El sensor multizona de tiempo de vuelo de STMicroelectronics mejora la percepción espacial en sistemas empotrados

Los equipos de electrónica de consumo, los equipos para edificios inteligentes, la maquinaria industrial y los robots móviles necesitan comprender no solo si hay algo cerca, sino también dónde se encuentra dentro de una escena y a qué distancia está. Por ejemplo, una aspiradora robot que solo puede detectar un obstáculo directamente delante de ella seguirá chocando con la pata de una silla que se aproxima desde un lado. Una pantalla inteligente que se activa cuando una mano hace un gesto frente a ella, pero no puede distinguir si esa mano se movió hacia la izquierda o hacia la derecha, también genera una experiencia de usuario frustrante. Un sensor de automatización de edificios que informa la ocupación como una salida binaria no puede distinguir entre una persona sentada en un escritorio y tres personas sentadas alrededor de una mesa de conferencias.

Los sensores de proximidad estándar no cumplen con estas exigencias de múltiples maneras. Por ejemplo, los sensores de reflectancia infrarroja devuelven una señal proporcional a la intensidad de IR reflejada, pero sus lecturas varían según el color del objetivo, el acabado de la superficie y las condiciones de luz ambiental, lo que los hace poco fiables sin un ajuste exhaustivo para cada aplicación. Los sensores de tiempo de vuelo (Time-of-Flight) de una sola zona pueden medir una distancia absoluta independiente de la reflectancia del objetivo, pero reducen todo el campo de visión a un único valor de distancia y, por lo tanto, no pueden localizar objetos espacialmente. Los telémetros ultrasónicos funcionan con una gama más amplia de materiales de superficie, pero tienen velocidades de actualización relativamente lentas, ángulos del haz amplios que dificultan la localización precisa de objetos pequeños y zonas ciegas a corta distancia.

El sensor VL53L8CX de STMicroelectronics combina mediciones de distancia por tiempo de vuelo con resolución espacial multizona en un único módulo miniatura, proporcionando un mapa de profundidad de baja resolución de la escena situada frente al sensor.

Figura 1: sensor VL53L8CX de STMicroelectronics. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

El tiempo de vuelo multizona cambia la ecuación de diseño

La detección por tiempo de vuelo funciona emitiendo un pulso corto de luz infrarroja desde un láser de emisión superficial de cavidad vertical (VCSEL) y midiendo cuánto tarda esa luz en regresar tras reflejarse en los objetos. Dado que la medición depende del tiempo de recorrido de los fotones y no de la intensidad de la señal reflejada, la lectura de distancia resultante es absoluta y se mantiene constante independientemente del color del objetivo o de la reflectancia de la superficie, a diferencia de los sensores basados en reflectancia, que deben calibrarse para cada superficie objetivo.

El VL53L8CX amplía este principio desde un único punto de distancia hasta una cuadrícula de 64 zonas de medición independientes en una matriz de 8 x 8, o 16 zonas en una matriz de 4 x 4, a través de un campo de visión cuadrado de 45° x 45° (65° en diagonal). Cada zona devuelve su propia lectura de distancia y los algoritmos de histograma patentados del sensor le permiten detectar y seguir múltiples objetos a distintas distancias dentro de la misma zona. Si dos objetos se encuentran a distintas distancias a lo largo de la misma línea de visión (por ejemplo, una cerca de malla metálica delante de una pared), el histograma mostrará dos picos distintos y el sensor informará ambas distancias en lugar de promediarlas en un único valor ambiguo.

El procesamiento de histogramas del VL53L8CX ofrece una excelente inmunidad a la diafonía del cristal de cubierta más allá de 60 cm, lo que simplifica el diseño de la carcasa en productos de consumo en los que el sensor está detrás de una ventana protectora. El resultado es un mapa de profundidad de baja resolución, actualizado a velocidades de hasta 15 Hz en modo 8 x 8 o hasta 60 Hz en el modo 4 x 4 más rápido, que captura suficiente información espacial para que el microcontrolador host tome decisiones basadas en zonas sobre la ubicación de obstáculos, patrones de ocupación, dirección de gestos o niveles de llenado de recipientes. La emisión VCSEL de 940 nm es invisible para el ojo humano y cuenta con una certificación de seguridad láser de Clase 1, lo que permite utilizar el sensor en productos de consumo sin recintos de seguridad ni etiquetas de advertencia.

Aplicaciones y configuraciones para robótica, automatización de edificios y control de gestos

El VL53L8CX se comunica mediante I²C (hasta 1 MHz) e interfaz periférica serial (SPI) (hasta 3 MHz), y la opción de SPI resulta útil para aplicaciones que requieren transferencias rápidas de datos al host y un tiempo de inicialización reducido. Esto supone una gran ventaja, ya que el sensor carga aproximadamente 84 KB de firmware al iniciarse, una transferencia que SPI completa considerablemente más rápido que I²C. Además, como el sensor gestiona internamente todo el procesamiento de histogramas y el cálculo de distancias, una unidad de microcontrolador host recibe datos de distancia por zona ya procesados en lugar de recuentos brutos de fotones, lo que ayuda a mantener la carga computacional lo bastante baja como para que incluso un dispositivo modesto de clase Cortex-M0+ o Cortex-M4 pueda gestionar el sensor junto con otras tareas del sistema.

En un robot móvil o una aspiradora autónoma, montar el VL53L8CX en la parte frontal o lateral del chasis puede proporcionar una cuadrícula de profundidad de 8 x 8 que cubra la trayectoria hacia delante. La detección de obstáculos basada en zonas también puede distinguir entre una pared (que llena varias zonas a una distancia uniforme), la pata estrecha de una silla (que aparece en una o dos zonas sobre un fondo más distante) y un desnivel del suelo, como una escalera (donde las zonas inferiores de repente devuelven distancias mayores). Además, la detección de precipicios, la evitación de objetos pequeños, el seguimiento de paredes y el reconocimiento del tipo de suelo pueden implementarse con lógica de comparación de zonas en la unidad de microcontrolador host, con una velocidad de fotograma de hasta 15 Hz en modo 8 x 8 o de hasta 60 Hz cuando la aplicación puede funcionar en modo 4 x 4. Esto suministra al bucle de control datos actualizados de la escena a una velocidad adecuada para la configuración elegida, con el fin de ajustar la dirección y la velocidad en tiempo real.

Figura 2: una aspiradora autónoma. (Fuente de la imagen: Adobe Stock)

La automatización de edificios y los entornos de venta minorista también son posibles casos de uso que requieren una configuración diferente. En este caso, montar el VL53L8CX en el techo o sobre una puerta y orientarlo hacia abajo puede convertir la cuadrícula de 8 x 8 en un mapa de presencia y ocupación del suelo inferior. Dado que el sensor mide la distancia absoluta y no se ve afectado por el color de la ropa ni por las variaciones de la iluminación ambiental, puede contar de forma fiable el número de personas en una zona, seguir la dirección del movimiento para el recuento de entradas y salidas, y distinguir entre escritorios ocupados y vacíos para una ventilación e iluminación controladas. Además, el modo de baja potencia y el umbral de distancia programable también permiten que el sensor permanezca en estado de suspensión y active al host solo cuando alguien entra en un rango definido.

Como parte de la plataforma STGesture de STMicroelectronics (que incluye el software llave en mano de reconocimiento de gestos STSW-IMG035 y la herramienta de desarrollo Gesture EVK), el VL53L8CX también puede proporcionar la precisión espacial necesaria para la interacción basada en gestos con pantallas inteligentes, controladores de iluminación y otros aparatos. La combinación de los datos de distancia multizona con modelos de IA de STM32ai-modelzoo en GitHub puede ampliar el vocabulario de interacción más allá de simples deslizamientos direccionales para incluir los gestos "FlatHand", "Fist" y "Like", extraídos de ocho clases de posturas de mano del conjunto de datos preentrenado de posturas de mano VL53L8CX de ST.

Lo que los diseñadores deben saber antes de integrar el VL53L8CX

La colocación del sensor y la alineación del campo de visión son algunas de las consideraciones más cruciales en cualquier integración del VL53L8CX. La proyección cuadrada de 45° x 45° define el área de detección a una distancia determinada, por lo que los diseñadores pueden modelar el espacio de cobertura para la altura y el ángulo de montaje en una fase temprana del diseño, a fin de confirmar que las zonas de interés se alinean con las regiones donde se requiere detección. La inmunidad a la diafonía del cristal de cubierta del VL53L8CX, constante más allá de 60 cm gracias a los algoritmos de histograma, mejora los diseños de carcasas ópticas al permitir que el sensor funcione detrás de un cristal de cubierta compartido sin utilizar una ventana óptica aislada, aunque la abertura del cristal debe cumplir o superar las dimensiones de la zona de exclusión del receptor especificadas en la hoja de datos para evitar el recorte de las zonas exteriores.

En el aspecto del software, STMicroelectronics proporciona un controlador gratuito, una API y un ecosistema de software de evaluación que reduce drásticamente el tiempo de integración. El kit de evaluación P-NUCLEO-53L8A1 combina el sensor con una placa STM32 Nucleo para la creación rápida de prototipos y el software de referencia puede migrarse a hardware personalizado con modificaciones mínimas, ya que el controlador abstrae la capa de transporte I²C/Interfaz periférica serial (SPI). El indicador de movimiento integrado del sensor informa valores de intensidad de movimiento por zona, lo que permite al host detectar que un objetivo se ha movido y, mediante el seguimiento de qué zonas registran actividad en fotogramas secuenciales, determinar la dirección de ese movimiento.

Próximamente: el VL53L9CX

Los equipos que hoy desarrollan en torno al VL53L8CX también querrán seguir de cerca lo que viene a continuación. STMicroelectronics ha anunciado el VL53L9CX, un módulo de cámara lidar 3D de próxima generación cuya disponibilidad se espera para principios o mediados de 2026. No se trata solo de una iteración modesta: el VL53L9CX ofrecerá escalabilidad de hasta 2268 zonas (54 x 42), una capacidad de medición de distancia de 9 metros, VCSEL duales, un sistema en chip (SoC) de posprocesamiento integrado y salida combinada de profundidad e imagen IR 2D en un módulo de mayor tamaño. Aunque el VL53L8CX y el VL53L9CX no son compatibles a nivel de software ni de hardware, la experiencia en diseño de sistemas ToF y la familiaridad con el ecosistema FlightSense de STMicroelectronics adquiridas durante el desarrollo del VL53L8CX servirán como una buena base para evaluar el dispositivo más reciente.

Conclusión

Pasar de la medición de distancia de un solo punto a la conciencia espacial multizona ha sido una de las mejoras más destacadas en la detección empotrada en los últimos años. Al comprimir lo que equivale a una cámara de profundidad de 64 píxeles en un módulo resoldable de 6.4 x 3.0 mm que consume una corriente moderada, funciona a 60 Hz y entrega datos a través de un bus serial estándar, el VL53L8CX puede proporcionar la inteligencia espacial necesaria para crear robots más inteligentes e interfaces hombre-máquina más sensibles sin el costo, la complejidad ni la sobrecarga de potencia de las soluciones basadas en cámaras o lidar de barrido.

Para obtener información adicional sobre las especificaciones del VL53L8CX y otros recursos, visite la página del sensor de tiempo de vuelo VL53L8CX.