Aggiungete in modo semplice e rapido un sistema di rilevamento di prossimità per il tempo di volo per una maggiore precisione

Il rilevamento di prossimità sta diventando un requisito fondamentale sia per l'Internet delle cose (IoT) sia per l'automazione convenzionale, così come per i progetti fai-da-te. Le applicazioni più semplici includono rilevatori di movimento che accendono la luce quando qualcuno si avvicina e il rilevamento di determinati livelli di materiali solidi o liquidi contenuti in autocarri, cisterne e bidoni della spazzatura. Vi sono anche sistemi più complessi pensati per robot aspirapolvere, macchine per l'assemblaggio e la realtà virtuale (VR).

Esistono diverse tecniche che permettono alle macchine di determinare cosa le circonda. Ad esempio, i transceiver Bluetooth Low Energy (LE) sono in grado di stimare la distanza da dispositivi simili grazie alla misurazione dell'intensità del segnale ricevuto. Altri dispositivi utilizzano il disturbo di un campo magnetico per rilevare la prossimità di un oggetto. Queste tecniche sono economiche ed efficaci, ma forniscono solo una stima approssimativa della distanza tra due oggetti. Sono utili, ad esempio, quando si vuole accendere una luce o attivare un allarme di movimento, ma lo sono meno quando si deve guidare un veicolo senza equipaggio in un magazzino pieno di merci o indicare l'ubicazione precisa di una risorsa costosa.

È possibile però ottenere una maggiore precisione grazie a una delle costanti immutabili della natura, la velocità della luce (c). Puntando un raggio laser (o altre forme di radiazione elettromagnetica, come le microonde) su un oggetto adiacente e misurando con precisione il tempo che passa dall'emissione alla ricezione del segnale riflesso, è possibile ottenere la distanza dall'oggetto effettuando un semplice calcolo:

Tempo di volo (ToF) in secondi (s)/2 x c in metri al secondo (m/s) = distanza dall'oggetto in metri (m)

Tuttavia, sebbene il calcolo sia facile, realizzare un sensore che effettui la misurazione è tutt'altro che semplice. Fortunatamente, è disponibile un modulo commerciale adeguato a svolgere tutto ciò e altro ancora.

Un sensore ToF ad ampio campo visivo

Un esempio di questa nuova tipologia di sensori tempo di volo (ToF) è VL53L7CXV0GC/1 di STMicroelectronics. Il modulo include un laser a cavità verticale a emissione superficiale (VCSEL) efficiente che opera nello spettro infrarosso (IR) (cosa che la rende sicura per gli occhi umani), che proietta il raggio laser fino a 3,5 m. Il modulo è dotato di una serie di diodi a valanga a fotone singolo (SPAD) con filtri IR che rilevano il segnale riflesso. Un MCU e la memoria associata, insieme al software proprietario dell'azienda, effettuano il calcolo per il ToF. Tutti i componenti elettronici sono contenuti in un fattore di forma compatto di 6,4 x 3,0 x 1,6 mm (Figura 1).

Figura 1: Il modulo ToF VL53L7CX include un laser IR, una serie SPAD multizona, un MCU e una memoria, il tutto in un contenitore compatto. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Il modulo VL53L7CX offre anche altre interessanti caratteristiche utili. Ad esempio, include sull'emettitore del laser un'efficiente lente "metasuperficie" che consente la proiezione di un campo visivo (FoV) quadrato di 60° x 60° (diagonale 90°) (Figura 2). Grazie a questo sistema, il sensore "vede" da una posizione qualsiasi un'area maggiore e più oggetti.

Figura 2: Il sensore ToF VL53L7CX offre da un dato orientamento un campo visivo ampio, consentendo di identificare più oggetti. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

La zona di esclusione del collettore illustrata nella Figura 2 tiene in considerazione le tolleranze del gruppo modulo ed è utilizzata per definire le dimensioni della finestra di copertura. L'apertura della finestra di copertura deve essere uguale o superiore alla zona di esclusione. (Nota: immagine non in scala.)

L'altro asso nella manica di VL53L7CX è il fatto che la serie SPAD è composta da 64 zone in una matrice 8x8. Ogni zona agisce da sensore indipendente. L'algoritmo brevettato di STMicroelectronics consente a VL53L7CX di rilevare più oggetti in ciascuna zona all'interno del FoV e, al contempo, la percezione della profondità. Il sensore calcola una distanza assoluta rispetto all'oggetto a prescindere dal colore e dalla riflettanza dell'oggetto.

Potete scegliere se azionare la matrice della serie SPAD in modalità ad alta risoluzione (8x8) con una bassa frequenza di aggiornamento, pari a 15 Hz o in modalità 4x4 con una frequenza di aggiornamento superiore, pari a 60 Hz (Figura 3). La risoluzione e la frequenza di aggiornamento scelte ovviamente cambieranno in base alla velocità, al consumo energetico e ad altri requisiti dell'applicazione finale.

Figura 3: Il sensore ToF VL53L7CX consente di modificare la matrice del sensore da 8x8 a 4x4. Sebbene la risoluzione venga ridotta, la frequenza di aggiornamento è quadruplicata. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Strumenti per lo sviluppo e la produzione con sensori ToF

STMicroelectronics ha introdotto alcuni strumenti utili per creare un progetto basato su sensori ToF. La scheda di espansione X-NUCLEO-53L7A1, ad esempio, è progettata per l'uso con qualsiasi scheda STM32 Nucleo dotata di connettori Arduino R3. Le schede di sviluppo STM32 Nucleo consentono agli ingegneri di creare i prototipi con qualsiasi microcontroller STM32. La scheda di espansione è in sostanza un kit di valutazione completo per il sensore ToF VL53L7CX.

È possibile impilare molteplici schede di espansione di STMicroelectronics utilizzando i connettori Arduino. Potreste, ad esempio, utilizzare la scheda di espansione X-NUCLEO-53L7A1 insieme a una scheda Bluetooth LE o Wi-Fi per inviare al cloud i dati relativi alla prossimità.

Oltre alla scheda di valutazione, STMicroelectronics offre SATEL-VL53L7CX, un pacchetto che include due schede di breakout. Ciascuna scheda di breakout dispone di un modulo VL53L7CX, un regolatore di tensione da 3,3 V e componenti periferici (Figura 4).

Figura 4: Il pacchetto SATEL-VL53L7CX è composto da due schede di breakout con sensori ToF, ciascuna dotata di un sensore VL53L7CX sul lato sinistro e di un regolatore di tensione da 3,3 V sul lato destro. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

È possibile collegare le schede di breakout nella loro interezza alla scheda di espansione utilizzando i connettori Arduino per creare un sistema di tre sensori ToF, due inclusi sulle schede di breakout e uno nel kit di valutazione. Le schede di breakout sono perforate, così che la sezione che include il sensore ToF formi una mini-scheda a circuiti stampati facile da cablare al gruppo di un'applicazione basata su alimentazione a 3,3°V. Le schede di breakout accelerano la valutazione e lo sviluppo, riducendo il time-to-market.

Conclusione

Il rilevamento di prossimità è una caratteristica sempre più utile da aggiungere ai dispositivi IoT e altri sistemi. La precisione offerta dai sensori ToF apre un mondo tutto nuovo di applicazioni più complesse, consentendo al contempo di affrontare problemi di progettazione più complessi. Il sensore IR ToF VL53L7CX e i suoi strumenti di valutazione rimuovono buona parte di tale complessità offrendovi un FoV più ampio, una risoluzione scalabile e la possibilità di rilevare più oggetti.