Sensori e hardware — Guida allo studio
Sensori e hardware — Un percorso strutturato in robotica, controllo, agricoltura in ambiente controllato, energia ed elettronica di potenza.
Un percorso strutturato in robotica, controllo, agricoltura in ambiente controllato, energia ed elettronica di potenza.
- Fundamentals · 16 min di lettura
Come funzionano gli SBC e i prodotti principali: Raspberry Pi 5, Jetson, Coral
Confrontiamo i computer embedded che fungono da "cervello" di un robot in base a tre filosofie di progettazione: il SoC generico del Raspberry Pi 5, il computer AI con GPU integrata di NVIDIA Jetson Orin e l'ASIC dedicato di Google Coral. Dal significato effettivo della metrica di efficienza TOPS/W, al perché il progetto newbot ha scelto un SoC generico, fino alla vera storia del 2026 di una crisi di DRAM per i data center AI che colpirà il mercato dei single-board computer per hobbisti.
- Fundamentals · 13 min di lettura
Come funziona il LiDAR e i prodotti principali: Livox, Velodyne, Hesai
La tecnologia LiDAR misura la distanza in base al tempo di andata e ritorno della luce, dal Velodyne Puck rotante al Livox Mid-360S non rotante che ha contribuito a ridurre i costi, fino ai produttori cinesi Hesai e RoboSense. Confrontiamo le specifiche reali di prodotti effettivamente in produzione e ripercorriamo la vera storia del settore, dalla DARPA Grand Challenge allo spin-off di DJI fino al fallimento dell'accordo tra Volvo e Luminar.
- Fundamentals · 10 min di lettura
Come funzionano le fotocamere monoculari e i prodotti principali: Mobileye, Tesla, Continental
Una telecamera monoculare legge le linee di corsia, la segnaletica e gli ostacoli attraverso un'unica lente, ottenendo costi contenuti e dimensioni ridotte a scapito di una limitazione fondamentale: una singola immagine non è sufficiente a determinare la distanza assoluta. Analizziamo esempi concreti di Mobileye EyeQ6L, Tesla HW4, Continental MFC500 e comma.ai per capire come ciascuna di esse ovvia a questo limite, e ripercorriamo la storia di Mobileye, un laboratorio dell'Università Ebraica, e della sua acquisizione da parte di Intel per oltre 15 miliardi di dollari, fino alla decisione di Tesla del 2021 di "eliminare" il radar da Tesla Vision.
- Fundamentals · 10 min di lettura
Come funzionano le telecamere stereo e i prodotti principali: ZED 2i, Subaru EyeSight
Una telecamera stereoscopica triangola la distanza a partire dalla disparità tra due obiettivi, risolvendo il problema della scala assoluta che limita intrinsecamente le telecamere monoculari. Analizziamo le specifiche reali di Stereolabs ZED 2i, Luxonis OAK-D e e-con Systems TARA, e ripercorriamo il compromesso tra distanza di base e lunghezza attraverso l'evoluzione di EyeSight di Subaru, installato su oltre 5 milioni di veicoli dal 2008, oltre alla storia di come il creatore di EyeSight abbia lasciato Subaru per fondare la sua startup di visione stereoscopica.
- Fundamentals · 10 min di lettura
Come funzionano le telecamere di profondità e i prodotti principali: RealSense, Kinect, Orbbec
La stereoscopia attiva proietta un pattern con un emettitore a infrarossi ed esegue la corrispondenza stereo; la luce strutturata legge la profondità in base alla distorsione di un pattern noto; il time-of-flight legge la distanza direttamente da uno sfasamento: tre approcci coesistenti alle telecamere di profondità. Analizziamo i principi alla base di ciascuno e presentiamo esempi concreti tratti da Intel RealSense D435i, Microsoft Kinect, Orbbec Femto Bolt e iPhone TrueDepth, ripercorrendo come la tecnologia della startup israeliana PrimeSense abbia dato vita a Kinect, sia stata acquisita da Apple e sia rinata come Face ID.
- Fundamentals · 12 min di lettura
Come funzionano le IMU e i prodotti principali: Xsens, Bosch, Analog Devices
Un'IMU combina un accelerometro con un giroscopio per rilevare direttamente l'accelerazione traslazionale e la velocità di rotazione di un veicolo. A differenza di telecamere o LiDAR, non dipende da nulla di esterno, ma questa autosufficienza comporta un inevitabile svantaggio: l'errore si accumula nel tempo (deriva). Analizziamo il principio del giroscopio MEMS, l'analisi del rumore di varianza di Allan, la scala di valutazione che va dai chip per il mercato consumer ai moduli di navigazione e la strategia di prodotto della serie MTi di Xsens.
- Hands-on · 3 min di lettura
Analisi del log di un'IMU stazionaria: bias, dispersione e deviazione di Allan.
Calcola la media, la deviazione standard e la deviazione di Allan non sovrapposta senza overinterpreting a short gyro log.
- Hands-on · 3 min di lettura
Campionamento e aliasing: perché un polling più veloce non è sufficiente
Riproduci campioni identici da segnali a 12 Hz e 8 Hz e distingui ODR, bandwidth, polling and decimation.
- Fundamentals · 15 min di lettura
Come funzionano gli encoder rotativi: ottico e magnetico
Confrontiamo i due principi di funzionamento dell'encoder rotativo – ottico, che legge la posizione interrompendo la luce, e magnetico, che legge la direzione di un campo magnetico – a partire dai dati del sensore di angolo e velocità dell'albero di un motore.
- Fundamentals · 13 min di lettura
Come funziona il GNSS e i prodotti principali: u-blox, Trimble, Fixposition
RTK combina il posizionamento satellitare con i dati di correzione provenienti da una stazione base, riducendo l'errore di diversi metri del posizionamento GNSS autonomo a livello centimetrico. Analizziamo come il posizionamento a doppia frequenza annulla il ritardo ionosferico, come il sistema ZED-F9P di u-blox ha reso l'RTK a basso costo accessibile al grande pubblico, i sistemi Trimble RTX e la giapponese Michibiki (QZSS), e l'esempio concreto della rete nazionale di 342 stazioni base RTK di Kubota per macchinari agricoli, e come ciascuno di questi elementi influenzi l'effettiva precisione di posizionamento ottenuta.
- Fundamentals · 17 min di lettura
Come funzionano i magnetometri e i prodotti principali: Bosch, ST, Honeywell
Il magnetometro, che rileva la direzione del campo magnetico terrestre per determinare l'orientamento, è l'unico sensore che continua a fornire un riferimento esterno di direzione assoluta finché è alimentato: dalla bussola elettronica di uno smartphone, alla correzione dell'angolo di imbardata su un drone, fino al controllo di assetto di un CubeSat. Questo articolo illustra i quattro principi fisici fondamentali (effetto Hall, AMR, GMR e fluxgate), confronta le specifiche dei chip Bosch BMM150, STMicroelectronics LIS3MDL e Honeywell HMC5883L, tratta l'errore di magnetoresistenza e magnetoresistenza e la sua calibrazione, la fusione dei sensori AHRS con un'IMU e la storia della tecnologia, dalla prospezione mineraria alla caccia ai sottomarini durante la Seconda Guerra Mondiale e all'esplorazione lunare, fino al controllo di assetto dei CubeSat odierni.
- Fundamentals · 11 min di lettura
Come funziona il radar e i prodotti principali — Continental, Bosch, Honda SENSING
Il radar a onde millimetriche misura la distanza e la velocità relativa dalla riflessione delle onde radio, risultando il sensore più resistente a pioggia, nebbia, riverbero e altre condizioni avverse che mettono in difficoltà i sensori ottici. Analizziamo come la frequenza di battimento del radar a onde millimetriche (FMCW) fornisca simultaneamente distanza e velocità, la storia tecnologica del radar che risale al sistema Chain Home della Seconda Guerra Mondiale, l'abbandono e la successiva ripresa del radar da parte di Tesla, le specifiche di imaging 4D del Continental ARS540 e l'esempio concreto della copertura a 360 gradi con cinque radar del sistema Honda SENSING 360, e come ciascuno di questi elementi modifichi il compromesso tra portata, campo visivo e risoluzione.
- Fundamentals · 12 min di lettura
Come funzionano i sensori a ultrasuoni e i prodotti principali: Bosch, Murata, Toyota ICS
Un sensore a ultrasuoni misura la distanza di un ostacolo vicino in base al tempo di andata e ritorno di un impulso ultrasonico: è la controparte acustica del LiDAR. Può vedere attraverso ciò che inganna i sensori ottici, inclusi vetro trasparente e oggetti neri, ma la sua portata effettiva si limita a pochi metri. Analizziamo la ricerca sull'ecolocalizzazione dei pipistrelli, lo sviluppo del sonar durante la Prima Guerra Mondiale, la portata misurata del Bosch USS Gen 6, i moduli Murata MA40S4S e MaxBotix, elementi fondamentali della robotica, e l'esempio concreto del sonar intelligente a otto sensori di Toyota per il controllo degli ostacoli, e come ognuno di questi elementi influenzi le prestazioni effettivamente ottenute.
- Fundamentals · 15 min di lettura
Come funzionano le telecamere per eventi (DVS) e i prodotti principali — Prophesee, iniVation
A differenza delle fotocamere convenzionali che continuano a catturare fotogrammi (immagini fisse) a intervalli fissi, le telecamere a eventi (Dynamic Vision Sensor, DVS) fanno sì che ogni pixel segnali in modo indipendente solo l'istante in cui la sua luminosità cambia, con una risoluzione di microsecondi. Ripercorriamo la storia dei chip reali — Prophesee Metavision, iniVation DVXplorer/DAVIS, Samsung DVS-Gen4 — la linea evolutiva dell'ingegneria neuromorfica dalla ricerca sulla retina di silicio del 1988 all'acquisizione di iniVation nel 2024, il dataset DSEC per la guida autonoma basato su telecamere stereo a eventi e la ricerca SLAM in esecuzione a bordo di droni.
- Fundamentals · 19 min di lettura
Come funzionano i sensori di temperatura e i prodotti che definiscono questa categoria: termocoppie, PT100, DS18B20
Ogni sensore di temperatura fa la stessa cosa: trasforma il calore in un segnale elettrico. Tuttavia, la fisica che ne sta alla base si articola in quattro famiglie distinte: l'effetto Seebeck nelle termocoppie, la relazione resistenza-temperatura nei termoresistori e nei termistori, il comportamento del bandgap dei circuiti integrati a semiconduttore e la legge di Stefan-Boltzmann alla base dei termometri a infrarossi. Questo articolo ripercorre la storia, dall'equivoco di Seebeck del 1821, passando per l'equazione di Callendar-Van Dusen che calibra i sensori PT100, fino a un confronto delle specifiche di circuiti integrati reali come il DS18B20, il TMP117 e l'MLX90614, e a un caso concreto di un'auto di Formula 1 che rileva la temperatura degli pneumatici con 12 sensori a infrarossi senza contatto.
- Fundamentals · 16 min di lettura
Come funzionano i sensori di forza e tattili: ATI, Bota, XELA
I sensori di forza conferiscono a un braccio robotico la sua 'percezione del braccio', mentre i sensori tattili conferiscono a una mano robotica la sua 'percezione della punta delle dita'. Ripercorriamo la fisica che sta alla base degli estensimetri attraverso tre approcci di rilevamento tattile — piezoresistivo, capacitivo e ottico — e analizziamo prodotti reali di aziende come ATI, Bota Systems e XELA Robotics, fino alla mano protesica di Shadow Robot dotata di 129 sensori, il tutto accompagnato dalla vera storia dell'invenzione simultanea degli estensimetri nel 1938.
- Fundamentals · 17 min di lettura
Come funzionano gli attuatori: motori BLDC, motori passo-passo e servomotori.
Confrontiamo gli attuatori che fungono da "muscoli" di un robot da tre diverse prospettive: il motore BLDC, il motore passo-passo e il servomotore. In realtà, queste tre categorie non sono distinte; la costruzione del motore (BLDC/passo-passo) e l'architettura di controllo (servo) sono due aspetti diversi che vengono spesso confusi. Chiarire questa ambiguità ripercorre i reali compromessi tra coppia, risposta e controllo, dal problema dell'usura delle spazzole sottovuoto della NASA fino alla nascita della cibernetica di Wiener.
- Fundamentals · 15 min di lettura
Come funzionano le batterie e i sistemi BMS — Molicel, DJI, Samsung SDI
Ciò che determina la portata e la sicurezza di un robot o di un drone non è il motore o la suite di sensori, bensì la batteria e il suo BMS (Battery Management System). Dall'elettrochimica delle celle agli ioni di litio ai circuiti di bilanciamento e protezione delle celle, confrontiamo le specifiche reali delle celle ad alta scarica di Molicel, delle batterie di volo intelligenti di DJI e dell'impegno di Samsung SDI nello sviluppo di batterie a stato solido di nuova generazione, analizzando inoltre cosa ha insegnato l'incendio del Boeing 787 al settore in merito ai limiti di un BMS.
- Fundamentals · 6 min di lettura
Progettazione dell'alimentazione del robot: diagnosi dei ripristini del computer durante l'avvio del motore
Correlare le variazioni di carico del motore alle cadute di tensione e individuare i guasti sulla batteria, wiring, converter and computer.
- Fundamentals · 17 min di lettura
Come funzionano i moduli di comunicazione wireless: ESP32, nRF52840, SX1262
Ciò che trasporta il valore misurato da un sensore al di fuori del suo involucro è, quasi sempre, un'onda radio. Tracciamo come l'OFDM del Wi-Fi utilizza sottoportanti ortogonali per superare il multipath, come la modulazione GFSK e la topologia a stella del BLE consentono il funzionamento a ciclo di lavoro e come il Chirp Spread Spectrum (CSS) di LoRa scambia la portata con la velocità di trasmissione dati nell'intervallo del fattore di diffusione SF7-12, il tutto attraverso i numeri reali di chip come ESP32-C6, Nordic nRF52840, Semtech SX1262, TI CC2652R7 e MultiTech mDot. Dal dramma del nome Wi-Fi del 1999, al nome Bluetooth nato da un epiteto di un re danese del X secolo nel 1996, alla storia di come LoRa, creata da una piccola startup francese, è stata acquisita da Semtech, all'esempio reale della rete di contatori intelligenti LoRaWAN di ZENNER che supera i 10 milioni di dispositivi, noi Esamina come scegliere la banda di frequenza, la potenza di trasmissione, la sensibilità e la topologia.
- Fundamentals · 15 min di lettura
Acceleratori di intelligenza artificiale edge: Coral, Jetson, Movidius
Anziché confrontare schede single-board complete come Raspberry Pi o Jetson, questo articolo si concentra sui chip "acceleratori di inferenza AI" che le compongono, confrontando tre filosofie di progettazione: Google Coral (Edge TPU), Intel Movidius (Myriad X) e NVIDIA Jetson Orin NX. Viene analizzato il principio alla base del compromesso tra precisione e velocità nella quantizzazione INT8, attraverso un esempio concreto di un drone Skydio che esegue nove reti neurali contemporaneamente su un singolo Jetson TX2, fino ad arrivare allo stato attuale di Coral, di fatto abbandonato da Google ma mantenuto in vita dalla sua comunità.