Conceptul de detectare a distanței pe baza vitezei luminii (ToF) este o metodă pentru măsurarea fără contact a distanței dintre un obiect și un senzor, pe baza timpului scurs între emisia semnalului și revenirea acestuia după reflectarea dintr-un obiect. Această tehnologie se utilizează în aproape toate disciplinele ingineriei, inclusiv în robotică, aplicații auto, detectarea prezenței, tehnologie medicală și navigație optică.

Senzorii ToF utilizează mai multe semnale, lumina și sunetul fiind cele mai utilizate. Senzorii ToF centrați pe lumină au fost substituiți în mod predominant cu termenul mai precis LiDAR. Automatizarea porturilor, sistemele de protecție a obiectelor și sistemele de gestionare a traficului sunt câteva aplicații LiDAR. Diverse dispozitive LiDAR disponibile se bazează pe mecanisme de detecție precum LiDAR 1D, 2D și 3D. Acest articol va aborda conceptul fundamental al ToF, beneficiile acestuia și un exemplu de aplicație: LiDAR 2D cu senzori ToF.

Conceptul și avantajele fundamentale ale ToF:

Senzorii ToF calculează distanța măsurând timpul necesar pentru ca un impuls de lumină să se deplaseze de la sursă la ținta observată și apoi înapoi la detector. Figura 1 ilustrează procedura prin care un laser țintește fotonii de lumină pe o țintă. Câteva cuantumuri de lumină, după ce lovesc ținta, sunt reflectate în senzor. Următoarea formulă calculează timpul de zbor:

Valoarea distanței = timpul de deplasare al fotonilor / 2 x viteza luminii

Pentru a afla mai multe despre tehnologia ToF, faceți clic aici

Detectarea distanței pe baza vitezei luminii
Figura 1: Principiul detectării distanței pe baza vitezei luminii

Senzorii ToF utilizează timpul pentru a calcula distanțele. Această măsurătoare reprezintă timpul necesar fotonilor pentru a se deplasa între două puncte. Se utilizează două tehnici pentru a calcula timpul: direct sau indirect. Prin ambele metode, senzorii ToF oferă avantaje specifice în contexte particulare. Ambele măsoară simultan distanța și intensitatea pentru fiecare pixel al obiectului. Senzorii ToF direcți transmit impulsuri scurte de lumină care durează câteva nanosecunde și calculează timpul de care are nevoie lumina emisă pentru a reveni. Timpul este calculat direct printr-o bază de timp precisă. LiDAR este un exemplu de senzor ToF direct.

Din păcate, senzorul ToF direct este dificil de proiectat și nu poate urca în mod corespunzător la rezoluții înalte. Senzorii ToF indirecți comunică lumină continuă, modulată. Diferența de fază a luminii reflectate este calculată pentru a socoti distanța obiectului. O fază în unda de lumină este un anumit moment din timp de pe ciclul formei de undă și este măsurată ca un unghi, în grade. Un ciclu complet este de 360°.

Un senzor ToF detectează cu exactitate obiectele instantaneu și rămâne nemodificat de temperatură, umiditate și presiunea aerului. Acest lucru îl face acceptabil pentru utilizare în interior și în exterior. Oferă măsurători precise ale distanței. Această tehnologie nu este afectată de variațiile traseului optic, de iluminarea ambientală și de independența reflectanței obiectului țintă.

LiDAR 2D cu senzor pentru detectarea distanței pe baza vitezei luminii:

LiDAR înseamnă „Light Detection and Ranging” (detectarea distanței cu ajutorul razei coerente), o tehnică de calcul în care lumina este utilizată pentru a măsura distanța până la cel mai apropiat obiect. Pentru a măsura distanța în mod direct, acestea sunt îndreptate către un reflector sau o anumită țintă. Acei senzori care procesează o singură dimensiune (distanță) prin această tehnică sunt denumiți senzori 1D sau unidimensionali. Mișcarea de rotație a fasciculului de măsurare pe un nivel indică unghiul și distanța, oferind un rezultat în două dimensiuni. Senzorii utilizați pentru astfel de măsurători sunt, în general, cunoscuți ca senzori LiDAR 2D sau scanere laser 2D. Ei detectează în „ordine secvențială” valorile măsurate, de obicei la un interval de timp egal între măsurători.

Atunci când sunt pivotați, senzorii LiDAR funcționează în a treia dimensiune. Acțiunea de pivotare oferă informații privind poziția și distanța de-a lungul axelor X, Y și Z. Informații identice pot fi extrase despre diferiți parametri spațiali dacă mai multe sisteme de emisie-recepție poziționate la senzori diferiți scanează unghiuri orizontale în timpul mișcării. Acesta se numește scanner cu mai multe straturi.

Acum vom discuta despre LiDAR 2D pornind de la nouă senzori ToF VL53L1X cu rază mare. Acesta creează o hartă simplă a adâncimii mediului, cu un câmp vizual (FoV) de 180°. Un astfel de sistem poate fi creat utilizând VL53L1X ULD API (interfață de programare a aplicațiilor cu driver ultra-lite), împreună cu un set de funcții C care controlează un singur senzor VL53L1X sau mai mulți senzori VL53L1X. Această aplicație LIDAR 2D este un exemplu excelent al modului de administrare a unui număr mare de senzori.

Sistemul complet este pregătit utilizând P-NUCLEO-53L1A1 combinat cu placa de expansiune X-NUCLEO-53L1A1 și cu STM32F401RE NUCLEO, după cum se arată în figura 2. Cei nouă senzori sunt atașați la circuitele imprimate VL53L1X și împărtășesc o interfață I2C, o masă și o putere identice. Fiecare pin de resetare a senzorilor se conectează la un pin GPIO gazdă alocat.

Fiecare dintre cei nouă senzori are un FoV de 20° pentru a acoperi câmpul vizual total de 180° al LiDAR, iar firmware-ul este programat să ofere 13 puncte de date per senzor. Așadar, un baleiaj complet la 180° ar crea un total de 117 puncte de date. Bugetul de sincronizare este de aproximativ 12 mS pe „zonă” a senzorului, ceea ce ar echivala cu un timp total de baleiaj de aproximativ 160 mS. Acest lucru ar oferi o viteză a cadrelor de puțin peste 6 FPS. Funcționarea sistemului LiDAR

Senzori VL53L1X
Figura 2: LIDAR 2D cu mai mulți senzori VL53L1X

LiDAR 2D este utilizat în mai multe aplicații din domenii precum vehiculele autonome, agricultura, supravegherea râurilor, modelarea poluării, arheologie și construcții de clădiri.

Fiți mereu informați


Fiți la curent cu cele mai recente informații și oferte exclusive!

Abonați-vă acum

Politica privind protecția datelor și confidențialitatea

Vă mulțumim că v-ați abonat

Excelent! Acum faceți parte dintr-un grup de elită care primește cele mai recente informații despre produse, tehnologii și aplicații direct în căsuța de e-mail.

Produse recomandate

Avnet Ultra 96

VL53L1CXV0FY/1

I2C, 4.000 mm, OLGA, 12 pini, 2,6 V, 3,5 V

Raspberry Pi 4

X-NUCLEO-53L1A1

Senzor pentru detectarea distanței pe baza vitezei luminii (ToF) VL53L1Z, pentru plăci Nucleo

Arduino Portenta

NUCLEO-F401RE

Microcontroler ARM STM32F401RET6, cu depanator integrat, compatibil Arduino Uno

Beaglebone AI

P-NUCLEO-53L1A1

Senzor pentru detectarea distanței pe baza vitezei luminii (ToF) VL53L1Z, pentru STM32 Nucleo