1. januar, 2019

Osnove senzorjev časa preleta, prepoznavanje kretenj in merjenje oddaljenosti

Revija logo digikey 300x150 - Osnove senzorjev časa preleta, prepoznavanje kretenj in merjenje oddaljenostiDigi-Key Electronics
Avtor: Rich Miron
2019_270_33

Številne aplikacije zahtevajo zaznavanje prisotnosti ali oddaljenosti fizičnih predmetov, ne da bi se jih dotaknile. Zaradi potrebe po zaznavanju bližine so tako nastale številne konkurenčne rešitve, vključno z optičnimi senzorji časa preleta (ToF). Čeprav so senzorji časa preleta natančni, so njihove rešitve drage in kompleksne, vendar nedavne rešitve omogočajo bistveno bolj preprosto uporabo te tehnologije.

Med izdelke, ki uporabljajo zaznavanje bližine, spadajo kamere s sistemom samodejne ostritve, roboti, droni, različna kopalniška oprema in senzorji dostopa za avtomatska vrata. To je le nekaj primerov od mnogih. Osnovne konkurenčne tehnologije zaznavanja bližine so opremljene z infrardečimi in ultrazvočnimi senzorji, naprednejše pa s čedalje bolj kompleksnimi senzorskimi sistemi, kot so stereoskopske videokamere z nevronskimi mrežami.

Vse te tehnologije imajo svoje omejitve in čeprav za izvajanje kompleksnih nalog, kot sta prepoznavanje predmetov in sledenje pri samostojnih vozilih, morda potrebujejo umetno inteligenco, so finančno potratne. Razvijalci se namreč soočajo s čedalje manjšimi proračuni in krajšimi roki, zato morajo nižati stroške, manjšati prostor in krajšati čas razvijanja.

Ena od alternativ senzorjem bližine so senzorji časa preleta, ki merijo oddaljenost ciljnega predmeta tako, da merijo čas povratne poti fotonov, ko ti potujejo od senzorja do predmeta in nazaj. Do zdaj je bilo zasnove senzorjev časa preleta težko izvesti hitro in z nizkimi stroški, vendar nove generacije visoko integriranih in cenovno ugodnih senzorjev časa preleta zdaj omogočajo izjemno natančno zaznavanje brez dotika za cenejše zasnove.

V tem članku sta najprej obravnavana razvoj in uporaba tehnologije za merjenje oddaljenosti, vključno s senzorji časa preleta, v številnih aplikacijah za zaznavanje oddaljenosti in prepoznavanje kretenj, nato je podana razlaga, kako deluje tehnologija senzorjev časa preleta, na koncu pa so predstavljene najnovejše rešitve in njihova izvedba.

Prvi senzorji bližine
Fotoaparat Polaroid SX-70 za takojšnjo izdelavo slik, ki so ga začeli prodajati leta 1972, je bil opremljen s številnimi inovativnimi tehnologijami, vključno z zložljivo optično zasnovo s tremi ogledali, lečami Fresnel ter plosko 6-voltno baterijo, vgrajeno v paket filma za takojšnjo izdelavo slik, in bliskavico za deset posnetkov. Vendar je bila ena najvplivnejših tehnologij, s katero je podjetje Polaroid opremilo fotoaparat SX-70, sistem samodejnega ostrenja Sonar, ki so ga prvič uporabili v fotoaparatu Polaroid SONAR OneStep leta 1978 (slika 1). Sistem samodejnega ostrenja SONAR je uporabljal inovativen ultrazvočni pretvornik, ki je oddajal ultrazvočni signal in prejemal odbojno ultrazvočno energijo.

Ultrazvočni senzor sistema SONAR je bil tako uspešen, da je podjetje Polaroid ustvarilo posel, ki je temeljil samo na senzorju, dediščina senzorja samodejnega ostrenja ultrazvočnega senzorja Polaroid pa je prisotna še danes. Na primer cenovno ugoden ultrazvočni modul SparkfunSEN-13959 HRC-SR04, ki je senzor oddaljenosti z ločenima pretvornikoma oddajnih in sprejemnih signalov (slika 2). Senzor je zasnovan tako, da ga neposredno poganja razvojna plošča Arduino. Razpon oddaljenosti, ki jo zaznava, je od 2 do 400 cm (centimetrov), pri čemer lahko izvede nestično merjenje bližine z najnižjo ločljivostjo 3 mm (milimetrov).

Za merjenje razdalje s tem modulom plošča Arduino (ali drug krmilnik) pošlje 10 µs (mikrosekundni) impulz nožici Trig, ki sproži niz osmih kratkih ultrazvočnih impulzov, ki jih odda ultrazvočni oddajnik. Zvočni impulzi zadenejo cilj in se odbijejo nazaj, pri čemer potujejo s hitrostjo 343 m (metrov) na sekundo (v običajnem okolju s temperaturo 20 ˚C). Razdalja do cilja je čas med oddajo in prejemom ultrazvočnih impulzov, pomnožen s 343 metri na sekundo ter deljen z dva (zaradi upoštevanja povratne poti).

Ultrazvočni impulzi se dobro odbijajo od trdih površin in slabše od mehkih površin, kot so zavese, preproge, obleke in hišni ljubljenčki. Natančnost merjenja je odvisna od uporabljene metode za merjenje časa impulzov. Modul Sparkfun SEN-13959 takega nadzora časa ne omogoča in je za natančno merjenje časa odvisen od gostiteljeve procesorske enote. Poleg tega sta natančnost in stabilnost merjenja oddaljenosti pri ultrazvočnih senzorjih odvisni od temperature zraka (ki spreminja hitrost zvoka v zraku) in gibanja zraka (ki odnaša precej odbite ultrazvočne energije in oslabi povratni signal).

Za zaznavanje bližine in merjenje oddaljenosti se uporabljajo tudi infrardeče lučke LED. Senzorska enota za merjenje oddaljenosti GP2Y0A41SK0F podjetja Sharp Microelectronics lahko na primer zazna predmete na razdalji od 4 cm do 30 cm na osnovi jakosti odbojne infrardeče svetlobe lučke LED (slika 3). Za določanje oddaljenosti predmeta senzor odda analogno napetost med nekoliko več kot 3 V (kar ustreza razdalji 3 cm) in približno 0,3 V (kar ustreza razdalji 40 cm). Naloga krmilnika gostitelja je pretvoriti to analogno napetost v digitalno obliko.

Oddaljenost predmeta temelji na količini odbite infrardeče energije, zato je natančnost te vrste infrardečega senzorja izpostavljena napakam zaradi spremenljivk, kot sta odbojnost predmeta in jakost osvetlitve okolja.

Drug način merjenja oddaljenosti predmeta z infrardečo svetlobo je merjenje časa preleta fotonov, medtem ko potujejo od infrardečega oddajnika senzorja do predmeta, se odbijejo od njega in nato vrnejo v senzor. Ta vrsta senzorja za merjenje bližine združuje lastnosti časa preleta ultrazvočnega senzorja in relativno enakomerno hitrost fotonov, na katero ne vpliva gibanje zraka, osvetlitev okolja ali odbojnost.

Do nedavnega je bilo težko meriti čas preleta fotonov, ki potujejo na kratkih razdaljah, ker svetloba potuje s hitrostjo 299.792.458 metrov na sekundo oziroma na splošno približno en čevelj na nanosekundo. Zato senzorji časa preleta potrebujejo zelo natančno merjenje časa, krajšega od nanosekunde, da zaznajo razdalje nekaj milimetrov, centimetrov ali celo palcev.

Vendar je zaradi industrije videoiger tehnologija senzorjev časa preleta postala veliko cenejša. Morda je do zdaj najbolj znan primer uporabe senzorjev časa preleta krmilnik za igre Microsoft® Kinect (slika 4). Prva generacija krmilnika iz druge polovice leta 2010 se je uporabljala kot zunanja naprava Microsoftove konzole Xbox 360. Krmilnik je postal zelo priljubljen pri razvijalcih robotov, ker je bil z uporabo funkcije zaznavanja oddaljenosti senzorjev časa preleta sposoben ustvariti tridimenzionalne zemljevide neposredne okolice robotov.

Tehnologija zaznavanja krmilnika Kinect je bila pomanjšana in poenostavljena z namenom ustvarjanja praktičnih senzorjev merjenja oddaljenosti, ki ustrezajo številnim vdelanim aplikacijam.

Laserji VCSEL in fotodiode SPAD
Podjetje STMicroelectronics zdaj na primer ponuja večgeneracijsko serijo miniaturnih senzorjev časa preleta za merjenje bližine. Ti senzorji temeljijo na nekaj izjemno sodobnih tehnologijah, ki vključujejo infrardeče laserje z vertikalno resonančno votlino (VCSEL) in modele fotodiod za zaznavanje enega fotona (SPAD).

Trije senzorji v tej seriji senzorjev časa preleta so VL53L0CX, the VL53L1CX in VL6180X. Čeprav vsi merijo oddaljenost, ima vsak od njih drugačne zmogljivosti.

Senzor časa preleta VL6180X prve generacije ima en razpon zaznavanja in meri bližino na razdalji od nekaj milimetrov do 100 milimetrov (slika 5). Ta senzor meri 4,8 × 2,8 × 1 mm in ima 42-stopinjsko vidno polje. Poleg tega ima vgrajen senzor osvetlitve okolja, ki mu omogoča prilagajanje spremembam osvetlitve okolja.

Senzor časa preleta VL53L0CX druge generacije ima razpon zaznavanja v notranjem prostoru od 50 do 1200 mm in deluje proti belem cilju (slika 6). Ta senzor meri 4,4 × 2,4 × 1 mm in ima 25-stopinjsko vidno polje. Pri uporabi na prostem se zaradi osvetlitve okolja največji razpon zaznavanja skrajša na 600 do 800 mm.

Senzor časa preleta VL53L1CX tretje generacije ima tri razpone oddaljenosti (slika 7). Največja oddaljenost pri kratkem, srednjem in dolgem razponu zaznavanja je 1360, 2900 in 3600 mm za bel cilj brez osvetlitve okolja. Pri močni osvetlitvi okolja je največja oddaljenost pri kratkem, srednjem in dolgem razponu zaznavanja 1350, 760 in 730 mm. V nasprotju s pričakovanji ima razpon kratke oddaljenosti najdaljši doseg merjenja, če je osvetlitev okolja močna.

Senzor VL53L1CX meri 4,9 × 2,5 × 1,56 mm in ima največ 27-stopinjsko vidno polje. (Vidno polje tega senzorja je programirljivo in ga je mogoče zožati, kot je razloženo spodaj.)

Vsi trije senzorji časa preleta poročajo mere z ločljivostjo 1 mm procesorju gostitelja prek digitalnega vmesnika I2C, ki deluje tudi kot nadzorna vrata senzorja. Ker ti senzorji uporabljajo vmesnik I2C, jih je mogoče izjemno preprosto povezati s procesorjem gostitelja (slika 8).

Upoštevajte zelo specifično zahtevo o obvodu za napajalne vode AVDDVCSEL in AVDD. Obvodni kondenzatorji s kapacitivnostjo 100 nanofaradov in 4,7 mikrofarada morajo biti nameščeni čim bližje senzorju, da preprečijo vstop hrupa napajanja v senzor in s tem zmanjšanje njegove natančnosti.

Ti senzorji časa preleta so v osnovi vsi enodimenzionalni, saj poročajo bližino predmetov, ki so v njihovem vidnem polju. Če je v vidnem polju senzorjev več predmetov, poročajo razdaljo do najbližjega predmeta. En senzor ne more zaznati smeri kretnje ene roke, lahko pa se uporablja za zaznavanje štirih preprostih kretenj, ki vključujejo:
En dotik (roka se premika navzdol, da se dotakne senzorja)
Dvojni dotik
En podrsljaj (roka se premika vodoravno in pravokotno glede na vidno polje senzorja)
Dvojni podrsljaj

Z enim od teh senzorjev časa preleta je mogoče pridobiti informacije o kretnjah in gibih z uporabo enega, dveh ali več senzorjev za zaznavanje kretenj in gibanja v več dimenzijah. Združene senzorje časa preleta je mogoče uporabiti tudi za razločevanje gibov roke z leve proti desni in desne proti levi.

Poleg tega je s senzorji bližine VL53L1CX tretje generacije mogoče pridobiti več informacij prek prilagojenega zoženja njegovega vidnega polja. To se izvede tako, da se z uporabo ukazov, poslanih k senzorju prek vmesnika I2C, izklopi posamezne fotodiode SPAD v senzorjevi strukturi. Strukturo SPAD senzorja bližine VL53L1CX sestavlja 256 fotodiod v zaporedju16 × 16. Kateri koli kvadratast ali pravokoten del zaporedja je mogoče aktivirati prek ukazov programske opreme, ki določajo dva kota ohišja, ki obdaja fotodiode SPAD, v zaporedju, ki naj bi postalo aktivno. Z zmanjšanjem števila aktivnih elementov se zmanjša vidno polje senzorja in zoža njegovo območje zanimanja. Edina zahteva je ta, da mora biti aktivnih najmanj 16 fotodiod SPAD v zaporedju 4 × 4, vendar so dovoljena tudi večja zaporedja.

Razvijanje s senzorji časa preleta
Začetku razvoja senzorja bližine VL53L1CX je namenjen priloženi razvojni komplet P-NUCLEO-53L1A1, ki vključuje razvojno ploščo STM32F401RE Nucleo, ki temelji na mikrokontrolerju STMicroelectronics STM32, ter razširitveno ploščo X-NUCLEO-53L1A1, ki jo je treba namestiti na ploščo mikrokontrolerja in sprejema dve plošči »breakout« VL53L1X (ki sta prav tako priloženi kompletu) (slika 9).

Razvojni komplet P-NUCLEO-53L1A1 vključuje tudi sistemsko programsko opremo in primere izvorne kode za hiter začetek razvoja. Podjetje STMicroelectronics v paketu razvojne programske opreme STM32Cube ponuja tudi razširitvene module za senzorje časa preleta z zaznavanjem kretenj. Ti razširitveni moduli so namenjeni posameznim senzorjem in jih je mogoče brezplačno prenesti neposredno s spletnega mesta podjetja STMicroelectronics.

Ker so ti senzorji časa preleta STMicroelectronics precej majhni, jih razvijalci lahko vgradijo skorajda kamor koli. Za predstavo je spodaj le nekaj primerov:

  • senzorji neposredne bližine za robote,
  • brezstični podajalniki papirnatih brisač ali dozirniki za milo,
  • brezstični splakovalniki školjk in pisoarjev,
  • brezstične umivalne pipe,
  • senzorji za sledenje sten in izogibanje predmetom za robotske sesalnike,
  • cenovno ugodni detektorji prisotnosti upravljavca za prenosne računalnike in monitorje,
  • zaznavanje prisotnosti in preprostih kretenj za maloprodajne kioske,
  • fizično upravljanje inventarja za prodajne avtomate,
  • štetje kovancev za prodajne avtomate,
  • pametne police, ki samodejno upravljajo inventar v trgovinah brez blagajn,
  • zaznavanje bližine tal za drone,
  • zaznavanje bližine stropa za drone v notranjem prostoru.

Strošek teh vgrajenih senzorjev bližine s časom preleta STMicroelectronics je v primerjavi z detektorji bližine, ki temeljijo na dvodimenzionalnih senzorjih časa preleta ali stereo kamerah in nevronskih mrežah, sorazmerno nizek, zaradi česar jih je mogoče vgraditi v številne končne izdelke širokega cenovnega razpona.

Sklep
Zaznavanje bližine omogočajo številne tehnologije, vključno z optičnimi in ultrazvočnimi napravami, na osnovi katerih je bilo ustvarjenih veliko dobrih rešitev. Vendar pa so ena najnovejših tehnologij zaznavanja bližine senzorji časa preleta, ki omogočajo merjenje oddaljenosti cilja z uporabo časa povratne poti, ki ga potrebuje foton, da zapusti senzor, potuje proti cilju in se nato vrne nazaj v senzor.

Pojav ugnezdenih senzorjev, opremljenih z infrardečimi oddajniki in sprejemniki ter potrebnimi vezji za merjenje časa fotonske poti, krajšega od nanosekunde, omogoča stroškovno učinkovito uporabo te tehnologije, z njo povezani razvojni kompleti pa preskušanje in hitrejšo izdelavo prototipov.

www.digikey.com
Tags: