Sistema de tiempo de vuelo para medir la distancia y detectar objetos

La medición de distancias y la detección de objetos desempeñan un papel importante en muchos ámbitos, ya sea en la automatización de fábricas, las aplicaciones robóticas o la logística. Especialmente en el contexto de la seguridad, es necesario detectar y reaccionar ante objetos o personas a determinadas distancias. Por ejemplo, un brazo robótico puede tener que detenerse inmediatamente cuando un trabajador entra en su zona de peligro.

El tiempo de vuelo (ToF) es cada vez más importante para este fin. Con la tecnología ToF, se emite luz desde una fuente modulada, como un láser, y los haces de luz reflejados por uno o varios objetos son captados por un sensor o cámara. Así, la distancia puede determinarse mediante el retardo ∆t entre el momento en que se emite la luz y el momento en que se recibe la luz reflejada. El retraso es proporcional al doble de la distancia entre la cámara y el objeto (ida y vuelta). Por tanto, la distancia puede estimarse como la profundidad d = (c × Δt)/2, donde c es la velocidad de la luz. Por tanto, una cámara ToF emite datos 2D junto con la información de profundidad necesaria.

Figura 1: Principio de la medición del tiempo de vuelo.

La ToF permite grabar toda la imagen a la vez. No es necesario el escaneo línea a línea ni el movimiento relativo entre el sensor y los objetos observados. El ToF se suele clasificar como LIDAR (light detection and ranging), pero es un enfoque basado en el LIDAR de destello, más que en el LIDAR de barrido.

Existen esencialmente dos formas diferentes de medir el tiempo de vuelo del pulso de luz con ToF: el funcionamiento pulsado, que se basa en la tecnología de dispositivos de carga acoplada (CCD), y el funcionamiento de onda continua (CW).

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Mientras que el tiempo entre la transmisión y la recepción del pulso de luz se mide en el modo pulsado, el desplazamiento de fase entre los pulsos de luz modulados transmitidos y recibidos se determina en el modo CW. Ambos modos de funcionamiento tienen ventajas e inconvenientes. El modo pulsado es más resistente a la luz ambiental y, por tanto, más adecuado para aplicaciones en exteriores, ya que esta tecnología suele basarse en pulsos de luz de alta energía emitidos en ráfagas muy cortas durante una breve ventana de integración. Mientras que el modo CW puede ser más fácil de implementar, ya que la fuente de luz no necesita ser extremadamente corta, con bordes rápidos de subida/bajada. Sin embargo, si los requisitos de precisión se vuelven más estrictos, serán necesarias señales de modulación de mayor frecuencia y pueden ser difíciles de aplicar.

Los tamaños de píxel existentes dan lugar a resoluciones de chip elevadas, que permiten no sólo medir distancias, sino también reconocer objetos y gestos. Las distancias a medir van desde unos pocos cm (<10 cm) hasta varios metros (<15 m).

Por desgracia, no todos los objetos pueden detectarse en el mismo grado. El estado, la reflectancia y la velocidad del objeto afectan al resultado de la medición. El resultado de la medición también puede verse distorsionado por factores ambientales como la niebla o la luz solar intensa. La supresión de la luz ambiental ayuda a resolver este último problema.

Los fabricantes de semiconductores, como Analog Devices, Inc (ADI), ofrecen sistemas completos de ToF 3D para apoyar la rápida implementación de soluciones de ToF 3D. Integran el procesamiento de datos, el controlador del láser, la gestión de la energía y el software/firmware en una unidad para la electrónica de control, entre otras cosas. Los demás componentes son un transmisor que emite la señal óptica modulada en frecuencia y un detector que registra la señal reflejada. En la Figura 2 se muestra un diagrama de bloques.

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Figura 2. Diagrama de bloques de un sistema ToF.

Componentes como un extremo frontal analógico (AFE) con cálculo de profundidad incorporado son de gran ayuda para quien desee construir un sistema de este tipo. El ADDI9036, entre otros, ofrece esta función. Se trata de un completo procesador de señales CCD ToF con un controlador de diodos láser integrado, un ADC de 12 bits y un generador de reloj de alta precisión que genera la sincronización del CCD y el láser. El ADDI9036 se encarga de procesar los datos de la imagen en bruto de un CCD VGA para obtener los datos de profundidad/píxeles.

ADI también trabaja con socios de diseño, con los que podemos ofrecer conjuntamente módulos finitos y plataformas de desarrollo. Estos sistemas de evaluación pueden utilizarse para desarrollar algoritmos específicos para el cliente. Los módulos y plataformas finitos permiten un desarrollo más rápido, lo que es especialmente importante en sectores sensibles al tiempo, como la ingeniería industrial y de automoción.

Referencias

imágenes en 3D con tecnología de tiempo de vuelo ADI. Analog Devices, Inc, 2020.

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