Principios básicos sobre la medición a distancia y el reconocimiento de gestos al usar los sensores ToF

Por Steve Leibson

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Muchas aplicaciones necesitan detectar la presencia de objetos físicos o la distancia que hay hacia ellos sin tocarlos. Esta necesidad de detectar la distancia ha llevado a varias soluciones contrapuestas, incluido el uso de sensores ópticos de tiempo de vuelo (ToF, por sus siglas en inglés). Si bien estos sensores son precisos, han resultado costosos y complejos a la hora de implementarlos. Sin embargo, existen soluciones recientes que simplificaron en gran medida el uso de esta tecnología.

La lista de productos que utilizan sensores de distancia incluye a los sistemas de cámaras con autofoco, los robots y los drones, una variedad de accesorios sanitarios y los sensores de acceso a portales para puertas automáticas. Estos son solo algunos ejemplos y la lista sigue creciendo. Las tecnologías competitivas sobre sensores de distancia comienzan con sensores ultrasónicos e infrarrojos simples y gradualmente se desarrollan hasta llegar a ser sistemas de sensores más complejos, como videocámaras estereoscópicas con redes neuronales.

Todas estas tecnologías tienen sus limitaciones y, mientras que la inteligencia artificial puede ser necesaria para realizar tareas complejas, como el reconocimiento de objetos y la localización de vehículos autónomos, la tecnología es excesiva para expender toallas de papel y jabón. Los diseñadores, al enfrentarse con una disminución constante de presupuesto y ventanas de diseño, necesitan minimizar los costos, el espacio y el tiempo de diseño.

Una de las alternativas que se puede considerar para la detección de distancias son los sensores ToF. Estos miden la distancia que hay con el objetivo al cronometrar el viaje de ida y vuelta de los fotones al desplazarse desde el sensor hasta el objeto y volver al sensor. Hasta la fecha, ha sido difícil implementar los diseños de ToF de manera rápida y a bajo costo, pero las nuevas generaciones de sensores ToF altamente integrados y económicos hacen ahora posible llevar la detección sin contacto de alta precisión a diseños de más bajo costo.

Este artículo analizará la evolución y el uso de la tecnología para medir distancias, incluidos los sensores ToF, en diferentes aplicaciones tanto para la detección de distancia como para el reconocimiento de gestos. A continuación, describirá el funcionamiento de la tecnología de sensores ToF antes de introducir algunas de las últimas soluciones y cómo comenzar a trabajar con ellas.

Los primeros sensores de distancia.

La cámara instantánea Polaroid SX-70, presentada en 1972, incorporó muchas tecnologías innovadoras, incluidos un diseño óptico de tres espejos completamente plegables, lentes de Fresnel, una batería descargada de 6 voltios incorporada en el paquete de película instantánea y un flash de diez disparos. Sin embargo, una de las tecnologías más influyentes que Polaroid introdujo en las cámaras SX-70 fue el SONAR Autofocus System (sistema de autofoco SONAR), el cual apareció por primera vez en la cámara Polaroid SONAR OneStep que se presentó en 1978 (Figura 1). El SONAR Autofocus System utilizó un transductor ultrasónico innovador tanto para transmitir el pulso de alcance ultrasónico como para recibir la energía de ultrasonido reflejada.

Imagen de una cámara Polaroid SONAR OneStep SX-70

Figura 1: La cámara Polaroid SONAR OneStep SX-70 incorporó un transductor ultrasónico (el círculo grande y dorado en la parte superior de la cámara) para el alcance del autofoco. (Fuente de la imagen: Wikipedia)

El sensor ultrasónico del sistema SONAR fue tan exitoso que Polaroid creó un negocio solamente sobre el sensor; hoy en día, se pueden encontrar ecos del sensor de autofoco y del sensor de ultrasonido Polaroid. Por ejemplo, el módulo económico de rango ultrasónico SparkFun SEN-13959 HRC-SR04 es un sensor de distancias con transductores de transmisión y de recepción separados (Figura 2). El sensor fue diseñado para ser controlado directamente por el procesador de desarrollo Arduino. El rango del sensor se extiende de 2 a 400 centímetros (cm) y está determinado para ser capaz de medir la distancia sin contacto con una resolución mínima de 3 milímetros (mm).

Imagen del módulo de rango ultrasónico SparkFun’s SEN-13959

Figura 2: El módulo de rango ultrasónico SparkFun’s SEN-13959 utiliza pulsos reflejados de 40 kHz para detectar la distancia. (Fuente de la imagen: SparkFun)

Para medir la distancia con este módulo, el procesador Arduino (u otro controlador) envía un pulso de 10 microsegundos (µs) a la patilla de disparo del procesador, la cual dispara una serie de ocho pulsos cortos de ultrasonido que emite el transmisor ultrasónico. Los pulsos de sonido alcanzan al objetivo y vuelven reflejados; viajan a 343 metros (m) por segundo (en un ambiente típico que esté a 20 °C). La distancia al objetivo es el tiempo que transcurre entre la transmisión y la recepción de los pulsos ultrasónicos, multiplicado por 343 metros por segundo y dividido por dos (para contar la ida y la vuelta).

Los pulsos ultrasónicos se reflejan bien en superficies duras y en menor medida cuando rebotan en superficies como cortinas, alfombras, telas y mascotas. La precisión en las mediciones dependerá del método que se utilice para cronometrar los pulsos. Esa capacidad de controlar el tiempo no existe en un módulo SparkFun SEN-13959. Este depende del CPU (unidad central de procesamiento) receptor para un cronometraje preciso. Además, la precisión y la estabilidad de las mediciones de distancia desde un sensor ultrasónico varían según la temperatura del aire (la cual altera la velocidad del sonido en el aire) y el movimiento del aire (el cual arrastra mucha de la energía de ultrasonido reflejada y atenúa la señal de retorno).

Los LED infrarrojos (IR) también han sido utilizados para mediciones de distancia y detección de proximidad. Por ejemplo, el sensor de medición de distancia Sharp Microelectronics GP2Y0A41SK0F puede detectar objetos a distancias que van desde los 4 cm a los 30 cm, según cuál sea la intensidad de la luz infrarroja reflejada que se envía desde un LED IR (Figura 3). El sensor produce un voltaje analógico que va desde 3 voltios o más (lo que corresponde a una distancia de 3 cm) hasta aproximadamente 0.3 voltios (lo que corresponde a una distancia de 40 cm) para indicar la distancia del objeto. El controlador receptor es el que convierte este voltaje analógico en una representación digital.

Imagen del sensor de medición de distancia infrarrojo Sharp GP2Y0A41SK0F

Figura 3: El sensor de medición de distancia infrarrojo Sharp GP2Y0A41SK0F puede detectar objetos en distancias que van desde los 3 cm a los 40 cm. (Fuente de la imagen: Sharp Microelectronics)

Sin embargo, debido a que la distancia del objeto está basada en la cantidad de energía IR reflejada, la precisión de este tipo de sensor IR está sujeta a error por variables como el índice de reflexión del objeto y la intensidad de la luz ambiental.

Otra manera de medir la distancia del objeto con luz infrarroja es cronometrar el vuelo de los fotones a partir de que se desplazan desde el emisor infrarrojo del sensor hasta el objeto, reflejan y vuelven al sensor. Este tipo de sensor de medición de distancia combina las características ToF del sensor de ultrasonido con la imperturbabilidad relativa de la velocidad del fotón, que no se ve afectada por el aire en movimiento, la luz ambiental o los índices de reflexión de los objetos.

Hasta hace poco, era difícil cronometrar el vuelo de los fotones que viajan a través de distancias mínimas, ya que la luz viaja a 299,792,458 metros por segundo o, como norma general, alrededor de un pie por nanosegundo. Como consecuencia, los sensores ToF necesitan un cronometraje muy preciso y de un subnanosegundo para detectar distancias de unos pocos milímetros, centímetros o incluso pulgadas.

Sin embargo, gracias a la industria de los videojuegos, la tecnología de sensores ToF se ha vuelto mucho más económica. Quizás el uso más conocido de los sensores ToF hasta el momento sea el controlador de juegos Microsoft’s® Kinect (Figura 4). La primera generación de Microsoft Kinect se introdujo a finales de 2010 como un controlador secundario para la videoconsola Xbox 360 de la empresa. Este controlador tuvo gran aceptación entre los constructores de robots, ya que era capaz de generar mapas tridimensionales del entorno inmediato de los robots a través del uso de los sensores de distancia ToF.

Imagen del controlador Microsoft Xbox 360 Kinect

Figura 4: El controlador Microsoft Kinect para la consola de videojuegos Xbox 360 de la empresa utiliza los sensores ToF para crear un mapa tridimensional del entorno. (Fuente de la imagen: Wikipedia)

La tecnología de detección del controlador Kinect ha sido miniaturizada y simplificada para crear sensores de medición de distancia prácticos y que sean apropiados para muchas aplicaciones integradas.

Tecnologías VCSEL y SPAD

Por ejemplo, STMicroelectronics ahora tiene una línea multigeneracional de sensores ToF miniatura para medir la distancia. Estos sensores se basan en unas tecnologías de base extremadamente modernas, que incluyen los láseres de emisión superficial con cavidad vertical infrarroja (VCSEL, por sus siglas en inglés) y matrices de fotodiodos de avalancha de fotón único (SPAD, por sus siglas en inglés).

Tres de los sensores en esta línea de sensores ToF son el VL53L0CX, el VL53L1CX y el VL6180X. Si bien los tres sensores miden la distancia, cada uno de ellos tiene capacidades diferentes.

La primera generación de sensores ToF, los sensores VL6180X, mide distancias en un rango que va de unos pocos milímetros hasta 100 milímetros (Figura 5). Este sensor mide 4.8 x 2.8 x 1.0 mm y tiene un campo visual de 42 grados. También tiene incorporado un sensor de luz ambiental que le permite compensar los cambios en la iluminación ambiental.

Imagen del sensor VL6180X de la primera generación de sensores de STMicroelectronics

Figura 5: El sensor VL6180X de la primera generación de sensores de STMicroelectronics tiene un rango máximo de 100 milímetros. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

La segunda generación de sensores ToF, los sensores VL53L0CX, tiene un rango para interiores que va desde los 50 mm hasta los 1200 mm cuando trabaja frente a un objetivo blanco (Figura 6). Este sensor mide 4.4 x 2.4 x 1.0 mm y tiene un campo visual de 25 grados. Debido a la luz ambiental, el rango máximo del sensor se reduce de 600 mm a 800 mm cuando se lo utiliza en el exterior.

Imagen del sensor VL53L0CX de la segunda generación de sensores de STMicroelectronics

Figura 6: El sensor VL53L0CX de la segunda generación de STMicroelectronics tiene un rango máximo de 1200 milímetros. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

La tercera generación de sensores ToF, los sensores VL53L1CX, tienen tres rangos de distancia (Figura 7). Sin luz ambiental, la distancia máxima en los rangos de corta, media y larga distancia es de 1360 mm, 2900 mm y 3600 mm para un objetivo blanco. Con una luz ambiental fuerte, la distancia máxima en los rangos de corta, media y larga distancia es de 1350 mm, 760 mm y 730 mm. Contrario a lo que indica la lógica, el rango de corta distancia tiene el alcance más largo si la luz ambiental es fuerte.

El sensor VL53L1CX mide 4.9 x 2.5 x 1.56 mm y tiene un campo visual máximo de 27 grados. (El campo visual de este sensor puede programarse y puede reducirse, como se explica a continuación).

Imagen del sensor VL53L1CX de la tercera generación de sensores de STMicroelectronics

Figura 7: El sensor VL53L1CX de la tercera generación de sensores de STMicroelectronics tiene un rango máximo de aproximadamente 4 m. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Estos tres sensores ToF informan las distancias con una resolución de 1 mm a un procesador receptor a través de una interfaz I2C digital que también sirve como puerto de control de los sensores. Dado que todos estos sensores utilizan una interfaz I2C, es extremadamente simple conectarlos a un procesador receptor (Figura 8).

Diagrama del sensor VL53L1CX de la tercera generación de sensores de STMicroelectronics

Figura 8: Como los anteriores sensores de la familia, los sensores VL53L1CX de la tercera generación de sensores de STMicroelectronics se conectan al procesador receptor utilizando una conexión I2C simple. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Téngase en cuenta el requisito de derivación bien concreto para las líneas AVDDVCSEL y AVDD de suministro eléctrico. Los capacitores de derivación de 100 nanofaradio y 4.7 microfaradio tienen que ubicarse lo más cerca del sensor que sea posible para evitar que los ruidos del suministro eléctrico interfieran con el sensor y degraden la precisión.

Todos estos sensores ToF son esencialmente unidimensionales. Informan sobre la distancia con objetos dentro de sus campos visuales. Si en el campo visual hay varios objetos, estos sensores dicen cuál es la distancia con el objeto más cercano. Un sensor solo no puede detectar la dirección del gesto de una sola mano, pero sí puede utilizarse para detectar cuatro gestos simples, incluidos:

  1. Presionar una vez (la mano baja para “presionar” al sensor)
  2. Presionar dos veces
  3. Deslizar una vez (la mano se desliza a través del campo visual del sensor)
  4. Deslizar dos veces

Se puede obtener información sobre los gestos y los movimientos de uno de estos sensores ToF al utilizar uno, dos o más sensores para detectar gestos y movimientos en varias dimensiones. También, se pueden agrupar a estos sensores ToF de a dos para discernir los movimientos que hace la mano de izquierda a derecha y de derecha a izquierda.

Además, se puede obtener más información del sensor de distancia VL53L1CX de la tercera generación al reducir de manera selectiva el campo visual de este. Esto se logra al desconectar los SPAD individuales en la matriz del sensor a partir del envío de comandos al sensor a través de la interfaz I2C. La matriz SPAD del sensor de distancia VL53L1CX está formada por 256 fotodiodos en una matriz de 16 x 16. Puede activarse cualquier parte cuadrada o rectangular de la matriz a través de comandos de software que especifiquen cuáles son las dos esquinas del cuadro que rodea a los SPAD en la matriz que deberían activarse. Al reducir el número de elementos activos, se reducen el campo visual y el área de interés del sensor. El único requisito es que al menos 16 de los SPAD tienen que estar activos, como una matriz de fotodiodos de 4 x 4, aunque también se permiten matrices más grandes.

Diseñar con sensores ToF

Para darle el puntapié inicial a un diseño, el sensor de distancia VL53L1CX tiene un kit complementario de evaluación, el P-NUCLEO-53L1A1. Este incluye la placa de evaluación STM32F401RE Nucleo, basada en un microcontrolador STM32 de STMicroelectronics, y la placa de expansión X-NUCLEO-53L1A1 que se monta en la placa del microcontrolador y que admite dos tableros de ruptura VL53L1X (también incluidos en el kit) (Figura 9).

Imagen del kit de evaluación P-NUCLEO-53L1A1 de STMicroelectronics

Figura 9: El tablero de ruptura del sensor incluido en el kit de evaluación P-NUCLEO-53L1A1 de STMicroelectronics incluye un sensor de distancia ToF V53L1X montado directamente en la placa. La placa admite dos sensores V53L1X más que se pueden conectar a los tableros de ruptura. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

El kit de evaluación P-NUCLEO-53L1A1 incluye también software del sistema y ejemplos de código fuente para un inicio de desarrollo rápido. STMicroelectronics ofrece también módulos de expansión de detección de gestos y de rango ToF para el paquete de desarrollo de software STM32Cube. Estos módulos de expansión son propios de los sensores individuales y pueden descargarse de manera gratuita directamente desde STMicroelectronics.

Dado que estos sensores ToF de STMicroelectronics son bastante pequeños, encajan en casi cualquier lugar que un diseñador imagine. Aquí se ofrecen algunos ejemplos de aplicación para alentar a la imaginación:

  • Sensores generales de distancia para robots
  • Dispensadores sin contacto de jabón y de toallas de papel
  • Cisternas sin contacto de urinarios y de inodoros
  • Grifos sin contacto de lavabos
  • Sensores de seguimiento de muros y sensores para evitar objetos para aspiradoras robóticas
  • Detectores de presencia de operadores de bajo costo para computadoras portátiles y para monitores
  • Detección simple de gestos y presencia para quioscos de venta al por menor
  • Manejo de inventario físico para máquinas expendedoras
  • Contador de monedas para máquinas expendedoras
  • Estanterías inteligentes que manejen automáticamente inventarios para tiendas sin cajero
  • Detección de distancia con respecto al suelo para drones
  • Detección de distancia con respecto al techo para drones de interiores

A diferencia de los detectores de distancia basados en sensores ToF bidemensionales o cámaras estéreo y redes neuronales, el costo de estos sensores de distancia ToF de STMicroelectronics integrados es relativamente bajo; esto hace posible que puedan incorporarse dentro de una variedad de productos finales diseñados para ser vendidos en un rango de precios amplio.

Conclusión

Hay muchas tecnologías disponibles para medir la distancia, incluidas la óptica y la ultrasónica, y hay muchas soluciones buenas que están basadas en estas tecnologías. Sin embargo, una de las más nuevas de estas tecnologías para medir la distancia son los ToF (sensores de tiempo de vuelo). Estos miden la distancia que hay a un objetivo a través del cronometraje del tiempo que le lleva a un fotón al dejar el sensor, dirigirse hasta el objetivo y reflejarse de nuevo hacia el sensor.

El surgimiento de los sensores integrados que incorporan emisores y receptores infrarrojos y los circuitos necesarios para el cronometraje en subnanosegundos de los tiempos de desplazamiento fotónicos, hacen rentable el uso de esta tecnología. Los kits de desarrollo relacionados también permiten la experimentación y desarrollar prototipos de manera más rápida.

Descargo de responsabilidad: Las opiniones, creencias y puntos de vista expresados por los autores o participantes del foro de este sitio web no reflejan necesariamente las opiniones, las creencias y los puntos de vista de Digi-Key Electronics o de las políticas oficiales de Digi-Key Electronics.

Información sobre el autor

Steve Leibson

Steve Leibson fue ingeniero de sistemas para HP y Cadnetix, editor en jefe de EDN y Microprocessor Report, blogger tecnológico de Xilinx y Cadence (entre otros), y se desempeñó como experto en tecnología en dos episodios de "The Next Wave with Leonard Nimoy". Ha ayudado a los ingenieros de diseño a desarrollar sistemas mejores, más rápidos y más confiables durante 33 años.

Información sobre la editorial

Editores de Digi-Key de América del Norte