Applicazione e sviluppo dei sensori d'immagine nella robotica e automazione

Le applicazioni di robotica e automazione stanno trasformando le industrie in tutto il mondo, dai magazzini alle strutture sanitarie, migliorando produttività, efficienza, sicurezza e visibilità operativa. Al centro di queste applicazioni si trovano i sensori di immagine, che consentono ai robot di percepire e interagire con il loro ambiente. Questo articolo esplora il ruolo dei sensori di immagine nella robotica e mette in evidenza i progressi di onsemi nella tecnologia di imaging, insieme alle soluzioni correlate.

Il ruolo dei robot mobili nell'industria moderna

Negli ultimi dieci anni, l'automazione e la robotica hanno rivoluzionato molti settori, rendendo i processi tradizionali più sicuri ed efficienti. Tra queste innovazioni, i robot mobili sono all'avanguardia dell'automazione, contribuendo a ottimizzare le operazioni in vari ambiti. I robot mobili possono essere ampiamente suddivisi in due tipologie: Robot Mobili Autonomi (AMR, Autonomous Mobile Robots) e Veicoli a Guida Automatica (AGV, Automated Guided Vehicles). Gli AMR sono progettati per operare in modo indipendente, adattandosi ad ambienti dinamici senza intervento umano. Grazie a tecnologie di rilevamento avanzate come la Localizzazione e Mappatura Simultanea (SLAM), gli AMR possono mappare l'ambiente circostante, identificare ostacoli e navigare autonomamente, rendendoli ideali per applicazioni come l'automazione in fabbriche e magazzini.    Al contrario, gli AGV si basano su sistemi di guida esterni, come strisce magnetiche o sistemi di tracciamento visivo, per seguire percorsi prestabiliti. Sebbene gli AGV eccellano in ambienti strutturati come le linee di assemblaggio e la gestione dell'inventario, mancano della flessibilità degli AMR. Gli AGV sono paragonabili a treni che seguono binari predeterminati, mentre gli AMR somigliano a automobili in grado di muoversi intorno agli ostacoli. Questa distinzione rende gli AMR la scelta preferita per i settori che richiedono soluzioni dinamiche e adattabili.

Come i sensori di immagine abilitano l'autonomia degli AMR 

Gli AMR operano senza guida, adattandosi dinamicamente a nuovi ambienti. Tuttavia, per muoversi in modo autonomo, richiedono capacità di Simultaneous Localization and Mapping (SLAM). Attraverso il SLAM, i robot creano mappe dell'ambiente circostante e determinano la propria posizione. Gli AMR si affidano a sensori d'immagine per svolgere attività come navigazione ambientale, mappatura 3D, evitamento delle collisioni e lettura di codici, tutte operazioni che richiedono capacità di rilevamento precise ed efficienti. Per la mappatura 3D, gli AMR utilizzano tecnologie come l'imaging stereoscopico, il Time-of-Flight indiretto (iToF) e il LiDAR per misurare la profondità e creare mappe ambientali dettagliate. La rilevazione della profondità permette agli AMR di individuare oggetti, inclusi gli esseri umani, e di evitare potenziali pericoli, una caratteristica fondamentale per garantire la sicurezza negli ambienti in cui esseri umani e robot lavorano fianco a fianco.    L'evitamento delle collisioni è un'altra funzione cruciale resa possibile dai sensori d'immagine o dai sensori di profondità. I sensori dotati di otturatore rolling e/o otturatore globale, velocità di elaborazione rapide e High Dynamic Range (HDR) consentono agli AMR di identificare e reagire agli ostacoli in tempo reale. La tecnologia HDR è particolarmente importante negli ambienti con illuminazione mista, come fabbriche o magazzini, dove riflessi e ombre possono complicare la percezione visiva.    Inoltre, i sensori d'immagine svolgono un ruolo chiave nella lettura dei codici, un'attività comune nella produzione e nella logistica. I sensori con otturatori globali e basso consumo energetico eccellono in queste applicazioni, permettendo agli AMR di scansionare e processare codici in modo rapido e preciso. La capacità di operare in modo efficiente per lunghi periodi aumenta ulteriormente il loro valore in ambienti industriali impegnativi.    Pur dominando lo spazio della robotica mobile, gli AMR e gli AGV non esauriscono il panorama: i robot fissi svolgono anch'essi un ruolo essenziale nell'automazione. Questi robot, situati in un'unica posizione, eseguono compiti come il picking e lo smistamento di oggetti. Come i robot mobili, i robot fissi si affidano a sensori d'immagine per il rilevamento della profondità e il controllo di precisione. Le tecnologie di rilevamento avanzate assicurano che questi robot portino a termine le loro attività con elevata accuratezza, anche in ambienti industriali complessi.

La produttività come fattore chiave della crescita della robotica

Numerosi fattori stanno guidando la rapida adozione della robotica nei diversi settori, con la produttività che rappresenta uno dei principali motori. I robot possono svolgere attività ripetitive instancabilmente per lunghi periodi. L'efficienza è un altro grande vantaggio, poiché i robot eliminano i ritardi causati dall'intervento umano, permettendo ai lavoratori di concentrarsi su attività dal valore aggiunto più elevato. La sicurezza è ugualmente importante, dato che i robot possono eseguire compiti pericolosi che metterebbero a rischio i lavoratori umani.    Per migliorare la produttività, l'efficienza e la sicurezza, la maggior parte dei clienti cerca dati completi per visualizzare i tassi operativi. Questi dati consentono un'analisi approfondita e l'individuazione di strategie efficaci per il miglioramento. Grazie all'utilizzo di dati visivi dettagliati, i clienti ottengono preziosi approfondimenti sulle loro operazioni, migliorando il processo decisionale e ottimizzando le prestazioni.   Il mercato della robotica sta attualmente sperimentando una crescita significativa, in particolare nel settore degli AMR. Gli analisti del settore prevedono un tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 16% al 20% per gli AMR tra il 2024 e il 2030. Questa crescita è alimentata dai progressi nell'Intelligenza Artificiale (AI) e nelle tecnologie di automazione, che stanno ampliando le capacità dei robot e aprendo nuove opportunità di innovazione.

I sensori di immagine abilitati HDR migliorano la precisione visiva

In qualità di leader nella tecnologia di imaging, onsemi ha sviluppato una gamma di sensori di immagine innovativi per soddisfare le esigenze della robotica. I suoi prodotti includono sensori rolling shutter e global shutter, oltre a soluzioni specializzate per la misurazione della profondità e applicazioni HDR. Queste tecnologie consentono ai robot di eseguire compiti con maggiore precisione, efficienza e affidabilità. 
 
I sensori rolling shutter sono noti per le loro dimensioni pixel più piccole e la maggiore sensibilità, rendendoli ideali per applicazioni che richiedono immagini dettagliate in condizioni di scarsa illuminazione. Tuttavia, possono introdurre artefatti di movimento, limitandone l'uso in ambienti dinamici. Al contrario, i sensori global shutter eliminano gli artefatti di movimento esponendo tutti i pixel contemporaneamente, rendendoli adatti a compiti che coinvolgono oggetti in movimento, evitare collisioni e la lettura di codici. 
 
La misurazione della profondità è un altro ambito in cui onsemi eccelle. La sua tecnologia iToF misura la differenza di fase della luce riflessa per determinare la profondità. Le soluzioni iToF di onsemi coprono distanze brevi (30-50 cm) e possono estendersi fino a 20 metri con un'accuratezza eccezionale. 
 
L'High Dynamic Range è fondamentale per i robot che operano in ambienti con condizioni di illuminazione difficili. I sensori HDR catturano esposizioni multiple per creare un'immagine equilibrata e precisa, garantendo che i robot possano vedere chiaramente gli oggetti anche in aree ad alto contrasto o riflettenti. L'HDR può essere implementato in diversi modi. Ad esempio, l'HDR multi-esposizione offre eccellenti prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione, ma può presentare artefatti di movimento. L'HDR con pixel a diodo diviso riduce gli artefatti di movimento, ma può essere soggetto a sfarfallio LED. Un'unica esposizione con guadagni multipli (modalità super-esposizione) combina i punti di forza di entrambi i metodi. La scelta della tecnologia HDR dipende dai requisiti specifici dell'applicazione. 
 
onsemi offre una gamma diversificata di famiglie di sensori di immagine Hyperlux per soddisfare le esigenze variegate dei robot industriali. Questi sensori combinano un basso consumo energetico, un'elevata gamma dinamica e funzionalità avanzate per offrire una qualità d'immagine eccezionale, superando le difficoltà delle condizioni di illuminazione complesse. La serie Hyperlux LP si concentra sul consumo energetico ultra-basso, rendendola ideale per applicazioni a basso consumo. La serie Hyperlux LH è progettata per ambienti industriali e commerciali, offrendo una qualità video 4K eccezionale con NIR migliorato ed eHDR, insieme a un HDR di 120 dB per prestazioni superiori in condizioni di illuminazione mista. La serie Hyperlux SG è compatta e presenta un'efficienza global shutter leader nel settore per una scansione precisa, rendendola perfetta per applicazioni di scansione, AR/VR e AMR. La serie Hyperlux ID, con risoluzioni fino a 1,2 MP, rivoluziona la tecnologia iToF estendendo la misurazione delle distanze indoor/outdoor, sbloccando nuove possibilità per il rilevamento 3D e contribuendo agli sviluppi nell'automazione industriale, nella robotica, nella sicurezza e altro. 
 
Nel luglio 2024, onsemi ha acquisito SWIR Vision Systems, che detiene brevetti per la tecnologia dei quantum dot colloidali, abilitando sensori SWIR (Short-Wave Infrared) basati su CMOS. A differenza dei tradizionali sensori SWIR basati su InGaAs (900 nm - 1700 nm), la tecnologia SWIR di onsemi copre un intervallo più ampio (400 nm - 2100 nm). Inoltre, i sensori SWIR di onsemi sono classificati come EAR99, rendendoli più facili da esportare rispetto ai sensori SWIR InGaAs classificati ITAR. Attualmente, SWIR è disponibile in fotocamere BGA, da 1 MP e 2 MP, con ulteriori prodotti in fase di sviluppo.

Conclusione

Il futuro dei sensori d'immagine risiede nel raggiungimento di una risoluzione più alta, formati ottici più piccoli, una gamma dinamica più ampia, un minore consumo energetico e una maggiore precisione. Guardando avanti, l'integrazione dell'IA con le tecnologie avanzate dei sensori sbloccherà nuove possibilità per la robotica. Dalla sanità all'istruzione, questi progressi consentiranno ai robot di svolgere compiti sempre più complessi in ambienti diversi. Con il continuo calo dei costi della robotica, possiamo aspettarci una più ampia adozione nei settori dei servizi e nelle applicazioni domestiche.    I sensori d'immagine sono la pietra angolare della robotica moderna, rendendo possibili compiti che spaziano dalla mappatura 3D all'evitamento delle collisioni con una precisione senza precedenti. onsemi sta affrontando attivamente queste esigenze attraverso un'innovazione continua, garantendo che i suoi sensori rimangano all'avanguardia nel settore. Le tecnologie di sensori all'avanguardia di onsemi, tra cui la serie Hyperlux, le soluzioni iToF e i sensori SWIR, stanno guidando la prossima ondata di progressi nella robotica e nell'automazione. Man mano che queste tecnologie evolvono, estenderanno le capacità dei robot, creando nuove opportunità nei diversi settori e migliorando il nostro modo di lavorare e vivere.