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Sviluppo di un sistema di controllo e acquisizione per sensori di immagine CMOS su FPGA

Mano Robotica Dexmart con FPGA

Negli ultimi anni, lo sviluppo e l’affermazione sul mercato dei sensori ottici CMOS ha avuto una crescita notevole. L’utilizzo di questa tecnologia permette notevoli miglioramenti rispetto a quelle finora impiegate per i sensori ottici, come ad esempio le tecnologie a microstriscia o CCD (Charged Coupled Device), in quanto, l'elevata scala di integrazione tipica di un processo CMOS consente di realizzare un sistema di rivelazione completo (sensore) tramite la contemporanea integrazione sullo stesso substrato dell' elemento sensibile e della relativa elettronica di pretrattamento, amplificazione e lettura. Il sensore così realizzato risulta caratterizzato quindi da un maggior grado di risoluzione e un consumo di potenza minore, sempre raffrontato alle tecnologie precedentemente utilizzate.

Nello stesso tempo,le logiche programmabili ad alta densità offrono un numero di porte logiche configurabili da utente sempre crescente e stanno rapidamente divenendo uno dei prodotti più usati dai progettisti. Un progetto può essere realizzato e verificato in alcuni giorni, mentre seguendo lo stesso processo adottando tecnologie differenti come quella ASIC o dei gate array, sono richieste diverse settimane di lavoro. Inoltre, non esistono i costi di mascheratura (definiti in gergo NRE acronimo di non recurring engeneering cost) e i tempi di attesa per i prototipi riducendo notevolmente il time-to-market.

Uno studio compiuto dal Politecnico di Milano si conclude con l’affermazione che sei mesi di ritardo nell’entrata del prodotto sul mercato può costare un terzo del potenziale profitto del prodotto nel suo tempo di vita. L’obiettivo principale di questa tesi è quello di acquisire un segnale ottico tramite un sensore lineare CMOS ed eseguirne un’opportuna elaborazione digitale mediante un “Field Programmable Gate Array”(FPGA). Come vedremo in seguito, il segnale ottico da acquisire è irradiato da fibre ottiche multimodali nel campo del visibile, poste a diverse distanze tra loro, con lo scopo di riuscire a determinare la distanza minima tra le fibre affinché i due spot di luce siano discriminabili dal sensore.

 

 

 

 

Questo progetto di tesi rientra in una delle tante tematiche di ricerca del progetto DEXMART che mira a sviluppare un sistema di manipolazione a due mani, equipaggiato con sensori che lo rendano consapevole del luogo in cui si trova e della presenza di persone nel suo spazio di lavoro. Il progetto ha avuto inizio il 4 febbraio 2008 e avrà una durata quadriennale in cui si cercherà di rendere le mani artificiali sempre più simili a quelle umane, realizzandole con materiali e tecnologie innovative e con sensori di livello avanzato tra cui proprio il sensore ottico CMOS trattato in questa tesi. Infatti, quest’ultimo avrà il compito di leggere il maggior numero possibile di segnali luminosi provenienti da fibre ottiche intrecciate all’interno di una mano robotica, realizzando una vera e propria interfaccia tra i sensori utilizzati (fibre ottiche) e il sistema di elaborazione digitale che sarà realizzato in seguito. Ritornando al sistema complessivo sviluppato in questa tesi, si prevede una prima parte di conversione analogico\digitale e una seconda parte di elaborazione realizzata con l’ausilio del FPGA. Il lavoro è così organizzato: nel primo capitolo verrà descritto con maggiore dettaglio l’architettura dell’FPGA scelto e gli strumenti utilizzati per la sua programmazione.

Nel secondo capitolo si affronterà la scelta del sensore di immagine in cui, a fronte di affermate, collaudate ma relativamente costose opzioni, si preferirà un elemento fotosensibile che impiega una nuova tecnologia che, a parità di velocità promette avere prestazioni, in termini di sensibilità e precisione, adatte agli scopi pratici. Nel terzo capitolo si tratterà la parte relativa all’interfacciamento tra il sensore, il sistema di conversione A\D e l’FPGA mentre nel quarto capitolo verrà mostrata l’elaborazione digitale eseguita. I risultati finali ottenuti in fase di sperimentazione saranno presentati nel quinto ed ultimo capitolo.

Per concludere si esporranno le conclusioni seguite dai possibili sviluppi futuri del sistema. Una trattazione degli argomenti esaustiva esula dallo scopo di questo lavoro che, in un campo così fervente di novità ed idee, risulterebbe, in ogni caso approssimativa e grossolana. Il nostro interesse ,quindi, si concentrerà su problemi di ordine tecnico e pratico.

 

 

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