É Tempo di … Volare (ToF)

Vi siete mai chiesti se non sia tempo di far volare i vostri progetti o di pensare ad un progetto che sfrutti il tempo di volo?

Non si tratta di una proposta per una nuova vacanza o un nuovo viaggio ma quello che vogliamo proporvi si riferisce alla consolidata era dei dispositivi che sfruttano la tecnologia del Time of Fly (ToF).

Questa tecnologia sta invadendo i più svariati campi dell’infotainment e delle applicazioni di riconoscimento e misura visuali.

Vi ricordate il famoso film “Minority Report” uscito nel 2002 tratto dal romanzo di fantascienza di Philip K. Dick, dove in un lontano futuro 2054 era possibile prevedere i crimini prima che questi fossero commessi?

Beh … non siamo ancora in grado di prevedere i crimini in anticipo sfruttando i Precog ma sicuramento oggi è possibile realizzare un’interfaccia per un computer, infotainment o smart TV che accetti comandi basati su gesti precisi effettuati con le mani … nel vuoto!

Nel film di fantascienza venivano usati dei guanti con tre polpastrelli luminosi che davano l’idea di poter individuare la posizione delle dita. Nella tecnologia che verrà trattata di seguito non vi è la necessità di nessun guanto né tantomeno di target luminosi o sensori installati in corrispondenza dei polpastrelli delle mani!

Il tutto risulta possibile semplicemente utilizzando le attuali tecnologie in commercio, scrivendo un opportuno firmware e software ed integrando il tutto su un PCB disegnato ad hoc composto da componenti elettronici commerciali utilizzando Altium..

Partiamo per ordine parlando di come possa oggi essere possibile eseguire dei comandi a distanza con il solo gesto delle mani ed usando una apposita telecamera.

Il principio di funzionamento utilizzato si chiama tempo di volo ottico (Optical Time of Fly) e sfrutta una sorgente di luce, la velocità di propagazione della luce stessa ed un sensore ricevente ottico.

Misurando l’intervallo di tempo tra quando viene emesso un impulso ottico dalla sorgente a quando questo ritorna indietro. riflesso da un oggetto, si può calcolare la distanza dell’oggetto dalla sorgente di luce. Il principio è molto simile a quello che accade quando si urla all’interno di una grotta e si sente l’eco della nostra voce.

Esistono diverse tecnologie che sfruttano un “eco” di una sorgente per rilevare una distanza, come per esempio le misure ad ultrasuoni, quelle con onde elettromagnetiche ed infine quelle ottiche.

In questa trattazione parleremo esclusivamente della tecnica ToF ottica.

La seguente figura 1 rappresenta una schematizzazione del sistema dove sulla destra è presente la sorgente di luce (tipicamente un led o un laser) ed il sensore ricevente (tipicamente un fotodiodo)

Il ToF ottico si suddivide a sua volta in due categorie in base al principio con cui viene misurata la distanza ed in particolare in base al segnale emesso dalla sorgente.

ToF diretta

La prima categoria è definita come ToF diretta. In questo caso un impulso ottico viene emesso dalla sorgente e viene misurato il tempo che questo impulso impiega per arrivare all’oggetto, poi venir riflesso e quindi venir rilevato dal sensore ottico.

La formula per calcolare la distanza di un oggetto dalla sorgente ottica radiante è la seguente:

Dove ∆t è il tempo che intercorrente tra l’invio di un impulso ottico e la sua ricezione e dove c è ovviamente la velocità della luce (299792458 ≈3∙10⁸ m/s). Nella seguente figura abbiamo schematizzato il principio di funzionamento.

Figura 1 Schema di principio del ToF; la distanza misurata è proporzionale al tempo impiegato dalla luce nel percorrere lo spazio tra la sorgente e il sensore ricevente.

ToF indiretta

In questo caso il segnale ottico emesso è un’onda periodica (modulata) approssimabile ad un’onda quadra con frequenza caratteristica f_e. Il segnale ricevuto sarà anch’essa una onda periodica avente però un ritardo di fase pari a φ.

In questo caso la formula per calcolare la distanza è la seguente:

In questo caso il sistema dovrà ricevere diversi periodi di impulsi riflessi prima di poter identificare lo sfasamento.

Il sistema indiretto ha però un limite di distanza massima sopra la quale i segnali inviati e riflessi si sovrappongono (aliasing); questo sfasamento massimo è pari al semiperiodo dell’onda emessa:

Quindi per aumentare la distanza di misura massima bisogna diminuire la frequenza del segnale modulato emesso (ovviamente entro determinati limiti legati a fattori quali il rapporto segnale rumore); per esempio volendo misurare la distanza di oggetti fino a 2m si deve emettere un segnale modulato con frequenza di 75MHz.

I principali vantaggi del ToF ottico sono quello di essere indipendente dal colore dell’oggetto e dalla sua riflettività; un altro vantaggio è la rapidità della risposta (proprio perché sfrutta la velocità della luce); la possibilità di cancellare la luce ambiente; il ToF risulta inoltre indipendente dalla umidità dalla pressione e dalla temperatura dell’aria.

Inoltre, le dimensioni ridotte della componentistica elettronica in commercio permettono di progettare dispositivi compatti dotati di emettitori/ricevitori montati superficialmente o montati all’interno di un involucro sul quale sono presenti piccoli fori che permettono il passaggio della luce.

In generale la sorgente è un fotodiodo avente una specifica lunghezza d’onda. Il ricevitore può essere un fotodiodo ultrarapido tipo PN, PIN o a valanga.

Sia per l’emettitore che per il ricevitore possono essere disegnate apposite lenti ottiche.

Esistono sistemi ToF in cui sono presenti più sorgenti di luce che emettono specifici segnali modulati. Vengono anche utilizzati come sensori un array di pixels per applicazioni quali il ToF 3D.

A questo punto l’argomento potrebbe essere ampliato ed approfondito ulteriormente ma lasciamo alla vostra curiosità e creatività questa successiva fase.

Dopo aver identificato la componentistica che potrebbe essere usata (sorgente fotodiodo, micro controllore ad alte prestazioni, AFE analog front end,…) viene il momento di disegnare lo schema creando un progetto in Altium che potreste per esempio chiamare:

“Sistema_ToF_Rilevamento_Ostacoli.PrjPcb”

In questo progetto create ed aggiungete uno schematico “*.SchDoc” ed ovviamente create il PCB “*.PcbDoc”.

Un’altra cosa che dovrete curare è il download del footprint ed il simbolo dei componenti o a volte dovrete crearli in base ai datasheet in modo da averli a adisposizione nella propria libreria di componenti.

Di seguito troverete alcuni utili riferimenti bibliografici e link che trattano l’argomento.

Bibliografia, Approfondimenti link utili.

Time-of-Flight and Depth Imaging. Sensors, Algorithms and Applications (2013) - Grzegorzek, M., Theobalt, C., Koch, R., Kolb, A. (Eds.)

Time-of-Flight and Structured Light Depth Cameras (2016) - Zanuttigh, P., Marin, G., Dal Mutto, C., Dominio, F., Minto, L., Cortelazzo, G.M.

Time-of-Flight Cameras (2013) - Hansard, M., Lee, S., Choi, O., Horaud, R.P.

TI_Specialty-sensors_ToF

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