IT202100002153A1 - Apparato laser per la segnalazione luminosa dinamica e programmabile - Google Patents

Description

APPARATO LASER PER LA SEGNALAZIONE LUMINOSA DINAMICA E PROGRAMMABILE

Descrizione

Campo di applicazione

La presente invenzione trova applicazione nel settore dei dispositivi di segnalazione luminosa ed ha particolarmente per oggetto un apparato laser per la segnalazione luminosa dinamica e programmabile utilizzabile in diversi contesti, quali ad esempio per la generazione di segnali o avvisi stradali oppure sulla rete ferroviaria, all?interno di impianti industriali, siti commerciali o anche per scopi ludici e ricreativi.

L?apparato laser di segnalazione luminosa dinamica ? un sistema di segnalazione luminosa che proietta raggi laser in base a modelli spaziali programmati o configurati in tempo reale: esso ? altamente configurabile, modulare e scalabile.

L?apparato pu? emettere fasci di luce creando percorsi visivi in cattive condizioni di visibilit? su autostrade e strade comuni.

? progettato per essere un nodo di un'architettura di sistemi di segnalazione luminosa che pu? essere supervisionato da remoto, con funzionalit? di automazione e intelligenza locale avanzata.

L?apparato consente di definire modelli di segnalazione complessi, percorsi luminosi, riferimenti visibili, parole di testo e disegni animati specifici, progettati per segnalare pericoli o avvertenze.

L?apparato ? dotato di una sorgente Laser RGB ovvero di una sorgente unica costituita da tre fonti laser aventi lunghezze d?onda differenti:

? R: rosso, circa 650nm

? G: verde, circa 530nm

? B: blu, circa 400nm

Integrando in un sol corpo compatto 3 sorgenti a lunghezze d?onda Rossa, Blu e Verde, il laser ? capace innanzitutto di creare qualunque colore mixando le intensit? dei tre fasci e ci? consente di avere la possibilit? in real-time di decidere colore di animazioni o di parti di esse, cos? da fornire in base alle esigenze risalto particolare ai messaggi ed ai segnali visualizzati.

Non ultima la possibilit? di usare in base a condizioni differenti di visibilit? una lunghezza d?onda che meglio si adatti a rendere pi? chiari i messaggi proiettati.

E? anche presente un SoC (System on Chip), nello specifico un microcontrollore avanzato con chip con Wi-Fi integrato e Bluetooth dual-mode programmato con un firmware specifico e proprietario ottimizzato per effettuare il controllo della potenza di emissione delle 3 sorgenti laser (Rosso, Verde, Blu) ed il controllo degli specchi di deflessione del fascio laser combinato.

La gestione di tutte le funzionalit? dell?apparato viene realizzata grazie ad un SoM (System on Module) dalle dimensioni notevolmente contenute, a cui ? demandato in controllo generale di tutte le funzioni, dal controllo del laser (tramite comunicazione con il microcontrollore), alla comunicazione con l'esterno tramite protocolli di comunicazione industriali, al controllo dei sensori esterni tramite elettronica di controllo proprietaria.

Il modulo CPU ? programmato con Software Proprietario

Una scheda elettronica di controllo proprietaria consente di realizzare l?interconnessione e la comunicazione tra gli elementi costituenti l?apparato: essa in particolare implementa l?hardware di interfacciamento elettronico che consente di pilotare adeguatamente dispositivi come Laser RGB, Galvanometro, Rel? di comando e porte di I/O; inoltre essa consente l?interfacciamento necessario per la comunicazione tra i diversi sistemi di controllo, in particolare tra System On Module e Microcontrollore.

Infine, tale elettronica permette la generazione delle diverse fonti di alimentazione necessarie ai dispositivi presenti. L?elettronica di controllo proprietaria ? appositamente progettata da Theoresi SRL.

In termini di funzionalit? hardware e software l?apparato ha le seguenti caratteristiche: ? Animazioni Complesse quali:

- figure geometriche arbitrarie quali Segnali e Simboli stradali e Ferroviari - interpolazioni lineari di un numero finito di punti per ricostruire un percorso specifico

- testi animati di dimensione e caratteri diversi programmabili in real-time - immagini animate

- combinazioni arbitrarie di testi, immagini ed animazioni grafiche

- animazioni con combinazione dei 3 colori RGB

- Direzionalit? e Posizionamento: produce qualunque tipo di animazione consentendo la scrittura su un raggio di azione di -20? - 20? in orizzontale e verticale, permettendo il dimensionamento/scaling delle immagini e la definizione della posizione degli oggetti/testi disegnati, il tutto in real-time - Configurabilit? del sistema: il sistema ? configurabile e gestibile in remoto ed in locale utilizzando molteplici protocolli di comunicazione e librerie di interfacciamento, software applicativi in ambienti diversi (Windows e Linux Desktop, Mobile Android e iOS ed applicativi SCADA), file di configurazione e di interfacciamento ed hardware aggiuntivo che ne espande le capacit? - Espandibilit?: il sistema possiede porte di input che consentono il collegamento di sensori e dispositivi esterni, porte di uscita per il comando di apparecchiature, bus dati I2C ed SPI esterni per l?interfacciamento di sensori ed altri dispositivi;

- Protocolli di comunicazione e Standard di Interscambio: lo Smart Laser implementa il protocollo Modbus TCP, il protocollo FTP ed il protocollo RDP (Desktop Remoto); inoltre implementa i formato XML ed INI per i file di configurazione ed il formato ILDA per le animazioni grafiche

- Sensori hardware presenti: l?hardware possiede sensori di accelerazione e posizione e sensori di temperatura che consentono il controllo dello stato del sistema. Come detto possono esser aggiunti inoltre sensori esterni su bus o su ingressi digitali;

Prestazioni e dotazione hardware: l?apparato ? costituito da una sorgente laser monocromatica o da una sorgente laser RGB (tre colori) con potenze da 1W a salire. Possiede un sistema di riflessione che consente velocit? di oltre 30KBPS/s ed infine ? dotato dei seguenti sistemi di controllo:

Il SoM (System On Module) potr? essere un mini PC in ambiente Windows Embedded 2013 con processore a 1GHz e 512MB di RAM: utilizzato per le comunicazioni con l?esterno, per la gestione dei sensori e per l?alimentazione tramite rel? di Laser e Galvanometro e per il comando di un micro-controllore apposito per la gestione del Laser

Potr? essere previsto un micro-controllore per la gestione del laser a 48MHz o a 240MHz, in base alla versione, utilizzato per la gestione del Galvanometro e per la regolazione della potenza luminosa dei tre fasci laser RGB

I laser di classe 2 sono dispositivi molto piccoli e con laser deboli con una potenza in uscita inferiore a 1mW. I sistemi laser con una potenza compresa tra 1mW e 5mW sono di classe 3R, tra 5mW e 500mW sono classificati nella classe 3B. Ogni laser con radiazioni accessibili superiori a 500mW appartiene alla classe 4.

Anche i laser di classe 4 sono sicuri se proiettati sul pubblico, purch? non venga superata l?EMP (esposizione massima permessa) nell?area di accesso al pubblico. Per produrre un fascio visibile e persistente soprattutto in condizioni di scarsa illuminazione ? necessario un laser di classe 3B o di classe 4, motivo per cui la progettazione del laser deve esser fatta in modo tale che un oggetto potenzialmente pericoloso diventi innocuo.

L?apparato affronta questo problema da un punto di vista hardware, software e di procedure di installazione:

L?elettronica di controllo proprietaria possiede sensori integrati che misurano accelerazione e posizione del laser: una qualunque movimentazione del laser genera un segnale che ne interrompe il fascio fino al ripristino dell?apparecchiatura;

L?elettronica di controllo proprietaria consente di acquisire in ingresso sensori esterni quali barriere fotoelettriche e sensori di presenza o movimento che consentano di individuare persone nel raggio di azione del laser ed interrompere immediatamente il funzionamento dello stesso;

L?hardware del laser, grazie all?utilizzo di un processore veloce e ad un galvanometro ad elevata velocit?, ? progettato per avere una velocit? di scansione di oltre 30.000 punti al secondo: ci? significa che il singolo punto del laser permarr? nello stesso posto per circa 30 micro secondi, per poi spostarsi al punto successivo. Ci? garantisce, anche in caso di esposizione, un tempo di permanenza cos? piccolo tale che neanche un laser di classe 4 possa fare alcun danno;

Infine, le procedure di installazione prevedono la configurazione del raggio sempre e solo in direzione di oggetti e ad una altezza tali che l?intero raggio non debba mai attraversare un?area possibilmente interessata da passaggio di persone.

Di seguito si riportano alcuni esempi di applicazione dell?apparato per vari settori: Ferroviario: segnali grafici, animazioni e messaggi di allerta per gli attraversamenti dei binari e per i passaggi a livello con sbarre o senza, delimitazione luminosa di stazioni elettriche mobili e fisse con creazione di messaggi di informazione sullo stato di funzionamento o di allarme, delineazione contorni vie di fuga gallerie e messaggi di allarme relativi (contorno della porta di uscita per esempio)

Stradale: scrittura di messaggi di avviso e allarmi testuali, delimitazione di curve pericolose con segnali o percorsi ricostruiti per interpolazione di punti, identificazione di attraversamenti pedonali e semafori con colori differenti e messaggi testuali, delimitazione bordi gallerie in curva o rettilineo con segnali grafici, identificazione nicchie di emergenza, delimitazione di aree specifiche dove ci sono lavori con forme geometriche disegnate ad hoc

Industria: delimitazione di aree pericolose, identificazione di aree di lavoro o dello stato di una attivit?, delimitazione di aree di azione delle macchine o calibrazione delle stesse

Commerciale: diffusione di immagini e testi a scopo pubblicitario in centri commerciali, negozi, fiere o all?aperto

Intrattenimento: public-speaking con creazione di testi automatici durante un discorso, animazioni e testi durante le presentazioni

Educational: attivit? di sperimentazione e programmazione grazie ai protocolli di comunicazione ed alle librerie di comunicazione le quali consentano a studenti di sperimentare il laser programmandone le funzioni ed integrandolo in loro software Di seguito invece si illustra l?architettura hardware e software dell?apparato.

L?architettura ? schematizzabile con lo schema a blocchi della Fig. 1.

L?architettura mostra le seguenti componenti fondamentali:

? System on Module

? System on Chip

Il System On Chip ? una sorta di computer industriale miniaturizzato dotato di un potente microprocessore e di una veloce e capiente memoria RAM, tali da fornirgli la potenza sufficiente a gestire agevolmente tutte le funzioni di comando del laser e tutte le attivit? di comunicazione verso l?esterno.

Esso in particolare consente il collegamento dell?apparato laser a molteplici e differenti sistemi di controllo remoto, quali SCADA ed applicazioni proprietarie in ambiente mobile (Android ? iOS) e Desktop.

Esso implementa differenti protocolli di comunicazione tra i quali si citano i seguenti: ? Modbus TCP Server;

? FTP Server;

? RDP ? Remote Desktop Protocol;

Consente inoltre di gestire file di configurazione ed interfacciamento come:

? XML

? ILDA (International Laser Display Association) ? Official Graphic Format Files for Laser Animations

? Json;

Il System On Chip svolge i seguenti task:

? Controllo Stato Sensore di movimento/accelerazione/posizione

? Controllo Temperatura

? Comunicazione stato di funzionamento verso sistemi di supervisione remota ? Ricezione comandi da sistemi di supervisione remota

? Esecuzione Comandi di animazione laser tramite interfacciamento con il SoC ? Ricezione Configurazioni Sistema

? Controllo Digital Input Esterni, consente la ricezione di comandi digitali in ingresso

? Attivazione Uscite Digitali, inoltra comandi verso l?esterno

? Controllo Sensori Esterni (tramite espansioni seriali)

? Attivazione Rel? di accensione laser e galvanometro: fornisce l?alimentazione ai dispositivi prima di inviare i comandi di animazione grafica; serve in emergenza a spegnere immediatamente il laser togliendo alimentazione

? Comando Reset Microcontrollore, utile per ripristinare il sistema in caso di errori o per interruzione immediata di una animazione laser

Tutte queste attivit? sono svolte in parallelo tramite appositi processi simultanei garantendo quindi il funzionamento in real-time del sistema completo.

Il controllo di sensori come quelli di movimento o altri esterni aggiunti per esempio per il controllo della presenza persone, consentono di avere un elevato grado di sicurezza ed interrompere (o non avviare) le animazioni laser nel caso possa sussistere un pericolo per persone presenti in zona.

I sensori esterni consentono inoltre di automatizzare il funzionamento oltre che in spegnimento anche in accensione, permettendo per esempio di accendere il laser in condizioni meteo specifiche come foschia o scarsa visibilit?.

Il System On Module ? un microcontrollore avanzato dotato di connessione WI-FI e Bluetooth e predisposto per futura implementazione di protocolli come il LoraWAN. Esso, quindi, rappresenta prima di tutto un canale indipendente e ridondato per accedere alle funzionalit? di animazione laser.

Il microcontrollore, infatti, realizza completamente tutte le funzioni di comando del laser RGB e degli specchi di deflessione dei fasci laser.

Esso, essendo un microcontrollore ad elevata velocit? e dotato di memoria RAM notevole, consente di ottenere prestazioni di scansione del fascio laser di elevato livello, permettendo di raggiungere e superare agevolmente i 50 kbps (ovvero capace di effettuare la scansione di 50.000 punti differenti al secondo).

Le attivit? di controllo del laser vengono realizzate tramite tre elementi fondamentali: o Moduli PWM: vengono utilizzate tre uscite specializzate nella produzione di segnali PWM ovvero a modulazione di larghezza di impulso, i quali consentono di regolare finemente la potenza emessa da ognuna delle tre sorgenti laser R, G e B (Red, Green, Blue);

o DAC: tramite un banco di ?Digital to Analog Converter? appositamente progettato il microcontrollore ? in grado di produrre il segnale di controllo analogico utile al posizionamento degli specchi di deflessione verticale ed orizzontale dei fasci laser. La precisione dei DAC consente di effettuare un posizionamento degli specchi che come minimo consente di garantire una rotazione percentuale del singolo specchio pari allo 0,25% della escursione totale.

o RAM: il microcontrollore ? dotato di una memoria SRAM esterna di almeno 1Mbit la quale, avendo tempi di accesso bassissimi, consente di avere un deposito dati per le animazioni ricorrenti che permette un rapidissimo caricamento senza dover obbligare alla lettura di file o alla trasmissione via rete, certamente pi? lente.

Claims (8)

Rivendicazioni

1. Un apparato laser per la segnalazione luminosa dinamica e programmabile, caratterizzato dal fatto di comprendere:

- almeno una sorgente laser atta ad emettere fasci laser di lunghezza d?onda differente;

- mezzi di controllo di detta almeno una sorgente laser atti a regolare le intensit? di detti fasci ed a miscelare gli stessi per l?ottenimento di un fascio unico e la generazione in real-time di messaggi o segnali;

in cui detti mezzi di controllo comprendono un primo microcontrollore elettronico atto ad effettuare il controllo della potenza di emissione di detti fasci laser ed il controllo degli specchi di deflessione del fascio laser combinato.

2. Apparato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta sorgente laser ? una sorgente laser RGB.

3. Apparato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta sorgente laser racchiude in un unico corpo tre sorgenti a lunghezze d?onda scelte rispettivamente nello spettro del rosso, del blu e del verde.

4. Apparato secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che dette lunghezza d?onda hanno i seguenti valori:

per il rosso, circa 650nm;

per il verde, circa 530nm

per il blu, circa 400nm

5. Apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto primo microcontrollore ? associato a sensori integrati per la misurazione dell?accelerazione e della posizione di detta sorgente laser ed ? configurato per rilevare una qualunque movimentazione di detta sorgente laser e generare un segnale atto ad interrompere l?emissione del fascio laser.

6. Apparato secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto di comprendere sensori esterni, quali barriere fotoelettriche e sensori di presenza o movimento, atti ad individuare la presenza di persone nel raggio di azione del laser per interromperne immediatamente il funzionamento.

7. Apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere un galvanometro ad elevata velocit? progettato per avere una velocit? di scansione di oltre 30.000 punti al secondo.

8. Apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di controllo comprendono un secondo microcontrollore elettronico atto a comunicare con detto primo microcontrollore per il controllo di detta sorgente laser, per la comunicazione con l?esterno tramite protocolli di comunicazione industriali, e per il controllo di detti sensori esterni tramite apposita elettronica di controllo.