使用 ToF 传感器进行距离测量和手势识别的基本原理

作者:Steve Leibson

投稿人:Digi-Key 北美编辑

很多应用需要在不接触实际物体的情况下,感测物体的存在或距离。这种接近感应需求催生了众多竞争性解决方案,包括光学飞行时间 (ToF) 传感器。虽然这些传感器非常精确,但其成本一直非常昂贵,并且实施复杂;不过最近的解决方案已经显著简化了此类技术的使用。

使用接近感应的产品列表包括相机自动对焦系统、机器人和无人机、各种浴室装置,以及自动门的门禁传感器。这里只是举了几个例子,此类产品列表还在不断扩大。竞争性的接近感应技术首先是简单的红外线和超声波传感器,再逐渐发展到更复杂的传感器系统,例如使用神经网络的立体视频摄像机。

所有这些技术都存在局限性,并且可能需要人工智能来实施复杂任务,例如自主驾驶车辆的对象识别和跟踪,但对于分配纸巾和肥皂这样的任务,这些技术又显得大材小用了。设计人员面临着不断缩紧的预算和日益紧迫的设计时间窗口,他们需要最大程度地减少成本、空间和设计时间。

一种替代型接近感应解决方案是 ToF 传感器。它们通过测量光子从传感器发射到物体并反射回来的往返时间,测量与目标物体之间的距离。截止目前,一直是很难以低成本快速地实施 ToF 设计,但新一代高度集成的低成本 ToF 传感器让我们能够将高度精确的非接触式感应技术带入低成本设计中。

本文将讨论包括 ToF 传感器在内的距离测量技术在各种距离感测和手势识别应用中的演进和使用情况。接着,本文将描述 ToF 传感器技术的工作原理,最后还将介绍一些最新的解决方案及其入门使用方法。

早期的接近传感器

1972 年推出的宝丽来 SX-70 即拍即得相机采用了众多创新技术,其中包括一种三反光学设计折叠了扁平的 Fresnel 镜头、一个扁平 6 伏电池内置在即时胶片封装中,以及一个十次使用的 Flash Bar 闪光灯。但是,宝丽来在 SX-70 中引入的一种影响最大的技术莫过于 Sonar 自动对焦系统。这种系统最初出现在 1978 年推出的宝丽来 SONAR OneStep 相机中(图 1)。SONAR 自动对焦系统采用了创新的超声波传感器,既可用于发射超声波测距脉冲,又可用于接收反射的超声波能量。

宝丽来 SONAR OneStep SX-70 相机的图片

图 1:宝丽来 SONAR OneStep SX-70 相机采用了超声波传感器(相机顶部的大金色圆圈)来实现自动对焦测距。(图片来源:维基百科)

SONAR 的超声波传感器取得了极大成功,宝丽来为该传感器设立了专门业务,直至今日,宝丽来超声波自动对焦传感器仍然有着巨大影响。例如,价格低廉的 SparkFun SEN-13959 HRC-SR04 超声波测距模块是一款距离传感器,采用单独的传输和接收传感器(图 2)。该传感器可由 Arduino 开发板直接驱动。其测距范围在 2 至 400 厘米 (cm) 之间,能够进行无接触的近距离测量,最小分辨率为 3 毫米 (mm)。

SparkFun 的 SEN-13959 超声波测距模块的图片

图 2:SparkFun 的 SEN-13959 超声波测距模块使用反射的 40 kHz 脉冲来感测距离。(图片来源:SparkFun)

为了使用此模块来测量距离,Arduino 电路板(或其他控制器)发送 10 微秒 (µs) 脉冲到电路板的 Trig 引脚,该引脚触发一系列由超声波发射器发射的八个短超声波脉冲。超声波脉冲遇到目标后反射回来,速度为每秒 343 米 (m)(在典型环境下,温度为 20˚C)。与目标之间的距离计算方法是:超声波脉冲发射和接收之间的时间长度乘以每秒 343 米,再除以 2(因为时间是往返时间)。

超声波脉冲遇到硬表面时,其反射效果好,但如果遇到帘子、地毯、衣服和聚酯塑料等软表面,反射效果就不太理想。测量精确度将取决于所使用的脉冲计时方法。SparkFun SEN-13959 模块没有此类计时控制功能。该模块依赖于主机 CPU 进行精确计时。此外,超声波传感器进行距离测量的精确度和稳定性会随着空气温度(温度会改变声波在空气中传输的速度)和空气流动(这会带走很多反射的超声波能量并衰减返回信号)而发生变化。

红外线 (IR) LED 也一直用于接近检测和距离测量。例如,Sharp Microelectronics GP2Y0A41SK0F 距离测量传感器装置能够根据从 IR LED 发出的反射红外线光的强度,感应 4 cm 至 30 cm 距离范围内的物体(图 3)。该传感器输出模拟电压,电压范围从 3 伏特以上(对应于 3 cm 的距离)至大约 0.3 伏特(对应于 40 cm 的距离),以指示物体距离。主机控制器负责将此模拟电压转换为数字表示。

Sharp GP2Y0A41SK0F 红外线距离测量传感器装置的图片

图 3:Sharp GP2Y0A41SK0F 红外线距离测量传感器装置能够检测 3 cm 至 40 cm 范围内的物体。(图片来源:Sharp Microelectronics)

然而,由于物体距离的计算依据是反射的红外线能量多少,因此这种红外线传感器的精确度会受到多个可变因素的影响,例如物体反射率和环境光强度。

另一种使用红外线光测量物体距离的方法是测量光子从传感器的红外发射器发射到物体,再反射回到传感器的飞行时间。这种近距离测量传感器将超声波传感器的 ToF 特征与光子速度的相对无干扰性(不受流动空气、环境光或反射率的影响)结合在一起。

一直到最近,我们都很难测量光子短距离发射的飞行时间,因为光速高达 299,792,458 米/秒,根据经验,这相当于大约每纳秒一英尺。因此,ToF 传感器需要非常精确的次纳秒级计时,这样才能检测几微米、几厘米甚至数英寸的距离。

不过,ToF 传感器技术的成本已经显著降低,这要归功于视频游戏产业。截止目前,也许 ToF 传感器最广为人知的应用是 Microsoft® 的 Kinect 游戏控制器(图 4)。第一代 Microsoft Kinect 在 2010 年底推出,作为该公司 Xbox 360 的外设。这个控制器在机器人制造公司中应用非常广泛,因为它能够使用 ToF 距离感测,生成机器人即时环境的三维地图。

Microsoft Xbox 360 Kinect 控制器的图片

图 4:Microsoft Kinect 控制器适用于该公司的 Xbox 360 视频游戏控制台,采用 ToF 感测技术来创建周边环境的三维地图。(图片来源:维基百科)

Kinect 控制器的感应技术经过了微型化和简化处理,以创建适合众多嵌入式应用的实用距离测量传感器。

VCSEL 和 SPAD

例如,STMicroelectronics 现在拥有几代微型 ToF 传感器产品系列,可用于近距离测量。这些传感器基于一些非常现代化的基础技术,包括红外线垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 和单光子雪崩光电二极管阵列 (SPAD)。

这个 ToF 传感器产品系列的三款传感器是 VL53L0CXVL53L1CXVL6180X。虽然这三款产品都可用来测量距离,但它们具有不同的功能。

第一代 VL6180X ToF 传感器具有一种距离模式,可测量从几毫米到 100 mm 的距离(图 5)。这款传感器的尺寸为 4.8 x 2.8 x 1.0 mm,视场角为 42 度。它还带有内置的环境光传感器,能够补偿环境光的变化。

STMicroelectronics 的第一代 VL6180X 传感器的图片

图 5:STMicroelectronics 的第一代 VL6180X 传感器的最大测量距离为 100 mm。(图片来源:STMicroelectronics)

第二代 VL53L0CX ToF 传感器对白色目标的室内测量距离为 50 至 1200 mm(图 6)。这款传感器的尺寸为 4.4 x 2.4 x 1.0 mm,视场角为 25 度。当传感器在室外使用时,由于环境光的作用,最大测量距离缩小为 600 至 800 mm。

STMicroelectronics 的第二代 VL53L0CX 传感器的图片

图 6:STMicroelectronics 的第二代 VL53L0CX 传感器的最大测量距离为 1200 mm。(图片来源:STMicroelectronics)

第三代 VL53L1CX ToF 传感器具有三种距离模式(图 7)。在短距离、中距离和长距离这三种模式下,当没有环境光时,白色目标的最大测量距离分别为 1360、2900 和 3600 mm。在环境光很强的情况下,短距离、中距离和长距离这三种模式下的最大测量距离分别为 1350、760 和 730 mm。这与我们的直觉相反,在环境光很强的情况下,短距离模式的测量距离最长。

VL53L1CX 的尺寸为 4.9 x 2.5 x 1.56 mm,最大视场角为 27 度。(这款传感器的视场可以进行编程并且可以缩小,如下所述。)

STMicroelectronics 的第三代 VL53L1CX 传感器的图片

图 7:STMicroelectronics 的第三代 VL53L1CX 传感器的最大测量距离接近 4 m。(图片来源:STMicroelectronics)

所有这三款 ToF 传感器都支持近距离测量,分辨率为 1 mm,通过数字 I2C 接口报告到主机处理器,该接口也作为传感器的控制端口。由于这些传感器都使用 I2C 接口,因此连接到主机处理器极为简单(图 8)。

STMicroelectronics 的第三代 VL53L1CX 传感器的示意图

图 8:与产品系列中的早期传感器相同,STMicroelectronics 的第三代 VL53L1CX 传感器使用简单的 I2C 连接来连接到主机处理器。(图片来源:STMicroelectronics)

请注意 AVDDVCSEL 和 AVDD 电源线非常特殊的旁路要求。100 纳法和 4.7 微法的旁路电容器需要尽可能靠近传感器,以防止电源噪声进入传感器和降低精确度。

这些 ToF 传感器实质上全部都是一维的。它们报告视场范围内的物体接近度。如果视场范围内存在多个物体,这些传感器将报告与最近物体的距离。单个传感器无法检测单手手势的方向,但可用于检测四个简单手势,包括:

  1. 单击(手向下移动“轻击”传感器)
  2. 双击
  3. 单次轻扫(手移动滑过传感器的视场)
  4. 双次轻扫

通过使用一个、两个或更多传感器,在多个维度上检测手势和运动,可以从其中一个 ToF 传感器获取手势和运动信息。通过使用成对的 ToF 传感器,也可以探测从左至右和从右至左的手部移动。

此外,还可以通过有选择地缩小视场范围,从第三代 VL53L1CX 接近传感器获取更多信息。这要使用通过 I2C 接口发送到传感器的命令,关闭传感器阵列中的各个 SPAD 来实现。VL53L1CX 接近传感器的 SPAD 阵列为 16 x 16 阵列,包括 256 个光电二极管。该阵列的任何方形或矩形部分可以通过软件命令来激活,这些命令可指定阵列中应激活的 SPAD 周围方框的两个角。通过减少激活元件的数量,可减小传感器的视场并缩小传感器的感应区域。唯一要求是必须至少激活 16 个 SPAD,形成一个 4 x 4 光电二极管阵列,但也允许更大的阵列。

在设计中使用 ToF 传感器

为了快速启动设计,VL53L1CX 接近传感器随附了评估套件 P-NUCLEO-53L1A1。该套件包括 STM32F401RE Nucleo 评估板,该板基于 STMicroelectronics STM32 微控制器;还包括 X-NUCLEO-53L1A1 扩展板,该板安装在微控制器板上并接受两个 VL53L1X 分线板(也包括在套件中)(图 9)。

STMicroelectronics P-NUCLEO-53L1A1 评估套件的图片

图 9:STMicroelectronics P-NUCLEO-53L1A1 评估套件中的传感器分线板包括一个 V53L1X ToF 接近传感器,它是直接安装在板上。该板可在插接式分线板上接受另外两个 V53L1X 传感器。(图片来源:STMicroelectronics)

P-NUCLEO-53L1A1 评估套件还包括系统软件和源代码示例,以帮助快速启动开发工作。STMicroelectronics 还为 STM32Cube 软件开发包提供了 TOF 距离测量和手势检测扩展模块。这些扩展模块专用于各个传感器,并且可从 STMicroelectronics 直接免费下载。

由于这些 STMicroelectronics ToF 传感器非常小巧,它们可以用于设计人员可能想像得到的几乎任何位置。以下几个应用示例可帮助发挥想像力:

  • 机器人通用接近传感器
  • 自动感应纸巾和肥皂分配器
  • 自动感应坐便器和小便斗冲洗器
  • 自动感应水槽水龙头
  • 机器人真空吸尘器的墙壁边清扫和避障传感器
  • 便携式电脑和监视器的低成本操作人员在场检测器
  • 零售自助服务终端的简单在场和手势检测
  • 自动售货机的物理库存管理
  • 自动售货机的硬币计数
  • 可自动管理无人商店库存的智能货架
  • 无人机的地面迫近检测
  • 室内无人机的天花板接近检测

与基于二维 ToF 传感器或立体相机和神经网络的接近检测器不同,这些集成式 STMicroelectronics ToF 接近传感器的成本相对较低,因而能够应用于各种以不同价位售货的终端产品。

总结

包括光学和超声波在内的很多技术可用于接近感应,并且人们基于这些技术推出了很多优秀的解决方案。然而,其中最新的一种接近感应技术还是 ToF(飞行时间)。这种技术可计算光子离开传感器发射到目标并反射回到传感器的往返时间,从而测量与目标的距离。

随着采用红外线发射器和接收器的集成传感器出现,以及用于光子传输时间的次纳秒级计时所必需的电路,使得这种技术得到了经济高效的使用。此外,相关的开发套件也有助于进行实验和加快原型开发。

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关于此作者

Steve Leibson

Steve Leibson 是 HP 和 Cadnetix 的系统工程师、《EDN》和《Microprocessor Report》杂志主编以及 Xilinx 和 Cadence 的技术博主,并担任过两集“The Next Wave with Leonard Nimoy”的技术专家。33 年来,他一直致力于帮助设计工程师们开发出更好、更快、更可靠的系统。

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