Una de las tendencias más importantes en las aplicaciones modernas es el uso de máquinas que deben ser conscientes de su entorno. Es una tecnología que se puede emplear en todo tipo de situaciones, como la automoción, la industria o las aplicaciones para el consumidor. Evidentemente, los objetos que se mueven (como los drones, los coches, los vehículos con conducción guiada o los robots domésticos) necesitan detectar obstáculos o vehículos a su alrededor y reaccionar en consecuencia, mientras que los objetos estáticos deben reconocer cuáles son los elementos circundantes.

Por ejemplo, en muchos edificios se utiliza la detección de presencia para controlar el uso de la energía y, en el interior de los vehículos, cada vez es más común emplear la monitorización para aumentar la seguridad.

Algunas de estas iniciativas tienen el objetivo de mejorar la sostenibilidad. La detección de la presencia de personas en edificios permite utilizar determinados recursos, como la iluminación, cuando sean realmente necesarios, lo que ahorra energía y reduce los costes operativos. También se utilizan por comodidad, por ejemplo, para abrir la puerta cuando una persona se aproxima.

En las fábricas, cada vez es más común que los robots trabajen junto con los operarios. Esta estrecha colaboración entre personas y robots aporta muchas ventajas para el rendimiento, pero también genera problemas de seguridad. Si un robot, estático o móvil, es capaz de detectar a las personas que hay a su alrededor, se puede limitar temporalmente su movimiento en consecuencia, lo que aumenta la seguridad.

En los vehículos, si conocemos el número de ocupantes, dónde están y cuáles son sus datos aproximados de altura y peso, podemos aplicar los airbags adecuados y con el nivel de fuerza que corresponda, lo que garantiza que la implementación sea la correcta durante una frenada repentina y que los pasajeros estén protegidos. La clasificación de seguridad Euro NCAP1 está fomentando el uso de sistemas de monitorización de pasajeros en vehículos, sobre todo, para detectar la presencia de niños.

Uno de los componentes más importantes en la detección de presencia es el sensor. Para este tipo de dispositivos, algunas de las tecnologías más empleadas son la conversión de luz en electricidad (como los sensores de imagen), los detectores de infrarrojo pasivos o las bandas de radio en el rango de milímetros (mmWave).

Los problemas con los sensores de imagen
Actualmente, hay un elevado número de sensores de imagen disponibles, de gran rendimiento y con un elevado nivel de resolución; por lo tanto, podría parecer que se trata de una elección obvia para detectar obstáculos, como personas, en el entorno. Esta tecnología tiene sus limitaciones, especialmente porque precisa de una línea de visión y porque no puede detectar a personas cuando están escondidas (por ejemplo, un niño tapado por una manta en el asiento de un coche); sin embargo, desde un punto de vista técnico, el rendimiento de estos sensores es bastante bueno.

El problema principal que generan está relacionado con la privacidad. En la mayoría de aplicaciones, solo es necesario detectar si hay una persona. Los sensores de imagen pueden saber quién es esa persona y almacenar esos datos con carácter permanente. Por lo tanto, a fin de detectar la presencia y hacer el seguimiento correspondiente sin generar problemas de privacidad, los diseñadores están empezando a utilizar métodos alternativos, como los radares mmWave.

Las limitaciones de las soluciones actuales
Durante años, se han empleado con frecuencia los sensores de infrarrojos pasivos (PIR, por sus siglas en inglés) para detectar la presencia de personas en aplicaciones como la iluminación automatizada o las alarmas de seguridad. El sensor PIR detecta un cambio en la energía infrarroja cuando una persona se mueve dentro de su rango; si se supera un determinado umbral establecido, la luz o la alarma se activan.

La tecnología PIR tiene algunas limitaciones; por ejemplo, el rango de acción es relativamente pequeño, lo que obliga a instalar más sensores. Además, estos dispositivos suelen tener problemas a la hora de detectar a personas que están quietas o se mueven muy lentamente y, si se usan en exteriores, las condiciones climatológicas pueden inutilizarlos casi por completo. Por otro lado, necesitan una línea de visión directa, así que no son elementos muy discretos.

Uso de radares mmWave para lograr una detección de presencia precisa
Los radares mmWave son más difíciles de implementar, pero aportan algunas ventajas en comparación con los PIR. Puesto que se basan en el conocido principio del efecto Doppler, pueden detectar el movimiento, la velocidad y la dirección del objeto. Además, como no precisan de energía infrarroja, pueden detectar también objetos inanimados. Al poder detectar la velocidad y la dirección, pueden tomar decisiones más inteligentes; por ejemplo, con la tecnología mmWave, una puerta solo se abrirá si hay una persona que realmente se dirige hacia ella y no simplemente porque alguien pase por delante (Figura 1).

Figura 1: las puertas automáticas se pueden utilizar de un modo más inteligente gracias a la detección de dirección y movimiento (fuente: Texas Instruments; figura rediseñada por Mouser Electronics)

La distancia de funcionamiento en la tecnología mmWave es muy amplia, desde unos pocos centímetros hasta cientos de metros, así que, en muchas aplicaciones, es posible abarcar por completo una zona con un solo sensor. La capacidad de detección de estos dispositivos puede atravesar revestimientos finos, como paredes de placas de yeso (pladur), así que se pueden instalar en edificios de un modo discreto.

Asistencia para el diseño y las aplicaciones
En la automatización de edificios, la tecnología mmWave puede mejorar la comodidad y la seguridad y reducir los costes de funcionamiento, gracias al control de la iluminación, la calefacción o el aire acondicionado en función de la presencia de personas. A diferencia de los sensores de imagen, los elementos mmWave no registran vídeo, por lo que no hay problemas de privacidad en zonas donde esta es especialmente importante, como los aseos o los vestuarios.

En el sector del automóvil, la tecnología mmWave resulta muy útil para la detección de presencia en el interior de los vehículos (CPD). No tiene problemas a la hora de detectar la presencia de personas en circunstancias visibles, ni al hacer una estimación de su tamaño, lo que permite desplegar los airbags donde sea necesario y con una fuerza adecuada, mejorando así la seguridad de los pasajeros.

La tecnología CPD en vehículos está cobrando cada vez más importancia y muchas aplicaciones pueden detectar la presencia de un niño que se haya dejado olvidado. Además, la tecnología mmWave tiene un nivel tan alto de precisión que puede llegar a detectar bebés escondidos bajo una manta, ya que pueden percibir el movimiento debido a la respiración o a los latidos del corazón.

Los sensores mmWave de Texas Instruments se utilizan en los sistemas avanzados de asistencia a la conducción (SAAC) para aplicaciones de corto y largo alcance, de modo que el vehículo sea consciente de su entorno. Gracias al uso de avanzados sensores CMOS de un solo chip, se reduce el tamaño del diseño gracias a la combinación de una entrada de RF con un procesador digital de señales (DSP) y un microcontrolador (MCU). De este modo, se pueden detectar elementos complejos en entornos urbanos, así como a otros usuarios viales.

Esta tecnología también es importante en aplicaciones industriales, donde se emplea para detectar presencia y niveles de líquido o para dirigir a drones y robots de almacén (Figura 2).

Figura 2: la tecnología mmWave tiene muchas aplicaciones en el sector industrial (fuente: Mouser Electronics)

Aunque algunos ingenieros quizá no conozcan la tecnología, existen distintas herramientas disponibles para facilitar el proceso de diseño. El MM5D91-00 de Jorjin Technologies Inc. es un módulo de detección de presencia, con una tecnología mmWave de 60 GHz. Se trata de un dispositivo muy práctico que incluye una antena de transmisión, tres antenas de recepción y un potente sistema procesador M4F de Arm® Cortex®.

Reconocimiento de gestos
Como ocurre con muchas tecnologías innovadoras, el radar mmWave está abriendo el camino a nuevas aplicaciones. Por ejemplo, el reconocimiento de gestos está sustituyendo los paneles de control físico por interfaces hombre-máquina virtuales (HMI). En este tipo de aplicaciones, el usuario puede poner la mano delante del sensor y moverla en patrones predefinidos para generar una entrada en el sistema. Las acciones suelen ser intuitivas, como poner la palma de la mano para indicar una parada, girarla para mover un dial virtual o subir/bajar un parámetro como el volumen.

El reconocimiento de gestos aporta algunas ventajas en función de dónde y cómo se utilice. En las aplicaciones para el automóvil, las ventajas principales son la seguridad y la practicidad, ya que los conductores no necesitan buscar un minibotón mientras están conduciendo y pueden mantener la vista en la carretera. Además, como no hay contacto entre la persona y la HMI, también resulta más higiénico, una ventaja importante en cáterin o en el sector sanitario, entre otros.

Los nuevos dispositivos que aparecen en el mercado son cada vez más pequeños, así que otra ventaja del reconocimiento de gestos es que ayuda a los diseñadores a reducir el espacio empleado en incorporar botones y diales físicos para la HMI. Cuando el dispositivo se actualiza para añadir nuevas funciones, se pueden añadir gestos según sea necesario.

El mercado para esta tecnología es relativamente nuevo: según Global Market Insights2, el reconocimiento de gestos en el sector automovilístico tenía un valor de 644 millones de dólares en el año 2022. Asimismo, el nivel de adopción previsto para la tecnología se estima en un 18,2 % de TCAC, lo que supondría un valor de 3250 millones de dólares en 2032.

Conclusión
Con el fin de que las máquinas tengan un mayor nivel de autonomía para poder moverse o reconocer los peligros circundantes, es esencial que estas tengan una mejor percepción del entorno. Si bien es cierto que se pueden utilizar sensores de imagen para este fin, su uso genera muchas dudas con respecto a la privacidad, ya que son elementos capaces de identificar y rastrear a las personas.

Algunas tecnologías alternativas, como el radar mmWave, aportan la percepción del entorno necesaria sin generar problemas de privacidad, dado que no registran imágenes de rostros. De hecho, a diferencia de muchos sensores de imágenes, los radares mmWave de 60 GHz son capaces de funcionar con distancias inferiores a 100 m y en condiciones climatológicas adversas, así que se están convirtiendo en la opción de referencia para muchos diseñadores.

+++Fin

Mouser Electronics
Distribuidor autorizado
www.mouser.com

Referencias

1 - https://www.euroncap.com/en/vehicle-safety/the-ratings-explained/safety-assist/occupant-status-monitoring/

2 - https://www.gminsights.com/industry-analysis/automotive-gesture-recognition-market