- Лазерные датчики ST: измерение расстояния до объекта стало более надежным и быстрым
- Линейка оптических измерителей дальности VL53x и VL6180xx
- Технические методы измерения дальности ToF: какие параметры достижимы
- Обзор номенклатуры, сравнительные таблицы с параметрами
- Новые датчики VL53L1CB и VL53L3CX: особенности, отличия от предыдущих версий, функции ROI/FoV
- Инструментарий для работы с датчиками дальности
Лазерные датчики ST: измерение расстояния до объекта стало более надежным и быстрым
Софья Букреева (г. Протвино)
Новое поколение миниатюрных высокопроизводительных ToF-датчиков приближения и дальности от STMicroelectronics, основанных на технологии FlightSense™, измеряет расстояние до объекта, независимо от характеристик его поверхности. Датчики содержат лазерный драйвер и вертикально-излучающий диод первого класса безопасности для глаз, а также фотодетектор на основе однофотонных лавинных диодов, что обеспечивает непревзойденную скорость и надежность определения расстояния.
Сегодня для бесконтактного определения расстояния до объекта доступны датчики, созданные по нескольким технологиям:
- инфракрасные датчики;
- ультразвуковые датчики;
- ToF-датчики;
- лазерные датчики и так далее.
Работа датчиков ToF (Time-of-Flight), или времяпролетных датчиков, может быть основана на светодиодном или лазерном излучении. Лазерные ToF-датчики позволяют измерять расстояния с высокой точностью и высокой частотой, при этом такие датчики имеют малое энергопотребление и привлекательную цену. Такие устройства успешно применяют в областях, где необходимо измерение расстояний в пределах единиц метров, например, в бытовой и компьютерной технике.
Датчики ToF производства компании STMicroelectronics используются практически во всех современных смартфонах. Кроме функции автоматического выключения экрана при разговоре сейчас они используются в том числе для мгновенной автофокусировки камеры даже в темноте. Широкое распространение эти датчики получили также в робототехнике для обнаружения ступеней и предупреждения столкновений, например, в роботах-пылесосах, игрушках, в системах БПЛА, в том числе для автоматической посадки, в области IoT, в системах «умный дом» для управления жестами, а также в системах безопасности. Учитывая, что уровень излучения таких датчиков абсолютно безопасен для глаз, их начинают активно использовать в системах определения наличия сотрудников на рабочем месте, добавляя датчик в монитор ноутбука рядом с камерой.
В промышленности лазерные датчики могут быть задействованы в производственном процессе для технологического контроля, а также в различных сканерах штрихкодов для уменьшения времени сканирования. ToF-датчики можно использовать в системах управления складских помещений и в автоматизированных логистических центрах, где эти устройства могут, например, контролировать зазоры для точного позиционирования товара на стеллаже. Иногда эти устройства используются для контроля остатка товаров в торговых автоматах или на прилавках.
Линейка оптических измерителей дальности VL53x и VL6180xx
Технические методы измерения дальности ToF: какие параметры достижимы
Компания STMicroelectronics представила новое поколение высокопроизводительных ToF-датчиков приближения и дальности, основанных на технологии FlightSense™. В отличие от традиционных инфракрасных датчиков, которые измеряют количество отраженного света и зависят от отражающей способности поверхности объекта, датчики FlightSense™ напрямую измеряют расстояние до объекта по времени отражения испускаемых фотонов, что позволяет точно определять расстояние, независимо от характеристик поверхности объекта. Датчики FlightSense™ исполняются в миниатюрном модуле, который содержит лазерный драйвер и вертикально-излучающий диод (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL) первого класса безопасности для глаз, а также фотодетектор на основе однофотонных лавинных диодов (Single Photon Avalanche Diode, SPAD), что обеспечивает ToF-датчикам ST непревзойденную скорость и надежность определения расстояния до объектов.
Принцип работы ToF-датчиков показан на рисунке 1. Лазерный диод (эмиттер) излучает фотоны, а фотодетектор регистрирует отраженный луч. По времени, за которое фотоны отражаются от объекта, ToF-датчик определяет расстояние. Преимуществом датчика является способность обнаруживать темные предметы с низким коэффициентом отражения, в то время как для обычных инфракрасных датчиков отраженного света может оказаться недостаточно.
Рис. 1. Принцип работы ToF-датчика
ToF-датчики компании STMicroelectronics позволяют измерять дальность объекта вне зависимости от размера, материала, цвета и коэффициента отражения его поверхности. Длина волны излучения VSCEL-диодов, использующихся в датчиках, составляет 940 или 850 нм, что находится в невидимом спектре. В зависимости от типа датчика можно измерять дальность объектов до 4 м (в темноте от белых поверхностей) за десятки миллисекунд с углом обзора до 27°, а новый датчик VL53L5CX с оптическими элементами на приемной матрице и излучающем диоде позволяет расширить угол до 61°. Некоторые датчики позволяют обнаруживать одновременно несколько объектов и выделять области обнаружения, настраивая размер приемной матрицы SPAD.
Обзор номенклатуры, сравнительные таблицы с параметрами
В настоящий момент компания предлагает 7 наименований ToF-датчиков: серию измерителей дальности VL53Lxx и два датчика приближения VL6180V1 и VL6180X. Все датчики выполнены в миниатюрных корпусах Optical LGA, поддерживают интерфейс I 2 С и работают в широком диапазоне температур. Внутри серий датчики, исключая новый VL53L5CX с расширенными возможностями, полностью совместимы по цоколевке. Основные параметры и характеристики датчиков указаны в таблице 1.
Таблица 1. Основные параметры ToF-датчиков компании ST
| Наименование | VL53L0X | VL53L1X | VL53L1CB | VL53L3CX | VL53L5CX | VL6180V1 | VL6180X | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Применение | Измеритель дальности | Измеритель дальности | Измеритель дальности | Измеритель дальности | Измеритель дальности | Датчик приближения | Датчик приближения и освещенности | |||
| Расстояние до объекта, м | До 2* | До 4* | До 3,2* | До 3,1* | До 4 | До 0,62** | 0,1 и выше** | |||
| Устойчивость ко внешнему освещению (5 клк), см | До 80 | До 150 | До 90 | До 100 | До 150 выше | – | – | |||
| Выбор области обнаружения | 1 зона | 1 зона программи- руемого размера | Несколько зон программи- руемого размера | 1 зона | До 64 зон программи- руемого размера | 1 зона | ||||
| Обнаружение нескольких объектов | – | – | До 4 объектов | До 4 объектов | + | – | ||||
| Угол обзора (FoV), ° | 25 | 15…27, линзы на SPAD | 25 | 61, линзы на SPAD и VSCEL | 25 | |||||
| Питание, В | 2,6…3,5 | 2,8 или 3,3 | 2,6…3 | |||||||
| Потребление, мА | 19 | 16 | Нет данных | 1,7 | ||||||
| Компенсации помех | Компенсация перекрестных оптических помех | Компенсация перекрестных оптических помех и фильтрация смазывания стекла | Компенсация перекрестных оптических помех | |||||||
| Температурный диапазон, °C | -20…70 | -20…85 | Нет данных | -20…70 | ||||||
| Размеры, мм | 4,4×2,4×1 | 4,9×2,5×1,56 | 4,9×2,5×1,56 | 4,4×2,4×1 | 6,4×3,0×1,5 | 4,8×2,8×1 | 4,8×2,8×1 | |||
| Гарантированное производство в течение 7 лет | С января 2019 | С января 2019 | Нет данных | С января 2019 | Нет данных | С января 2019 | С января 2015 | |||
| * – При измерении расстояния до белого объекта (№ 9,5 по шкале Манселла) в темной комнате (без дополнительного ИК-излучения) при температуре 23°С, напряжении питания 2,8 В и без защитного стекла. ** – Зависит от условий. | ||||||||||
Максимально возможные расстояния каждого датчика варьируются от условий эксплуатации. Два главных фактора – это внешнее освещение и цвет обнаруживаемого объекта. В документации, как правило, приводятся значения для белых и серых объектов (соответственно, № 9,5 и № 4,74 по шкале Манселла) в темноте и при внешнем освещении. На рисунке 2 в качестве примера приведены значения для датчика VL53V1CB.
Рис. 2. Максимальные расстояния для датчика VL53L1CB
Условия использования датчика, такие как расстояние до объекта, коэффициент отражения, внешняя освещенность, влияют на выбор частоты и точность измерений. Например, для датчика VL53L1X время измерения может быть задано в диапазоне 20…1000 мс, в зависимости от измеряемого расстояния: 20 мс подходят для коротких расстояний, но для измерения расстояний до 4 м (в темноте до белых объектов) необходимо увеличить время до 140 мс. Для VL53L0X время измерения по умолчанию составляет 33 мс, при этом минимальное время при определенных условиях может составлять до 8 мс. Датчик VL53L1CB при частоте 60 Гц (16 мс) способен обнаруживать объекты на расстоянии до 3,2 м с точностью 1% в темном помещении, но при внешней освещенности ошибка измерений возрастет до 8,5%. Для датчиков VL6180V1 и VL6180X время колеблется в диапазоне 7,68…18,23 мс, в зависимости от коэффициента отражения объекта и расстояния до него. В любом случае выбор более низкой частоты измерений позволяет увеличить максимальную дистанцию и уменьшает ошибки, но несколько повышает потребление.
При проходе оптического сигнала через защитное стекло датчика возникают перекрестные помехи, которые зависят от типа стекла и воздушного зазора между ним и датчиком. Истинный сигнал можно восстановить с помощью функций автоматической компенсации, реализованных в программных драйверах. Такие драйверы разработаны для каждого датчика и находятся в открытом доступе на сайте компании ST. Дополнительная программная фильтрация смазывания стекла датчиков VL531CB и VL53LCX защищает от ошибок, например, из-за присутствия отпечатков пальцев на стекле.
После сборки в конечном устройстве рекомендуется проводить процедуру калибровки датчиков для температурной компенсации и компенсации смещения измерений и перекрестных помех. Готовые функции для калибровки также реализованы в программных драйверах.
Главные преимущества каждого датчика кратко перечислены в таблице 2.
Таблица 2. Основные преимущества и особенности датчиков ST
| Наименование | Преимущества |
|---|---|
| VL53L0X |
|
| VL53L1X |
|
| VL53L1CB |
|
| VL53L3CX |
|
| VL53L5CX |
|
| VL6180V1 |
|
| VL6180X |
|
Новые датчики VL53L1CB и VL53L3CX: особенности, отличия от предыдущих версий, функции ROI/FoV
Новые датчики VL53L1CB и VL53L3CX позволяют обнаруживать до 4 объектов, если они расположены на удалении как минимум 0,8 м друг от друга. Для обнаружения нескольких объектов строится гистограмма, которая заполняется значениями количества регистрируемых фотонов за определенные интервалы времени. По этим данным восстанавливаются расстояния до объектов. На рисунке 3 показан пример построения гистограммы при обнаружении трех объектов: по горизонтальной оси откладываются интервалы времени, по вертикальной — количество регистрируемых фотонов.
Рис. 3. Обнаружение 3 объектов с помощью гистограммы отраженных фотонов
При таком подходе 3 бина на гистограмме (3 интервала времени) задают один объект и соответствуют расстоянию
0,8 м, поэтому дальность объектов друг от друга должна составлять не менее 0,8 м.
Такая функция также дает возможность фильтровать загрязнения защитного стекла. Их можно отсеять при задании порогового значения в гистограмме (рисунок 4).
Рис. 4. Фильтрация загрязнений стекла с помощью заданного порога
Для датчиков VL53L1X и VL53L1CB есть возможность выбора области обнаружения с помощью функции RoI (Region of Interest). Эта функция обеспечивается программированием размера приемной матрицы SPAD и позволяет регулировать угол обзора датчика (таблица 3). Помимо этого, в датчике VL53L1CB можно выделить несколько областей обнаружения.
Таблица 3. Размеры матрицы SPAD и соответствующие углы обзора
| Размер матрицы SPAD | Угол обзора (FoV), ° |
|---|---|
| 4 х 4 | 15 |
| 8 х 8 | 20 |
| 16 х 16 | 27 |
Инструментарий для работы с датчиками дальности
Компания ST предлагает готовые оценочные платы для каждого ToF-датчика, которые могут быть легко интегрированы в собственную разработку. Наиболее простой вариант – использование коммутационных плат с установленными датчиками. Они поставляются в наборе из 2 штук и имеют стабилизатор питания 5 В в 2,8 В для серии датчиков VL53Lxx и 3,3…10 В в 2,8 В для серии VL6180xx. При этом часть платы со стабилизатором, если он не требуется, можно отломать и таким образом уменьшить размер, для этого на плате сделана перфорация (рисунок 4).
Второй вариант для работы с датчиками – платы расширения X-NUCLEO. Такие платы можно использовать в сочетании с микроконтроллерными платами семейства STM NUCLEO. Они поставляются с держателями стекла регулируемой высоты (0,25, 0,5 и 1 мм) для возможности имитации разных воздушных зазоров. На платах установлены разъемы для подключения коммутационных плат.
Третий вариант – комплекты P-NUCLEO, которые представляют собой комбинацию микроконтроллерной платы STM NUCLEO с платой расширения и коммутационными платами.
В таблице 4 приведены наименования всех перечисленных решений для каждого датчика с указанием их особенностей.
Таблица 4. Аппаратные средства для разработки
| ToF-датчик | Коммутационные платы | Плата расширения | Комплекты микроконтроллерных плат с платами расширения | Особенности плат расширения |
|---|---|---|---|---|
| VL53L0CX | 53L0-SATEL-I1 | X-NUCLEO-53L0A1 | P-NUCLEO-53L0A1 (STM32F401RE) |
|
| VL53L1X | VL53L1X-SATEL | X-NUCLEO-53L1A1 | P-NUCLEO-53L1A1 (STM32F401RE) |
|
| VL53L1CB | VL53L1-SATEL | X-NUCLEO-53L1A2 | P-NUCLEO-53L1A2 (STM32F401RE) |
|
| VL53L3CX | VL53L3CX-SATEL | X-NUCLEO-53L3A2 | P-NUCLEO-53L3A2 (STM32F401RE) |
|
| VL6180V1 | VL6180-SATEL | X-NUCLEO-6180A1 | P-NUCLEO-6180A1 (STM32F401RE) |
|
| VL6180X | VL6180X-SATEL | X-NUCLEO-6180XA1 | P-NUCLEO-6180X1 (STM32F401RE) или P-NUCLEO-6180X2 (STM32L053R8) |
|
На рисунках 5, 6 и 7 изображены:
- плата расширения с датчиком VL53L0CX;
- комплект P-NUCLEO-53L3A2 с датчиком VL53L3CX (микроконтроллерная плата NUCLEO-F401RE с платой расширения X-NUCLEO);
- коммутационные платы VL53L1-SATEL с датчиками VL53L1CB.
Источник
