Optimized circle detection algorithm for embedded SoC: a new frontier of non-contact displacement sensing

In recent years, the development of non-contact optical distance sensors has become a cornerstone in various industries, highlighting the shift from traditional contact-based sensors, such as LVDTs, towards more advanced and precise measurement technologies. In this context, Tecnosens S.p.A. made a significant leap in 2021 by patenting a new optical sensor designed for distance measurement with micrometric precision. This thesis centers on the subsequent development of an optimized algorithm tailored for embedded systems, aimed at processing data from Tecnosens's patented sensor to achieve state-of-the-art performance, specifically targeting at least 100 measurements per second with accuracy below 10 micrometers. This research deepens the algorithm's integration within an embedded hardware framework, utilizing an AMD Zynq UltraScale+ MPSoC. It meticulously examines how the computational tasks must be distributed between the FPGA and the processor to ensure synchronized operation, thereby meeting the stringent performance criteria established. The results presented prove to be competitive with the leading technologies in the field, highlighting the sensor's applicability across a broad spectrum of sectors, including mechanical engineering, glass measurement, and automation. These areas have historically faced challenges with the cost, fragility, and complexity associated with traditional sensors. By forging a link between cutting-edge optical sensing technology and the practical requirements of industrial automation, this thesis not only enhances the precision and reliability of distance measurement but also lays the groundwork for future advancements in non-contact sensor technology. This opens new pathways for the development of more robust, cost-effective, and adaptable measurement systems across various industrial applications.

Negli ultimi anni, lo sviluppo di sensori ottici di distanza non a contatto è diventato una pietra miliare in varie industrie, evidenziando il passaggio dai tradizionali sensori a contatto, come gli LVDT, verso tecnologie di misurazione più avanzate e precise. In questo contesto, Tecnosens S.p.A. ha compiuto un significativo salto in avanti nel 2021 brevettando un nuovo sensore ottico progettato per la misurazione di distanze con precisione micrometrica. Questa tesi si concentra sullo sviluppo successivo di un algoritmo ottimizzato per i sistemi embedded, mirato all'elaborazione dei dati dal sensore brevettato da Tecnosens per raggiungere prestazioni all'avanguardia, specificamente puntando ad almeno 100 misurazioni al secondo con un'accuratezza inferiore ai 10 micrometri. Questa ricerca approfondisce l'integrazione dell'algoritmo all'interno di un hardware embedded, utilizzando un AMD Zynq UltraScale+ MPSoC. Esamina meticolosamente come le attività di calcolo devono essere distribuite tra l'FPGA e il processore per garantire un'operazione sincronizzata, soddisfacendo così i rigorosi criteri di prestazione stabiliti. I risultati presentati si dimostrano competitivi con le tecnologie leader nel campo, evidenziando l'applicabilità del sensore in un ampio spettro di settori, inclusi l'ingegneria meccanica, la misurazione del vetro e l'automazione. Queste aree hanno storicamente affrontato sfide legate al costo, alla fragilità e alla complessità associati ai sensori tradizionali. Creando un collegamento tra la tecnologia di rilevamento ottico all'avanguardia e i requisiti pratici dell'automazione industriale, questa tesi non solo migliora la precisione e l'affidabilità della misurazione della distanza, ma pone anche le basi per futuri avanzamenti nella tecnologia dei sensori senza contatto. Ciò apre nuove vie per lo sviluppo di sistemi di misurazione più robusti, economici e adattabili in varie applicazioni industriali.