I sensori 3D time-of-flight (TOF) hanno rivoluzionato il modo di acquisire le informazioni sulla distanza, aprendo la strada a una serie di applicazioni interessanti in diversi campi. Il sensore 3D TOF basa il proprio funzionamento sulla misurazione del tempo impiegato dalla luce per percorrere il cammino di andata, dalla sorgente verso un oggetto riflettente, ed il cammino di ritorno in direzione opposta verso il ricevitore. La sorgente luminosa è tipicamente un laser oppure un LED a infrarossi (IR), mentre il ricevitore è formato da un sensore che rileva la luce riflessa. Misurando con precisione il tempo impiegato dalla luce a percorrere il cammino di andata e ritorno, il sensore è in grado di calcolare la distanza dall’oggetto, catturando così una rappresentazione tridimensionale della scena.
Affinché l’informazione relativa alla distanza sia il più possibile accurata, la misura del tempo deve essere estremamente precisa, spesso fino all’ordine del picosecondo. La funzionalità 3D è resa possibile dalla presenza di una matrice di sensori di prossimità sensibile alla luce riflessa (noti anche come ‘pixel’). L’ampiezza del fascio di luce trasmessa dal laser determina poi il numero di pixel illuminati dal fascio di luce riflessa.
Oltre al field-of-view, un’altra caratteristica importante di questi sensori è la loro capacità di acquisire informazioni sulla distanza in tempo reale. L’elevata velocità di acquisizione consente un rilevamento istantaneo e continuo della profondità, rendendoli ideali per le applicazioni che richiedono un monitoraggio e un tracciamento dinamico.
Non va inoltre trascurata l’elevata robustezza offerta dal sensore 3D TOF, anche nelle condizioni operative più critiche. Infatti, è nota la loro efficacia in un’ampia gamma di condizioni di illuminazione, sia outdoor che indoor, compresi gli ambienti con scarsa luminosità.
Rispetto ad altre tecnologie di rilevamento della distanza, come la scansione 3D a luce strutturata, i sensori 3D TOF hanno il pregio di essere meno influenzati dalle interferenze della luce ambientale.
Il sensore 3D TOF di Broadcom
La famiglia di sensori integrati AFBR-S50 di Broadcom è stata progettata per un’accurata misura della distanza e rilevamento del movimento. Il sensore, visibile in Figura 1, è basato sul principio ottico del time-of-flight e include:
- Sorgente di luce laser nella gamma infrarossi (IR). Il laser è di Classe 1, quindi non è pericoloso anche in caso di esposizione prolungata alla sorgente luminosa;
- Ricevitore ottico composto da una matrice di pixel. Le diverse versioni appartenenti alla stessa famiglia differiscono per il numero di pixel illuminati dalla luce riflessa, che a loro volta determinano il FOV;
- Gruppo di lenti per la collimazione del fascio luminoso.
Scarica le principali caratteristiche tecniche della famiglia di sensori AFBR-S50: qui trovi il Datasheet completo.
Fattori chiave del sensore AFBR-S50
I principali vantaggi offerti dal sensore AFBR-S50 di Broadcom sono i seguenti:
- Immunità estremamente elevata alla luce ambiente, fino a 100klux e oltre. Ciò consente un agevole utilizzo dello strumento di misura della distanza nelle diverse condizioni di illuminazione. Grazie alla soppressione della luce ambientale, l’utilizzo in ambienti esterni è possibile anche alla luce del sole;
- Dimensioni estremamente compatte, che si traducono in PCB più piccoli con conseguente risparmio sui costi del prodotto finale;
- Elevato frame rate (fino a 3kHz) ed elevata accuratezza della misura. La tecnologia è stata sviluppata con particolare attenzione alle applicazioni che richiedono la massima velocità e precisione a media distanza, con dimensioni ridotte e un assorbimento di potenza molto basso.
In definitiva, l’AFBR-S50 è uno dei sensori di misura TOF maggiormente flessibili disponibili sul mercato. Il componente offre un’eccellente sensibilità combinata con una gamma dinamica molto ampia e con la soppressione della luce ambiente, oltre a supportare cicli di misura molto brevi.
A differenza dei sensori di misura laser tradizionali, il sensore di Broadcom utilizza diversi pixel simultaneamente per consentire il rilevamento del movimento dell’oggetto in tre dimensioni (3D).
Applicazioni del sensore 3D TOF AFBR-S50
I sensori 3D TOF sono molto versatili e trovano ampio impiego nella robotica, nella realtà aumentata (AR) e virtuale (VR), nel riconoscimento dei gesti, nella scansione 3D, nel tracciamento degli oggetti e persino in applicazioni automobilistiche come i sistemi di assistenza alla guida.
Questi sensori consentono inoltre una maggiore interazione con l’utente. Con i sensori TOF 3D, l’interazione uomo-macchina diventa più intuitiva e naturale, permettendo il riconoscimento e il tracciamento dei gesti e facilitando il controllo e l’interazione senza contatto con dispositivi e sistemi.
Un elenco delle possibili applicazioni del sensore AFBR-S50, incluse quelle più innovative ed emergenti, è il seguente:
- Automazione di fabbrica;
- Rilevamento industriale;
- Livello di riempimento di merci/palette;
- Occupazione nei contenitori;
- Rilevamento di presenza;
- Logistica – Misurazione delle merci;
- Robotica – Navigazione e rilevamento delle collisioni;
- Sicurezza funzionale in HMI;
- Messa a fuoco automatica ad alta velocità;
- Convalida della telecamera stereo;
- Navigazione di droni in aree prive di GPS;
- Navigazione AMR, AGV e UAV all’aperto.
Dai droni, alle esperienze di gioco immersive, alla robotica avanzata e ai veicoli autonomi, i vantaggi dei sensori 3D TOF si estendono a numerosi settori e continuano a promuovere l’innovazione. Con il progredire della ricerca e dello sviluppo in questo campo, possiamo aspettarci applicazioni e progressi ancora più interessanti nel mondo del rilevamento della distanza e dell’imaging 3D.
Caratteristiche del prodotto
- Elevata velocità di acquisizione (frame rate) della misura di distanza. L’operazione viene eseguita fino a 3.000 volte al secondo, garantendo misure sempre in tempo reale;
- Operatività anche in presenza di elevata intensità luminosa, fino a 200 kLux;
- Ricevitore a matrice di pixel per il rilevamento 3D del movimento;
- Sorgente di clock integrata e calibrata;
- Elevata accuratezza, tipicamente inferiore a ± 1%;
- Determinazione non ambigua della distanza fino a 100 metri (ottenibile con frame rate massimo pari a 100 Hz e nella modalità a doppia frequenza);
- Pixel di riferimento per il monitoraggio dello stato di salute del sensore;
- Laser di Classe 1;
- Dimensioni estremamente compatte;
- Interfaccia digitale SPI per la comunicazione con un microcontrollore host.
Reference design PCB
Per accelerare lo sviluppo di un progetto basato sul sensore AFBR-S50, o per permettere ai progettisti di valutarne le prestazioni, Broadcom mette a disposizione il reference design visibile in Figura 2. Caratterizzato da un fattore di forma estremamente ridotto, il reference design include un set completo di connettori, tra cui due interfacce CAN, interfacce UART, USB e SWD. Inoltre, la scheda è compatibile con il Pixhawk Flight Controller, consentendo una facile integrazione in applicazioni come i droni.
La famiglia di sensori è supportata da un completo Software Developer Kit (SDK) per ARM Cortex M0+ o superiore, corredato di una ricca serie di funzioni di configurazione e valutazione.
