dure e meno bene quando rimbalzano su superfici morbide come tende, tappeti, vestiti e animali domestici. La precisione della misurazione dipenderà dal metodo utilizzato per la temporizzazione degli impulsi. Nel modulo SEN-13959 di SparkFun non esiste una tale capacità di controllo della temporizzazione la cui precisione dipende invece dalla CPU dell'host. Inoltre, l'accuratezza e la stabilità delle misurazioni della distanza effettuate da un sensore ultrasonico variano a seconda della temperatura dell'aria (che altera la velocità del suono nell'aria) e del movimento dell'aria stessa (che attenua gran parte dell'energia a ultrasuoni riflessa e di conseguenza il segnale di ritorno).

I LED a infrarossi (IR) sono stati utilizzati anche per il rilevamento di prossimità e le misurazioni di distanza. Ad esempio, l'unità sensore di misurazione della distanza GP2Y0A41SK0F di Sharp Microelectronics può rilevare oggetti a distanze da 4 a 30 cm in base all'intensità della luce a infrarossi riflessa emessa da un LED IR (Figura 3). Il sensore emette una tensione analogica che va da poco più di 3 V corrispondente a una distanza dell'oggetto di 3 cm, fino a circa 0,3 V per una distanza di 40 cm. Il controller host ha il compito di convertire questa tensione in una rappresentazione digitale.

Immagine dell'unità sensore di misurazione della distanza a infrarossi GP2Y0A41SK0F di Sharp

Figura 3: L'unità sensore di misurazione della distanza a infrarossi GP2Y0A41SK0F di Sharp può rilevare oggetti in un campo compreso tra 3 e 40 cm. (Immagine per gentile concessione di Sharp Microelectronics)

Tuttavia, poiché la distanza dell'oggetto è basata sulla quantità di energia IR riflessa, la precisione di questo tipo di sensore IR è soggetta a errori dovuti a variabili come la riflettanza dell'oggetto e l'intensità della luce ambiente.

Un altro modo per misurare la distanza di un oggetto usando luce a infrarossi consiste nel calcolare il tempo di volo dei fotoni nel tragitto dall'emettitore a infrarossi del sensore all'oggetto e da quest'ultimo di ritorno al sensore. Questo tipo di sensore di misurazione della prossimità combina le caratteristiche ToF del sensore a ultrasuoni con la relativa imperturbabilità della velocità del fotone che non è influenzata dall'aria in movimento, dalla luce ambiente o dalla riflettanza.

Fino a poco tempo fa era difficile calcolare il tempo di volo dei fotoni su piccole distanze data la velocità della luce di circa 300.000 km/s, ovvero un metro viene coperto in 3,3 nanosecondi circa. Di conseguenza, i sensori ToF hanno bisogno di una temporizzazione estremamente accurata dell'ordine di sub-nanosecondi per rilevare distanze di pochi millimetri o pochi centimetri/decimetri.

Tuttavia, grazie all'industria dei videogiochi, la tecnologia dei sensori ToF è diventata molto abbordabile dal punto di vista dei costi. Forse l'uso più noto dei sensori ToF lo si ritrova nel controller di gioco Kinect di Microsoft® (Figura 4). La prima generazione Kinect è stata introdotta come periferica per Xbox 360 - console di gioco Microsoft - alla fine del 2010. Questo controller è diventato molto popolare tra i costruttori di robot in quanto è in grado di generare mappe tridimensionali dell'ambiente attorno al robot grazie alla tecnologia ToF di rilevamento della distanza.

Immagine del controller Kinect per Xbox 360 di Microsoft

Figura 4: Il controller Kinect per la console per videogiochi Xbox 360 di Microsoft adotta la tecnologia ToF di rilevamento per creare una mappa tridimensionale dell'ambiente circostante. (Immagine per gentile concessione di Wikipedia)

La tecnologia di rilevamento del controller Kinect è stata miniaturizzata e semplificata per creare pratici sensori di misurazione della distanza più idonei per molte applicazioni embedded.

VCSEL e SPAD

Ad esempio, STMicroelectronics offre ora una linea multigenerazionale di sensori ToF miniaturizzati per misurare la prossimità. Questi sensori si basano su tecnologie di assoluta avanguardia tra cui i laser a cavità verticale a emissione superficiale (VCSEL) e le matrici di fotodiodi a valanga per la rivelazione di singoli fotoni (SPAD).

Tre dei sensori di questa linea basata sulla tecnologia ToF sono VL53L0CX, VL53L1CX e VL6180X. Sebbene tutti misurino la distanza, ciascuno ha capacità diverse.

Il sensore ToF VL6180X di prima generazione ha una sola modalità di campo e misura la prossimità da pochi millimetri a 100 mm (Figura 5). Questo sensore misura 4,8 x 2,8 x 1,0 mm e ha un campo visivo di 42 gradi. Integra anche un sensore di luce ambiente per compensare le variazioni dell'illuminazione ambientale.

Immagine del sensore VL6180X di prima generazione di STMicroelectronics

Figura 5: Il sensore VL6180X di prima generazione di STMicroelectronics ha un campo massimo di 100 mm. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Il sensore ToF VL53L0CX di seconda generazione ha un campo al chiuso da 50 a 1200 mm su un bersaglio bianco (Figura 6). Misura 4,4 x 2,4 x 1,0 mm e ha un campo visivo di 25 gradi. A causa della luce ambiente, il campo massimo si riduce a 600 - 800 mm quando viene utilizzato all'esterno.

Immagine del sensore VL53L0CX di seconda generazione di STMicroelectronics

Figura 6: Il sensore VL53L0CX di seconda generazione di STMicroelectronics ha un campo massimo di 1200 mm. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Il sensore ToF VL53L1CX di terza generazione ha tre modalità di distanza (Figura 7). La distanza massima nelle modalità a corto, medio e lungo raggio è 1360, 2900 e 3600 mm su un bersaglio bianco senza luce ambiente. Con una forte luce ambiente, nelle modalità a corto, medio e lungo raggio la distanza massima è di 1350, 760 e 730 mm. Al contrario di quanto si potrebbe pensare, la modalità a breve distanza ha il raggio di misurazione più lungo se la luce ambiente è forte.

VL53L1CX misura 4,9 x 2,5 x 1,56 mm e ha un campo visivo massimo di 27 gradi. (Il campo visivo di questo sensore è programmabile e può essere reso più stretto, come spiegato di seguito.)

Immagine del sensore VL53L1CX di terza generazione di STMicroelectronics

Figura 7: Il sensore VL53L1CX di terza generazione di STMicroelectronics ha una portata massima di quasi 4 metri. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Tutti e tre questi sensori ToF inviano le misurazioni di prossimità con una risoluzione di 1 mm a un processore host tramite un'interfaccia I2C digitale che funge anche da porta di controllo dei sensori. Dato che utilizzano tutti un'interfaccia I2C, è estremamente semplice connetterli a un processore host (Figura 8).

Schema del sensore VL53L1CX di terza generazione di STMicroelectronics

Figura 8: Come i precedenti sensori della famiglia, VL53L1CX di terza generazione di STMicroelectronics si collega al processore host utilizzando una semplice connessione I2C. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

È utile notare il requisito di bypass molto specifico per le linee di alimentazione AVDDVCSEL e AVDD. Per evitare che il rumore dell'alimentazione entri nel sensore e ne degradi l'accuratezza, i condensatori di bypass da 100 nanofarad e 4,7 microfarad devono essere posizionati il più vicino possibile al sensore.

Questi sensori ToF sono tutti fondamentalmente unidimensionali e segnalano la prossimità di oggetti entro i loro campi visivi. Se nel campo visivo sono presenti più oggetti, segnalano solo la distanza dall'oggetto più vicino. Un singolo sensore non è in grado di rilevare la direzione di un gesto fatto con una mano, ma può essere utilizzato per rilevare quattro semplici gesti, tra cui:

  1. Tocco singolo (mano che si sposta verso il basso per "toccare" il sensore)
  2. Doppio tocco
  3. Swipe singolo (mano che si muove lateralmente e attraverso il campo visivo del sensore)
  4. Doppio swipe

Con questi sensori ToF è possibile ottenere informazioni su gesti e movimenti utilizzandone uno, due o più per rilevare gesti e movimenti in più dimensioni. I sensori ToF accoppiati possono essere utilizzati anche per distinguere i movimenti da sinistra a destra e da destra a sinistra.

Inoltre, è possibile ottenere maggiori informazioni dal sensore di prossimità VL53L1CX di terza generazione restringendo selettivamente il suo campo visivo. Ciò si ottiene spegnendo singoli SPAD nella matrice del sensore con comandi inviati tramite l'interfaccia I2C. La matrice SPAD del sensore di prossimità VL53L1CX è costituita da 256 fotodiodi in una formazione di 16 x 16. È possibile attivare qualsiasi porzione quadrata o rettangolare della matrice tramite comandi software che specificano i due angoli di un riquadro che circonda gli SPAD da attivare nella matrice. La riduzione del numero di elementi attivi restringe il campo visivo del sensore e la regione "osservata". L'unico requisito è che siano attivi almeno 16 SPAD, ad esempio una matrice di 4 x 4 fotodiodi, matrici più grandi invece sono consentite.

Progettazione con sensori ToF

Per iniziare a progettare, il sensore di prossimità VL53L1CX è corredato di un kit di valutazione: P-NUCLEO-53L1A1. Questo include la scheda di valutazione STM32F401RE Nucleo basata su un microcontroller STM32 di STMicroelectronics e una scheda di espansione X-NUCLEO-53L1A1 montata sulla scheda a microcontroller in grado di accogliere due schede di breakout VL53L1X (anch'esse incluse nel kit) (Figura 9).

Immagine del kit di valutazione P-NUCLEO-53L1A1 di STMicroelectronics

Figura 9: La scheda di breakout del sensore inclusa nel kit di valutazione P-NUCLEO-53L1A1 di STMicroelectronics comprende un sensore di prossimità ToF V53L1X montato direttamente sulla scheda. La scheda accetta altri due sensori V53L1X su schede di breakout innestabili. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Il kit di valutazione P-NUCLEO-53L1A1 include anche software di sistema ed esempi di codice sorgente per un rapido avvio dello sviluppo. Per il suo pacchetto di sviluppo software STM32Cube, STMicroelectronics offre anche moduli di espansione per il rilevamento del movimento e della distanza tramite ToF. Questi moduli di espansione sono specifici per i singoli sensori e possono essere scaricati gratuitamente da STMicroelectronics.

Essendo piuttosto piccoli, questi sensori ToF di STMicroelectronics possono adattarsi a pressoché qualsiasi posizione scelta dal progettista. Ecco alcuni esempi di applicazione per stimolare l'immaginazione:

  • Sensori di prossimità generici per robot
  • Erogatori senza contatto (automatici) di asciugamani di carta e di sapone
  • Sciacquoni senza contatto (automatici) per bagni e orinatoi
  • Rubinetti da lavabo senza contatto
  • Sensori di inseguimento pareti e di aggiramento di ostacoli per robot aspirapolvere
  • Rilevatori di presenza operatore a basso costo per computer portatili e monitor
  • Rilevamento semplice di presenza e gesti per chioschi di vendita al dettaglio
  • Gestione dell'inventario fisico per distributori automatici
  • Conteggio delle monete per distributori automatici
  • Scaffali intelligenti per la gestione automatica dell'inventario nei negozi senza cassieri
  • Rilevamento di prossimità del suolo per droni
  • Rilevamento di prossimità del soffitto per droni da interni

A differenza dei sensori di prossimità basati su sensori ToF bidimensionali o telecamere stereo e reti neurali, il costo di questi sensori di prossimità ToF integrati di STMicroelectronics è relativamente basso, il che ne permette l'installazione su numerosi prodotti finali destinati alla vendita entro un'ampia fascia di prezzo.

Conclusione

Sono molte le tecnologie oggi disponibili per il rilevamento di prossimità tra cui quella ottica e a ultrasuoni e non mancano certo buone soluzioni basate su queste tecnologie. Una delle più recenti tecnologie di rilevamento di prossimità è quella del tempo di volo (ToF). La distanza da un bersaglio viene misurata calcolando il tempo di andata e ritorno dei fotoni dal sensore al bersaglio e, una volta riflessi, nuovamente al sensore.

L'emergere di sensori integrati che incorporano emettitori e ricevitori a infrarossi e la circuiteria necessaria per la temporizzazione del tempo di volo dei fotoni in sub-nanosecondi, rendono economico l'utilizzo di questa tecnologia. I kit di sviluppo abbinati consentono anche la sperimentazione e una prototipazione più rapida.

Esonero della responsabilità: le opinioni, le convinzioni e i punti di vista espressi dai vari autori e/o dai partecipanti al forum su questo sito Web non riflettono necessariamente le opinioni, le convinzioni e i punti di vista di Digi-Key Electronics o le sue politiche.

Informazioni su questo autore

Steve Leibson

Steve Leibson è stato System Engineer per HP e Cadnetix, Editor in Chief per EDN e Microprocessor Report, blogger tecnologico per Xilinx e Cadence (solo per citarne alcuni), e ha collaborato come esperto di tecnologia in due episodi di "The Next Wave with Leonard Nimoy". Da 33 anni collabora con molti progettisti allo sviluppo di sistemi migliori, più veloci e più affidabili.

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