Optoelettronica avanzata per interfacce automobilistiche

Sono tantissimi i servizi multimediali, di comunicazione, di navigazione e di regolazione delle condizioni dell’abitacolo che vengono oggi integrati nelle automobili di ogni tipo. Ciascuno di loro necessita, ovviamente, di efficienti meccanismi di controllo. Le case automobilistiche negli ultimi anni hanno attribuito un’importanza sempre maggiore alle interfacce uomo-macchina intuitive, che possano sostenere la portata crescente delle diverse funzioni con le quali i guidatori hanno necessariamente a che fare, assicurando, allo stesso tempo, che questi ultimi siano ancora in grado di concentrarsi completamente sulla strada che hanno di fronte a sé. Il risultato di tutto ciò è un interesse crescente verso quelle interfacce uomo-macchina capaci di funzionare anche senza alcun contatto fisico.

Nuove interfacce per nuove funzioni

Considerando il gran numero di funzioni di controllo che vengono attualmente integrate, gli approcci tradizionali alla progettazione di questo tipo di interfacce risultano ormai superati, un dato di fatto che sta spingendo le case automobilistiche a procedere con ulteriori investimenti. A tal proposito, gli analisti di TechNavio, una società di ricerche mercato, hanno previsto che il mercato delle interfacce uomo-macchina in ambito automobilistico crescerà, nei prossimi quattro anni, con un tasso annuo di crescita composto pari al 7,7%.

Interfacce multimodali

Per poter essere efficiente, un’interfaccia uomo-macchina per applicazioni automobilistiche deve consentire di intraprendere le varie azioni in un modo semplice e rapido, poiché maggiori sono il tempo e il livello di concentrazione richiesti, più forte è il loro impatto sulla capacità di guida di chi le utilizza. Se il cruscotto è pieno zeppo di interruttori e pulsanti vari, distribuiti in modo sparso senza una struttura ben organizzata, potrebbe risultare difficoltoso per il conducente azionare i diversi sistemi. Inoltre, l’abitacolo potrebbe risultare visivamente meno accattivante. Soluzioni optoelettroniche innovative offrono la possibilità di realizzare sistemi di interfaccia uomo-macchina “multimodali”, in cui il rilevamento della luce può integrare l’elemento di controllo tattile. Questo approccio, tuttavia, ha di fronte a sé alcune sfide tecniche ancora da superare. Per garantire la continuità operativa, la tecnologia di rilevamento delle immagini usata nei componenti di qualsiasi sistema di interfaccia uomo-macchina senza contatto deve possedere le seguenti caratteristiche affinché possa funzionare in un contesto automobilistico. Prima di tutto essa deve essere dotata di una grande robustezza nei confronti della luce del sole, a causa dei forti sbalzi nella luminosità di fondo che può trovarsi di fronte. Inoltre, deve essere in grado di contrastare i problemi di interferenza elettro-magnetica. La compattezza, la possibilità di un’integrazione estetica e la convenienza economica sono ulteriori fattori da non trascurare nella valutazione complessiva. Attraverso l’analisi della luce riflessa da un determinato oggetto, è possibile identificare diversi movimenti (come, ad esempio, uno scorrimento nelle direzioni destra/sinistra o alto/basso) e, quindi, reagire di conseguenza. In questo modo si possono compiere svariate azioni riducendo al minimo il livello di distrazione cognitiva e visiva, grazie al fatto di non richiedere alcuno scomodo contatto fisico. Ciò offre una soluzione più elegante, che consente alle caratteristiche estetiche dell’abitacolo di non venire minimamente impattate. Questi tipi di interfacce che lavorano con segnali di ingresso senza contatto fisico sono adatte sia per funzionare in modo autonomo, sia per lavorare in combinazione con pulsanti, touchscreen e sistemi di riconoscimento vocale, in base allo specifico compito oppure alle preferenze dell’utente. Inoltre, l’adozione di una tecnologia di rilevamento tridimensionale sta diventando un’altra area di forte interesse per i progettisti del settore automobilistico ed è probabile che rivesta un ruolo importante nel futuro sviluppo delle interfacce uomo-macchina nelle autovetture.

Tecnologie di rilevamento tridimensionali

Il tempo di volo ottico o ToF (Time-of-flight) si è dimostrato uno strumento estremamente efficace con il quale ricostruire l’immagine tridimensionale della posizione delle mani dell’utente, consentendo perciò il riconoscimento di gesti anche relativamente complessi. In un sistema di rilevamento basato sul tempo di volo, un emettitore illuminerà la scena con una radiazione infrarossa che verrà riflessa indietro verso il sensore da qualsiasi oggetto presente nell’ambiente circostante. Il sensore è quindi capace di confrontare il segnale riflesso con un segnale di riferimento e determinare lo slittamento di fase fra i due causato dall’aver compiuto quello specifico percorso. Da tale informazione è possibile ricavare, con un calcolo preciso, la distanza che intercorre fra il sensore e l’oggetto in questione e ricostruirne una dettagliata immagine tridimensionale. Questo tipo di tecnologia si è già dimostrata estremamente valida nel campo dei videogiochi, dove ha guadagnato consensi consentendo di vivere esperienze di gioco più intense e coinvolgenti. Per quanto riguarda, nello specifico, il settore automobilistico, la sua implementazione potrebbe andare ben al di là della determinazione della posizione delle mani, consentendo anche l’acquisizione di informazioni relative alla posizione ed all’orientamento della testa e del corpo del conducente. Tali dati potrebbero essere in seguito forniti al sistema di assistenza alla guida del veicolo stesso allo scopo di valutare il livello di attenzione del conducente in uno specifico momento e (in caso se ne riscontrasse l’esigenza) reagire automaticamente ad un eventuale pericolo che venisse rilevato. Sebbene il principio del tempo di volo sia già utilizzato da tempo nelle console dei videogiochi più recenti, bisogna sottolineare la sua realizzare in quell’ambito è piuttosto semplice, poiché l’ambiente in cui la tecnologia si trova ad operare è normalmente molto stabile e quasi certamente innocuo. Assai diversa è invece la prospettiva di un suo inserimento nel contesto automobilistico. Ancora una volta, infatti, va tenuta in considerazione la variazione della luce del sole. Grazie all’introduzione di sensori di immagini multi-pixel in grado di funzionare in modalità Hdr (High Dynamic Range), ossia con acquisizioni ad elevata gamma dinamica, questi problemi possono ora essere superati.

Sensori di luce per un rilevamento preciso

Sfruttando la competenza maturata nell’ambito sia nella tecnologia optoelettronica, sia delle applicazioni automobilistiche, Melexis sta compiendo un passo avanti importantissimo nello sviluppo dei meccanismi alla base delle interfacce uomo-macchina senza contatto, a complemento dei controlli con comando tattile. I suoi sensori di luce attiva a circuito integrato MLX75030 e MLX75031 permettono un rilevamento di prossimità e di movimento estremamente preciso, pur mantenendo la necessaria robustezza nei confronti della luce del sole, grazie ad una particolare tecnologia di filtraggio integrato della luce ambientale brevettata dalla stessa Melexis. Ciascuno dei suddetti circuiti integrati è dotato di 4 canali di misura della luce che funzionano contemporaneamente in modo indipendente – due dei quali sono dedicati al rilevamento della luce ambientale, mentre gli altri due si occupano di acquisire le riflessioni ottiche attive generate dall’oggetto della misura (ad esempio la mano del conducente o del passeggero) per mezzo di fotodiodi con risposta logaritmica. In aggiunta al filtraggio della luce ambientale, un sensore integrato di temperatura viene utilizzato per compensare l’effetto della stessa temperatura sul canale dedicato alla luce ambientale. I dati digitali relativi ai livelli di luce attiva e di luce ambientale vengono generati attraverso il convertitore a 16 bit interno a ciascun circuito integrato. I dati passano poi al microcontrollore per essere elaborati. Qui, attraverso una serie di complessi algoritmi, vengono discriminati i diversi movimenti. La funzione che porta a distinguere fra conducente e passeggero fa sì che le opzioni di informazione e intrattenimento, considerate elementi di forte distrazione per il conducente, vengano rese accessibili unicamente al passeggero. Poiché solamente i LED ed i rispettivi fotodiodi devono essere posizionati sulla superficie del cruscotto (mentre tutta l’elettronica di supporto può essere alloggiata in un qualsiasi spazio disponibile nella parte retrostante il pannello di controllo), il sistema non ha alcun impatto sul design dell’abitacolo. Melexis sta inoltre contribuendo a rendere la tecnologia basata sul tempo di volo adatta ad essere impiegata nell’industria automobilistica. Infatti, ha sviluppato sensori di immagini multi-pixel a contrasto elevato con livelli di sensibilità tali da poter acquisire i dati con un’accuratezza nella profondità di colore pari all’1-2%. Il prodotto MLX75023 di Melexis è un sensore basato sul principio del tempo di volo che presenta una risoluzione Qvga (320x240 pixel) e una frequenza di fotogrammi in formato raw pari a 600 fps (fotogrammi per secondo). Questo prodotto ha una risposta spettrale che copre l’intervallo di lunghezze d’onda da 800 nm a 900 nm e, quando lavora in combinazione con una sorgente infrarossa modulata, offre in tempo reale una visione 3D dettagliata. Ogni pixel del dispositivo MLX75023 è in grado di far fronte a un illuminamento dovuto alla luce di fondo che raggiunge i 120.000 Lux, caratteristica che gli garantisce una capacità più che sufficiente di affrontare qualsiasi variazione luminosa possa verificarsi.

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