Time-of-Flight (ToF) konceptet är en metod för beröringsfria avståndsmätningar mellan ett objekt och en sensor som är baserade på den tid som gått mellan signalemission och dess återkomst efter reflektion från ett objekt.Denna teknik kan användas i nästan alla tekniska discipliner, inklusive robotik, fordonsapplikationer, närvarodetektering, medicinsk teknik och optisk navigering.

ToF baserade sensorer använder flera signaler där ljus och ljud används mest.Ljuscentrerade ToF sensorer har övervägande ersatts av den mer exakta termen LiDAR.Portautomation, objektskyddssystem och trafikhanteringssystem är några LiDAR applikationer.Olika tillgängliga LiDAR enheter är baserade på avkänningsmekanismer som 1D, 2D och 3D LiDAR.Denna artikel kommer att diskutera det grundläggande konceptet för ToF, dess fördelar och ett applikationsexempel:2D LiDAR med ToF sensorer.

ToF grundläggande koncept och fördelar:

ToF sensorer beräknar avståndet genom att mäta hur lång tid det tar för en ljuspuls att resa från källan till det observerade målet och sedan tillbaka till detektorn.Figur 1 illustrerar proceduren där en laser riktar fotoner av ljus mot ett mål.Några kvantiteter av ljus reflekteras in i sensorn efter att de har kolliderat med målet.Följande formel beräknar flygtiden:

Avståndsvärde = Fotots restid/2 x ljusets hastighet

För att lära dig mer om ToF teknik, klicka här

Time of Flight
Figur 1:Time-of-Flight princip

ToF sensorer använder tid för att beräkna avstånd.Denna mätning är den tid som det tar för fotoner att resa mellan två punkter.Två tekniker används för att beräkna tid: direkt eller indirekt.ToF sensorer som är baserade på båda metoderna tillhandahåller specifika fördelar i vissa sammanhang.Båda mäter samtidigt avstånd och intensitet för varje objektpixel.Direkta ToF sensorer överför korta ljuspulser som varar några nanosekunder och som beräknar den förflutna tiden som det tar för det utsända ljuset att återvända.Tiden beräknas direkt via en exakt tidsbas.LiDAR är ett exempel på en direkt ToF sensor.

Direkt ToF är tyvärr ansträngande att designa och kan inte skalas ordentligt till höga upplösningar.Indirekta ToF sensorer kommunicerar kontinuerligt, modulerat ljus.Det reflekterade ljusets fasskillnad beräknas för att beräkna objektets avstånd.En fas i ljusvågen är en viss tidpunkt i vågformcykeln och mäts som en vinkel i grader.En komplett cykel når 360°.

En ToF sensor upptäcker exakt föremål direkt och förblir oförändrad av temperatur, fuktighet och lufttryck.Detta gör det acceptabelt för inomhus- och utomhusbruk.Det tillhandahåller exakta avståndsmätningar.Denna teknik påverkas inte av optiska banvariationer, omgivande belysning och är oberoende av målobjektets reflektion.

2D LIDAR med Time-of-Flight sensor:

LiDAR står för 'Light Detection and Ranging', en beräkningsteknik där ljus används för att mäta avståndet till närmaste objekt.För att mäta avstånd direkt riktas de mot en reflektor eller ett visst mål.De sensorerna som bearbetar en enskild dimension (avstånd) genom denna teknik kallas för 1D eller endimensionella sensorer.Rotation av mätstrålens rörelse på en nivå indikerar vinkel och avstånd, vilket tillhandahåller ett tvådimensionellt resultat.Sensorer som används för sådana mätningar är allmänt kända som 2D LiDAR sensorer eller 2D laserskannrar.De upptäcker i 'sekventiell ordning' de uppmätta värdena, vanligtvis vid samma tidsintervall mellan mätningarna.

När LiDAR sensorerna svängs, fungerar de i den tredje dimensionen.Den svängbara åtgärden erbjuder information om position och avstånd längs X-axeln, Y-axeln och Z-axlarna.Identisk information kan extraheras om olika rymdparametrar om flera sändar- och mottagarsystem som är placerade vid olika sensorer skannar horisontella vinklar under rörelse.Detta kallas för en flerskiktsskanner.

Vi kommer nu att diskutera 2D LiDAR baserat på nio VL53L1X långväga ToF sensorer.Det skapar en enkel miljödjupskarta med 180° synfält (FoV).Ett sådant system kan skapas med hjälp av VL53L1X ULD API (ultra-lite drivrutins applikationsprogrammerings gränssnitt), tillsammans med en C-funktionsuppsättning som kontrollerar en enskild VL53L1X sensor eller flera VL53L1X sensorer.Denna 2D LIDAR applikation är ett utmärkt exempel på hur man administrerar ett stort antal sensorer.

Hela systemet bereds med hjälp av P-NUCLEO-53L1A1 kombinerat med X-NUCLEO-53L1A1 expansionskort och STM32F401RE NUCLEOsom visas i figur 2.De nio sensorerna är anslutna till VL53L1X brytkort och delar identiskt I2C gränssnitt, jord och kraft.Varje sensors återställningsstift ansluts till en tilldelad värds GPIO stift.

Var och en av de nio sensorerna har en 20° FoV för att täcka LiDAR's totala 180° FoV och programvaran är programmerad att tillhandahålla 13 datapunkter per sensor.Så en komplett svepning på 180° skulle skapa 117 datapunkter totalt.Tidsbudgeten är ungefär 12mS per sensor 'zon' och detta skulle motsvara en total sveptid på ungefär 160mS.Detta skulle tillhandahålla en bildhastighet på lite mer än 6 FPS. Användning av LiDAR systemet

VL53L1X sensorer
Figur 2:2D LIDAR med flera VL53L1X sensorer

2D LiDAR används i flera applikationer, inklusive autonoma fordon, jordbruk, flodundersökning, modellering av föroreningar, arkeologi och byggnadskonstruktion.

Håll dig informerad


Håll dig uppdaterad om den senaste informationen och exklusiva erbjudanden!

Prenumerera nu

Dataskydd och integritetspolicy

Tack för din prenumeration

Bra jobbat! Du tillhör nu en elitgrupp som får den senaste informationen om produkter, teknik och tillämpningar direkt i din inkorg.

Utvalda produkter

Avnet Ultra 96

VL53L1CXV0FY/1

I2C, 4000 mm, OLGA, 12 stift, 2.6 V, 3.5 V

Raspberry Pi 4

X-NUCLEO-53L1A1

VL53L1Z Flight of Time (ToF) avståndssensor för Nucleo Boards

Arduino Portena

NUCLEO-F401RE

STM32F401RET6 ARM MCU, ombord felsökning, Arduino Uno kompatibel

Beaglebone AI

P-NUCLEO-53L1A1

VL53L1Z Time of Flight (ToF) avståndssensor för STM32 Nucleo

Tekniska resurser

Artiklar, e-böcker, webbseminarier och mer.
Håller dig uppdaterad om innovationer.