Il concetto di Time-of-Flight (Tempo di volo, ToF) è un metodo di misurazione della distanza senza contatto tra un oggetto e un sensore, basato sul tempo trascorso tra l’emissione di un segnale e il suo ritorno dopo essere stato riflesso da un oggetto. Questa tecnologia trova il suo utilizzo in quasi tutte le discipline ingegneristiche, tra cui robotica, applicazioni automotive, rilevamento della presenza, tecnologia medicale e navigazione ottica.

I sensori ToF utilizzano segnali multipli, tra i quali la luce e il suono sono i più utilizzati. I sensori ToF luce-centrici sono stati sostanzialmente sostituiti dal termine più preciso LiDAR. L’automazione delle porte, i sistemi di protezione degli oggetti e i sistemi di gestione del traffico sono solo alcune delle applicazione del LiDAR. Vari dispositivi LiDAR disponibili si basano su meccanismi di rilevamento come LiDAR 1D, 2D e 3D. Questo articolo tratta i concetti base del ToF, i suoi vantaggi e un esempio di applicazione: il LiDAR 2D con Sensori ToF.

Concetti e vantaggi base del ToF:

I sensori ToF calcolano la distanza misurando quanto tempo impiega un impulso di luce a viaggiare dalla sorgente al bersaglio osservato e poi di nuovo al rilevatore. La Figura 1 illustra la procedura in cui il laser punto i fotoni di luce su un obiettivo. Alcuni quanti di luce, dopo aver colpito l’obiettivo, vengono riflessi nel sensore. La seguente formula calcola il tempo di volo:

Valore distanza = Tempo di percorrenza dei fotoni/2 x velocità della luce

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Tempo di volo (ToF)
Figura 1: Principio del tempo di volo

I sensori ToF utilizzano il tempo per calcolare le distanze. Questa misurazione è il tempo impiegato dai fotoni per viaggiare tra due punti. Per calcolare il tempo si impiegano due tecniche: diretta o indiretta. I sensori ToF basati su entrambi i metodi forniscono vantaggi specifici in contesti particolari. Entrambi misurano simultaneamente la distanza e l’intensità di ciascun pixel dell’oggetto. I sensori ToF diretti trasmettono brevi impulsi luminosi che durano pochi nanosecondi e calcolano il tempo necessario affinché la luce emessa ritorni. Il tempo viene calcolato direttamente tramite una base temporale precisa. Il LiDAR è un esempio di sensore ToF diretto.

Il ToF diretto, purtroppo, è laborioso da progettare e non è in grado di scalare adeguatamente ad alte risoluzioni. I sensori ToF indiretti comunicano luce modulata continua. La differenza di fase della luce riflessa viene elaborata per calcolare la distanza dell’oggetto. Una fase nell’onda luminosa è un punto particolare nel tempo del ciclo della forma d’onda ed è misurato come angolo in gradi. Un ciclo completo arriva a 360°.

Un sensore ToF rileva istantaneamente gli oggetti con precisione e non subisce alterazioni dovute a temperatura, umidità e pressione dell'aria. Questo lo rende idoneo all’uso al chiuso e all’aperto. Dà precise misurazioni della distanza. Questa tecnologia non viene influenzata dalle variazioni del cammino ottico, dall’illuminazione ambiente ed è indipendente dalla riflettanza dell’oggetto obiettivo.

Sensori 2D LIDAR che utilizzano il Time-of-Flight:

LiDAR è l’abbreviazione di “Light Detection and Ranging”, una tecnica di calcolo in cui la luce viene utilizzata per misurare la distanza dall’oggetto più vicino. Per misurare la distanza direttamente, la luce viene puntata verso un riflettore o un obiettivo specifico. Tali sensori, che elaborano una singola dimensione (distanza) attraverso questa tecnica, sono denominati sensori 1D o monodimensionali. La rotazione del movimento del raggio di misurazione su un livello indica l’angolo e la distanza, offrendo un risultato bidimensionale. I sensori utilizzati per tali misurazioni sono generalmente noti come sensori LiDAR 2D o scanner laser 2D. Rilevano in “ordine sequenziale” i valori misurati, solitamente a un intervallo di tempo uguale tra una misurazione e l'altra.

I sensori LiDAR, quando girano su se stessi, funzionano in tre dimensioni. L’azione rotatoria offre informazioni relative alla posizione e alla distanza lungo gli assi X, Y e Z. Informazioni identiche possono essere estratte in merito a diversi parametri spaziali se più sistemi di invio e ricezione posizionati presso diversi sensori effettuano la scansione degli angoli orizzontali durante il movimento. Questo viene definito scanner multistrato.

Ora parleremo del 2D basato sul LiDAR su nove sensori ToF VL53L1X a lunga gittata. Crea una semplice mappa della profondità dell’ambiente con un campo visivo (Field of View, FoV) a 180°. Un sistema simile può essere plasmato utilizzando il VL53L1X ULD API (ultra-lite driver application programming interface), insieme a un set di funzioni C che controllano un singolo sensore VL53L1X o più sensori VL53L1X. Questa applicazione 2D LiDAR è un eccellente esempio di come amministrare un gran numero di sensori.

L’intero sistema è realizzato utilizzando il P-NUCLEO-53L1A1 combinato con la scheda di espansione X-NUCLEO-53L1A1 e STM32F401RE NUCLEO, come mostrato nella figura 2. I nove sensori sono applicati alle schede di breakout VL53L1X e condividono un’interfaccia I2C, terra e potenza identiche. Ciascun pin di reset del sensore si connette a un pin GPIO host allocato.

Ciascuno dei nove sensori ha un FoV di 20° per coprire il totale di 180° FoV del LiDAR e il firmware è programmato per dare 13 punti dati per sensore. Pertanto, uno sweep completo a 180° creerebbe in totale 117 punti dati. Il bilancio temporale è di circa 12mS per “zona” dei sensori e ciò equivarrebbe a un tempo di sweep di circa 160mS. Ciò darebbe un frame rate di poco più di 6 FPS. Funzionamento del sistema LiDAR

Sensori VL53L1X
Figura 2: LIDAR 2D con sensori multipli VL53L1X

Il LiDAR 2D viene utilizzato in numerose applicazioni, inclusi veicoli a guida autonoma, agricoltura, misurazioni fluviali, modellamento dell’inquinamento, archeologia e costruzione edile.

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