di Mark Patrick, Mouser Electronics
Nelle moderne applicazioni basate sulla tecnologia, una delle principali tendenze è rappresentata dalle macchine consapevoli dell’ambiente che le circonda. Le applicazioni sono innumerevoli e riguardano tutti i settori, dall’automotive all’industriale, al consumer e molti altri ancora. Ovviamente, tutti gli oggetti che si muovono – droni, automobili, veicoli a guida autonoma (AGV) e robot domestici, solo per citare alcuni esempi – devono essere in grado di rilevare e reagire in presenza di ostacoli e di altri veicoli, mentre gli oggetti statici devono avere la consapevolezza di ciò che li circonda. Negli edifici, ad esempio, sono presenti dispositivi per il rilevamento della presenza per controllare l’utilizzo di energia, mentre gli abitacoli dei veicoli sono sempre più monitorati per garantire una maggiore sicurezza.
Questa esigenza è in parte dettata dai requisiti di maggiore sostenibilità. Il rilevamento della presenza di persone in un edificio, ad esempio, permette di utilizzare l’illuminazione (e altre risorse) solo quando effettivamente necessario, con un conseguente risparmio di energia e una riduzione dei costi operativi. Un altro elemento trainante è la praticità, che si può concretizzare con l’apertura di una porta nel momento in cui una persona si sta dirigendo verso di essa.
Nelle fabbriche, la forza lavoro è formata in misura sempre più massiccia da robot. La collaborazione sinergica tra esseri umani e robot contribuisce a migliorare il processo produttivo, anche se può creare problemi potenziali di sicurezza. Nel caso in cui un robot (statico o mobile) sia in grado di rilevare la presenza di persone nelle sue vicinanze, i suoi movimenti possono essere temporaneamente limitati, a tutto vantaggio della sicurezza.
All’interno dei veicoli, conoscere il numero di passeggeri, la loro disposizione, le dimensioni fisiche e il peso approssimativo di ciascuno di essi, permette di attivare gli airbag interessati con una forza appropriata. In questo modo, gli airbag possono assolvere il loro compito di protezione in caso di arresto improvviso (dovuto a un urto) senza provocare danni fisici ai passeggeri. Uno degli obiettivi del programma Euro NCAP1è migliorare ulteriormente il monitoraggio degli occupanti del veicolo, soprattutto per quanto concerne il rilevamento della presenza di bambini.
Per il rilevamento della presenza, uno dei componenti fondamentali è senza dubbio il sensore. I sensori utilizzati sfruttano diverse tecnologie, tra cui la conversione della luce in elettricità (come ad esempio i sensori di immagine), la tecnologia a infrarossi passiva e la banda radio a onde millimetriche.
Sensori di immagini: le problematiche
Considerando il gran numero di sensori di immagini attualmente disponibili, tutti contraddistinti da prestazioni elevate, alta risoluzione e dimensioni compatte, essi appaiono come i componenti ideali per rilevare gli ostacoli presenti nell’ambiente, inclusa la presenza di persone. Nonostante ciò, esistono alcune limitazioni. In primo luogo, è necessario che gli oggetti siano in visibilità reciproca (LoS – Line of Sight) e in secondo luogo questi sensori non sono in grado di identificare un essere umano non riconoscibile per svariate ragioni (si pensi a un neonato sotto una coperta all’interno di un veicolo). In ogni caso, dal punto di vista tecnico le prestazioni sono più che adeguate.
Lo svantaggio principale dei sensori di immagini, tuttavia, è legato ai problemi di privacy che il loro utilizzo comporta. Nella maggior parte delle applicazioni viene solamente richiesto di rilevare la presenza di una persona. I sensori di immagini, invece, possono rilevare quale persona è presente (in altre parole identificarla) e memorizzare i relativi dati per un periodo di tempo indefinito. Per tale motivo, al fine di soddisfare l’esigenza di effettuare operazioni di rilevamento e monitoraggio senza creare problemi di riservatezza, i progettisti stanno valutando tecnologie alternative, come ad esempio, i radar a onde millimetriche (mmWave).
I limiti delle attuali soluzioni
Per diversi anni, la tecnologia a infrarossi passiva (PIR – Passive Infrared) è stata ampiamente utilizzata per il rilevamento delle persone in applicazioni come l’illuminazione automatica o i sistemi di allarme di sicurezza. I sensori PIR rilevano una variazione dell’energia a infrarossi nel momento in cui un essere umano si sposta all’interno del loro range di rilevamento e, nel caso venga superata una soglia preimpostata, si accende una luce o si attiva un allarme.
La tecnologia PIR presenta alcune limitazioni, tra cui un raggio d’azione relativamente ridotto, che rende necessaria l’installazione di più sensori. I sensori PIR, inoltre, non sono adatti per rilevare persone ferme o che si muovono lentamente e, se impiegati all’esterno, le condizioni meteorologiche avverse possono renderli inutilizzabili. Inoltre, poiché richiedono la visibilità reciproca, risultano anche abbastanza invasivi.
Radar a onde milimetriche per un rilevamento accurato della presenza
Sebbene più difficili da realizzare, i radar a onde millimetriche assicurano parecchi vantaggi rispetto ai sensori PIR. Essendo basati sull’effetto Doppler, un fenomeno ben conosciuto, essi possono rilevare non solo il movimento, ma anche la velocità e la direzione di un oggetto. Essi non richiedono energia a infrarossi e sono quindi in grado di rilevare oggetti inanimati. La capacità di rilevare velocità e direzione consente di prendere decisioni più intelligenti. Con un sensore a onde millimetriche, ad esempio, una porta si aprirà solamente se una persona si avvicina ad essa e non se le passa semplicemente davanti. (Figura 1).
Figura 1: La possibilità di rilevare il movimento e la sua direzione consente alle porte automatiche di funzionare in maniera più intelligente. (Fonte: Texas Instruments . Modificata da Mouser Electronics)
Poiché la distanza di rilevamento di un sensore a onde millimetriche varia da pochi centimetri ad alcune centinaia di metri, è possibile utilizzare un unico dispositivo per soddisfare le esigenze di numerose applicazioni. Un sensore di questo tipo può funzionare anche attraverso rivestimenti sottili come il cartongesso (muro a secco), per cui può essere installato in modo discreto all’interno degli edifici.
Applicazioni e supporto alla progettazione
Nell’ambito dell’automazione degli edifici, l’adozione della tecnologia a onde millimetriche può contribuire ad aumentare i livelli di praticità e sicurezza a fronte di una riduzione dei costi operativi attraverso un controllo degli impianti – di illuminazione, riscaldamento e condizionamento dell’aria – basato sulla presenza o meno di persone. A differenza dei sensori di immagini, quelli a onde millimetriche non acquisiscono video, non dando quindi luogo a problemi di privacy: per questo motivo possono essere utilizzati in aree sensibili come le toilette o gli spogliatoi.
Per quanto concerne il settore automotive, l’uso della tecnologia a onde millimetriche si è rivelato particolarmente utile per il rilevamento della presenza, soprattutto di bambini o neonati (CPD – Child Presence Detection), nell’abitacolo dei veicoli. La tecnologia a onde millimetriche permette di rilevare la presenza di persone e di stimarne le dimensioni fisiche e, grazie a questi dati, è possibile attivare gli airbag solo dove necessario e con una forza appropriata, a garanzia della sicurezza dei passeggeri.
La funzione CPD all’interno dei veicoli sta assumendo un’importanza sempre maggiore e sono numerose le tecnologie in grado di rilevare la presenza di un bambino che si trova sui sedili posteriori. La tecnologia a onde millimetriche, tuttavia, assicura una precisione tale da consentire di individuare neonati che si trovano sotto una coperta tramite il rilevamento del movimento prodotto dalla respirazione e/o dal battito cardiaco.
I sensori a onde millimetriche di Texas Instruments vengono impiegati in ambito automotive nei sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS, Advanced Driver Assistance System) per applicazioni di rilevamento su brevi e lunghe distanze, consentendo a un veicolo di acquisire la consapevolezza relativa all’ambiente circostante. Questo sensore avanzato su chip singolo in tecnologia CMOS permette di realizzare progetti più compatti in quanto abbina il front end RF con un processore DSP (Digital Signal Processor) e un microcontrollore (MCU), consentendo il rilevamento di scene urbane complesse e di altri utenti della strada.
Questa tecnologia riveste un ruolo importante nelle applicazioni industriali, dove viene utilizzata per rilevare la presenza di liquidi e il loro livello, oltre che per la guida di droni e robot impiegati nei magazzini (Figura 2).
Figura 2: La tecnologia a onde millimetriche viene impiegata in numerose applicazioni industriali. (Fonte: Mouser Electronics)
Per tutti i progettisti che non hanno familiarità con questa tecnologia, sono disponibili numerosi tool per semplificare il processo di progettazione. Il mod. MM5D91-00 di Jorjin Technologies è un modulo sensore basato sulla tecnologia a onde millimetriche a 60 GHz utilizzato per il rilevamento della presenza. Si tratta di un dispositivo utile che include un’antenna di trasmissione, tre antenne di ricezione e un processore Arm® Cortex®-M4F ad alte prestazioni.
Riconoscimento dei gesti
Come spesso accade a seguito dell’introduzione di tecnologie innovative, anche nel caso dei sensori radar a onde millimetriche si sono aperti nuovi scenari applicativi. Grazie al riconoscimento dei gesti, ad esempio, è possibile sostituire i pannelli di controllo fisici con interfacce operatore (HMI – Human Machine Interface) virtuali. In questo caso, un operatore può posizionare una mano di fronte al sensore e muoverla seguendo schemi predefiniti, che rappresentano i dati di ingresso utilizzabili dal sistema. Le azioni da eseguire sono il più delle volte molto intuitive: un palmo sollevato in orizzontale indica l’arresto mentre la rotazione di una mano che simula il movimento di una manopola virtuale permette di aumentare o diminuire il valore di un parametro come ad esempio il volume.
Il riconoscimento dei gesti assicura alcuni vantaggi, a seconda delle modalità di utilizzo e del tipo di applicazione. In ambito automotive, maggior sicurezza e praticità sono sicuramente i principali vantaggi, in quanto i conducenti non sono costretti a cercare di identificare tasti di piccole dimensioni durante la guida, distogliendo così lo sguardo dalla strada che stanno percorrendo. Poiché non è previsto alcun contatto tra una persona e l’interfaccia HMI, viene garantita una maggiore igiene, un sicuro vantaggio in numerose applicazioni, come ad esempio quelle nei settori sanitario e del catering.
Il riconoscimento dei gesti permette anche di ridurre lo spazio occupato da tasti e manopole di una tradizionale interfaccia HMI fisica, un valido ausilio per i progettisti che sempre più spesso sono impegnati nello sviluppo di dispositivi di piccole dimensioni. Nel momento in cui un dispositivo viene aggiornato per aggiungere ulteriori funzionalità, è possibile supportarle con la definizione di nuove tipologie di gesti.
Questa tecnologia rappresenta un mercato relativamente nuovo. Secondo i dati forniti da Global Market Insight2, il riconoscimento dei gesti nel solo settore automotive ha generato nel 2022 un fatturato complessivo pari a 644 milioni di dollari. Si tratta comunque di un mercato in forte crescita, che dovrebbe raggiungere quota 3,25 miliardi di dollari entro il 2032, con un tasso di crescita su base annua del 18,2%.
Considerazioni conclusive
La consapevolezza dell’ambiente circostante è fondamentale per conferire alle macchine una maggiore autonomia di movimento o consentire loro di individuare l’avvicinarsi di eventuali pericoli. Per questo scopo è possibile far ricorso ai sensori di immagini ma, poiché questi ultimi sono in grado di identificare e monitorare le persone, il loro utilizzo comporta l’insorgere di problemi legati alla privacy.
L’introduzione di tecnologie alternative, come i radar a onde millimetriche, possono fornire la consapevolezza del contesto operativo richiesta, eliminando nel contempo i problemi di privacy in quanto non registrano immagini di volti. A differenza della gran parte dei sensori di immagini infatti, i radar a onde millimetriche a 60 GHz possono operare su distanze inferiori a 100 metri e in condizioni atmosferiche avverse, motivo per cui vengono adottati da un numero sempre maggiore di progettisti.
Riferimenti
2 – https://www.gminsights.com/industry-analysis/automotive-gesture-recognition-market
