Time-of-Flight (ToF) konceptet er en metode til berøringsfri afstandsmåling mellem et objekt og en sensor, baseret på den forløbne tid mellem signalemission og dets tilbagevenden efter refleksion fra et objekt. Denne teknologi finder anvendelse i næsten enhver ingeniørdisciplin, herunder robotik, bilapplikationer, tilstedeværelsesdetektering, medicinsk teknologi og optisk navigation.

ToF-baserede sensorer bruger flere signaler, hvor lys og lyd bruges mest. Lyscentrerede ToF-sensorer er overvejende blevet erstattet af det mere nøjagtige udtryk LiDAR. Port automatisering, objektbeskyttelsessystemer og trafikstyringssystemer er nogle LiDAR-applikationer. Forskellige tilgængelige LiDAR-enheder er baseret på sensormekanismer som 1D, 2D og 3D LiDAR. Denne artikel vil diskutere det grundlæggende koncept for ToF, dets fordele og et applikationseksempel: 2D LiDAR bruger ToF-sensorer

ToF grundlæggende koncept og fordele:

ToF-sensorer beregner afstanden ved at måle, hvor lang tid det tager en puls af lys at rejse fra kilden til det observerede mål og derefter tilbage til detektoren. Figur 1 illustrerer proceduren, hvor en laser retter lysfotoner mod et mål. Et par kvanta lys reflekteres i sensoren, efter at de kolliderer med målet. Følgende formel beregner tiden:

Afstandsværdi = Fotons rejsetid/2 x lysets hastighed

Klik her for at lære mere om ToF-teknologi

Time of Flight
Figur 1: Time of flight-princippet

ToF-sensorer brug tid til at beregne afstande. Denne måling er den tid, det tager for fotoner at rejse mellem to punkter. To teknikker anvendes til at beregne tid: direkte eller indirekte. ToF-sensorer baseret på begge metoder giver specifikke fordele i bestemte sammenhænge. Begge måler samtidig afstand og intensitet for hver objektpixel. Direkte ToF-sensorer overfører korte lysimpulser, der varer et par nanosekunder og beregner den forløbne tid, det tager for det udsendte lys at vende tilbage. Tid beregnes direkte via en præcis tidsbase. LiDAR er et eksempel på en direkte ToF-sensor.

Direkte ToF er desværre besværligt at designe og ikke i stand til at skalere korrekt til høje opløsninger. Indirekte ToF-sensorer kommunikerer kontinuerligt, moduleret lys. Faseforskellen af det reflekterede lys beregnes for at beregne objektafstanden. En fase i lysbølgen er et bestemt tidspunkt i bølgeformens cyklus og måles som en vinkel i grader. En komplet cyklus kommer til 360°.

En ToF-sensor registrerer nøjagtigt genstande med det samme og forbliver uændret af temperatur, fugtighed og lufttryk. Dette gør det acceptabelt til indendørs og udendørs brug. Det giver præcise afstandsmålinger. Denne teknologi påvirkes ikke af optiske stivariationer, omgivende belysning og uafhængig af målobjektets refleksion.

2D LIDAR bruger Time-of-Flight-sensorer

LiDAR står for ”Light Detection and Ranging”, en beregningsteknik, hvor lys bruges til at måle afstanden til det nærmeste objekt. For at måle afstand direkte er de rettet mod en reflektor eller et bestemt mål. Disse sensorer, der behandler en enkelt dimension (afstand) gennem denne teknik, betegnes som 1D- eller en-dimensionelle sensorer. Rotation af målebjælkens bevægelse på et niveau angiver vinklen og afstanden, hvilket giver et todimensionelt resultat. Sensorer, der anvendes til sådanne målinger, er almindeligvis kendt som 2D LiDAR-sensorer eller 2D-laserscannere. De registrerer i ”sekventiel rækkefølge” de målte værdier, typisk med et lige tidsinterval mellem målingerne.

Når LiDAR-sensorer drejes, fungerer de i tredje dimension. Den drejelige handling giver information om position og afstand langs X-aksen, Y-aksen og Z-aksen. Identiske oplysninger kan udvindes om forskellige rumparametre, hvis flere sender- og modtagersystemer placeret ved forskellige sensorer scanner vandrette vinkler under bevægelse. Dette betegnes som en flerlagsscanner.

Vi vil nu diskutere 2D LiDAR-baseret på ni VL53L1X ToF-sensorer med lang afstand. Det opretter et simpelt miljødybdekort med et 180° synsfelt (FoV). Et sådant system kan udformes ved hjælp af VL53L1X ULD API (ultra-lite driverprogrammeringsgrænseflade) sammen med et C-funktionssæt, der styrer en enkelt VL53L1X-sensor eller flere VL53L1X-sensorer. Denne 2D LIDAR-applikation er et glimrende eksempel på, hvordan man administrerer et stort antal sensorer.

Hele systemet fremstilles ved hjælp af P-NUCLEO-53L1A1 kombineret med X-NUCLEO-53L1A1 ekspansionskort og STM32F401RE NUCLEO, som vist i figur 2. De ni sensorer er fastgjort til VL53L1X breakout boards og deler identisk I2C-interface, jord og strøm. Hver sensor reset pin forbinder til en allokeret vært GPIO pin.

Hver af de ni sensorer har en 20° FoV til at dække LiDARs samlede 180° FoV, og firmwaren er programmeret til at give 13 datapunkter pr. sensor. Så en komplet 180° fejning vil skabe 117 datapunkter i alt. Timingbudgettet er omkring 12 mS pr. sensor-”zone”, og dette svarer til en samlet sweeptid på ca. 160 mS. Dette ville give en billedhastighed på lidt mere end 6 FPS. Betjening af LiDAR-systemet

VL53L1X sensorer
Figur 2: 2D LIDAR med flere VL53L1X-sensorer

2D LiDAR bruges i flere applikationer, herunder autonome køretøjer, landbrug, flodmåling, modellering af forurening, arkæologi og bygningskonstruktion.

Hold dig informeret


Hold dig opdateret med de nyeste oplysninger og eksklusive tilbud!

Tilmeld dig nu

Databeskyttelse & Fortrolighedspolitik

Tak for din tilmelding

Godt klaret! Du er nu en del af en elitegruppe, der modtager de nyeste oplysninger om produkter, teknologier og applikationer direkte i din indbakke.

Udvalgte produkter

Avnet Ultra 96

VL53L1CXV0FY/1

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

Raspberry Pi 4

X-NUCLEO-53L1A1

VL53L1Z Time of Flight (ToF) Afstandssensor, til Nucleo Boards

Arduino Portena

NUCLEO-F401RE

STM32F401RET6 ARM MCU, On-board debugger, Arduino Uno Compatible

Beaglebone AI

P-NUCLEO-53L1A1

VL53L1Z Time of Flight (ToF) Afstandssensor, For STM32 Nucleo

Tekniske ressourcer

Artikler, e-bøger, webinarer og meget mere.
Holder dig opdateret med innovationer.