La misura della distanza è senza dubbio in questo periodo un’esigenza applicativa di grande attualità. Oltre alla gestione della pandemia però, sono numerose le applicazioni in cui le tecnologie di misura trovano spazio e dove vengono richieste prestazioni sempre più di alto livello
La misura della distanza è alla base di applicazioni emergenti in ambito industriale e consumer, come le applicazioni che fanno riferimento all’industria 4.0 e nel settore automotive relativamente alla guida autonoma. Numerose sono le applicazioni della misura della distanza, tra cui l’automazione industriale e l’automotive sono le più emblematiche, ma a queste si aggiungono applicazioni come la biometrica, l’automazione domestica, la realtà virtuale, medicina e salute, fitness e sport, il retail, i videogiochi, la comunicazione, ecc. Come è sempre avvenuto nella storia della tecnologia applicata, il successo e i grandi risultati ottenuti sono stati il frutto dell’innovazione della microelettronica determinata dallo sviluppo industriale di componenti innovativi e dirompenti come per esempio è accaduto con i dispositivi MEMS, in particolare i sensori inerziali, primo tra tutti l’accelerometro. Nel caso della misura della distanza siamo di fronte a una tecnologia sensoriale che supera in maniera dirompente qualsiasi altra tecnologia di misura della distanza relativamente alle principali peculiarità che caratterizzano i sistemi embedded: efficienza, ridotte dimensioni, basso costo, basso consumo energetico, ecc. Questa tecnologia è quella cosiddetta “Time -of-Flight”, brevemente ToF.
Il ToF, data la sua capacità di scansione di oggetti e spazi è a tutti gli effetti, un’equivalente della telecamera e quindi utile nelle applicazioni di imaging e di sensing e tracciamento del movimento, di rivelazione di oggetti e conseguente mappatura, cioè i meccanismi base della guida autonoma e di altre importanti applicazioni come la diagnostica medica per immagini. Rispetto ad una telecamera il ToF è più compatto, economico e computazionalmente non intensivo. Il principio di funzionamento del ToF è relativamente semplice ma non banale dal punto di vista tecnologico.
Un Tof consiste di un emettitore di luce (LED o Laser) a impulsi e determinate frequenze, di un fotorivelatore che misura la variazione dell’intensità dell’impulso luminoso riflesso dall’oggetto, di driver che servono a controllare gli emettitori e a sincronizzarli con le altre parti funzionali, di un’unità computazionale ad altissima velocità per il calcolo dei tempi di riflessione e la ricostruzione della scena e di unità di comunicazione e interfaccia per consentire l’integrazione con l’applicazione.
Dunque, il ToF, pur essendo semplice non è tecnologicamente banale dato che i segnali in gioco sono di natura ottica, quindi i tempi di propagazione piccolissimi e il tempo disponibile per l’elaborazione altrettanto piccolo. Dato che, per motivi oggettivi, l’elaborazione della misura deve essere effettuata localmente (nel ToF) il processore che lo correda è un tipico Application Specific Processor (ASP) operante alla frequenza di 300 GHz e oltre.
Single Package ToF e distanziamento interpersonale
STMicroelectronics ha sviluppato la famiglia di dispositivi ToF denominata FligthSense che integra in un pakage singolo di piccolissime dimensioni il sensore, i filtri, l’ottica, il VCSEL e i driver necessari per la completa funzionalità ToF. Il sensore VL53L1X è un modulo miniaturizzato di 4,9×2,5×1,56 mm dotato di un emettitore laser invisibile (classe 1) a 940 nm e di un microcontrollore avanzato che esegue il firmware necessario ad elaborare la misura in tempo reale. La misura è eseguibile per target fino a 4 metri con una ranging frequency fino a 50Hz. Il chip ToF di STM è dotato anche di interfaccia I2C operante fino a 1 MHz.
Il package è un reflowable tanto piccolo che può essere nascosto sotto la lente o altre parti coprenti. Una startup olandese, Aura Aware ha utilizzato la tecnologia ToF di STM (VL53L1X) per sviluppare un’applicazione che consente di garantire il mantenimento della distanza interpersonale prevista dai protocolli di sicurezza per prevenire il contagio da COVID-19.
Il sistema di Aura Aware integra il ToF di STM capace di eseguire misure di distanza fino a 4 metri e di elaborare il segnale all’interno dello stesso sensore per rendere la misura più accurata. Grazie a questa applicazione ToF si possono evitare i contatti diretti con le superfici potenzialmente contaminate (schermi touch dei sistemi self-service, i rubinetti, i pulsanti, ecc.) in contesti ad alta densità di persone. Più in generale consentono di implementare interfacce uomo-macchina (HMI) intelligenti senza contatto.
ToF Analog Front End
(AFE)
Texas Instruments ha affrontato lo sviluppo ToF con l’approccio Analog Front End (AFE). OPT 3101 di Texas Instruments è un TOF-based Long-Range proximity and Distance Sensor AFE. In questo caso lo sviluppo è concentrato sulla problematica dell’integrazione della processing pipeline (ADC, timing sequencer e digital processing engine) in un package VQFN a 28 contatti (5×4 mm).
L’AFE OPT3101 di TI utilizza LED e fotodiodo esterni per configurare un ToF ad alta velocità e alta risoluzione. OPT3101 è inteso a consentire l’adattamento del progetto all’applicazione, in quanto, con la funzione di trasmissione e ricezione esterna l’utilizzatore può scegliere qualsiasi lunghezza d’onda (visibile o infrarosso), qualsiasi sorgente di illuminazione (LED o VCSEL) e qualsiasi campo visivo (con lenti esterne).
L’approccio Analog Front End ha consentito di rendere disponibile internamente al sistema funzionalità avanzate come l’ambient light cancellation che consente di esaltare le prestazioni in contesti applicativi indoor e outdoor, incluso la condizione di piena luce solare (130 Klux).
Misura della distanza in 3D
L’approccio ToF alla misura della distanza porta inevitabilmente alla scoperta di ambiti applicativi innovativi come nel caso del ToF B5L-A2S-U01-010 di Omron, capace di rilevamento di oggetti in movimento e di copertura dell’intero campo visivo. B5L-A2S-U01-010 di Omron è un modulo di 103×43 mm alimentato a 24 VCC e dotato di comunicazione micro-USB., di emettitore infrarosso a 940 nm e di array di ricezione da 240×320 pixel.
Questa configurazione e la capacità interna di elaborazione ad elevata velocità consente a questo ToF di misurare la distanza assoluta dagli oggetti target in un intervallo da 0,5 m a 4 m con la precisione del 2% (alla distanza di 2 m). Grazie alla tecnologia ottica avanzata il ToF B5L di Omron consente di eseguire misure tridimensionali su ampie superfici e in condizioni di illuminazione solare (tipico punto debole dei ToF). Grazie a questa innovazione tecnologica, l’impiego di robot autonomi si estende oltre ogni limite sia in ambito industriale, sia in ambito civile.
La soluzione ToF, rispetto alle altre soluzioni per la misura della distanza come le videocamere e il LiDAR si caratterizza per un più elevato livello di embedding, offrendo un livello superiore di gamma di rilevazione degli oggetti senza richiedere configurazioni multiple, quindi mantenendo bassa la complessità di sistema.
La distanza di persone e oggetti può essere misurata in tempo reale mantenendo relativamente alle persone la necessaria riservatezza richiesta dalla normativa sulla privacy in quanto l’imaging ToF non è di natura fotografica. Oltre all’automazione industriale, il sanitario e il civile, sono due ambiti applicativi molto promettenti di questa tecnologia ToF ad elevata integrazione funzionale implementata da Omron in questa serie di moduli B5L che se combinata ai paradigmi di intelligenza artificiale di ultima generazione (neuromorfi) consentiranno di risolvere problematiche sociali emergenti.
