Лазерные датчики ST: измерение расстояния до объекта стало более надежным и быстрым

8 декабря 2020

системы безопасностипотребительская электроникаинтернет вещейSTMicroelectronicsстатьядатчикисредства разработки и материалыСенсорToFДатчикиИзмерение дальности

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

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 I2С 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 6,4×3,0x1,5 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

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
  • Бюджетность
  • Наличие режима малого энергопотребления
VL53L1X
  • Программируемый размер области обнаружения
  • Наличие режима малого энергопотребления
  • Встроенные линзы для улучшения сигнала
VL53L1CB
  • Программируемый размер нескольких областей обнаружения
  • Одновременное обнаружение нескольких объектов
  • Компенсация загрязнений защитного стекла
  • Встроенные линзы для улучшения сигнала
VL53L3CX
  • Привлекательная цена
  • Одновременное обнаружение нескольких объектов
  • Компенсация загрязнений защитного стекла
  • Частота I2C до 1 МГц
  • Повышенная линейность определения малых расстояний
VL53L5CX

 

  • Одновременное обнаружение нескольких объектов
  • Компенсация загрязнений защитного стекла
  • Угол обзора до 61°
  • Возможность выбора до 64 областей обнаружения
  • Интерфейс SPI и I2C
VL6180V1
  • Малое энергопотребление
  • Низкая цена
VL6180X
  • Малое энергопотребление
  • Бюджетность
  • Наличие встроенного датчика освещенности

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

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

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)
  • 4-сегментный дисплей;
  • Защитное стекло;
  • 2 коммутационные платы.
VL53L1X VL53L1X-SATEL X-NUCLEO-53L1A1 P-NUCLEO-53L1A1 (STM32F401RE)
  • 2 вида защитного стекла;
  • 2 коммутационные платы.
VL53L1CB VL53L1-SATEL X-NUCLEO-53L1A2 P-NUCLEO-53L1A2 (STM32F401RE)
  • 2 вида защитного стекла;
  • 2 коммутационные платы.
VL53L3CX VL53L3CX-SATEL X-NUCLEO-53L3A2 P-NUCLEO-53L3A2 (STM32F401RE)
  • 2 вида защитного стекла;
  • 2 коммутационные платы.
VL6180V1 VL6180-SATEL X-NUCLEO-6180A1 P-NUCLEO-6180A1 (STM32F401RE)
  • 4-сегментный дисплей;
  • Возможность подключения до 3 коммутационных плат
    (в комплект не входят).
VL6180X VL6180X-SATEL X-NUCLEO-6180XA1 P-NUCLEO-6180X1 (STM32F401RE)
или P-NUCLEO-6180X2 (STM32L053R8)
  • 4-сегментный дисплей;
  • Возможность подключения до 3 коммутационных плат
    (в комплект не входят).

На рисунках 5, 6 и 7 изображены:

Рис. 5. Плата расширения X-NUCLEO-53L0A1

Рис. 5. Плата расширения X-NUCLEO-53L0A1

Рис. 6. Комплект P-NUCLEO-53L3A2

Рис. 6. Комплект P-NUCLEO-53L3A2

Рис. 7. Коммутационные платы VL53L1-SATEL

Рис. 7. Коммутационные платы VL53L1-SATEL

Кроме перечисленных плат датчик VL53L0CX установлен в IoT-модуле SensiBLE, а датчик VL53L1X входит в Bluetooth-комплект STEVAL-BCN002V1B.

Программная поддержка

В качестве программной поддержки для каждого датчика STMicroelectronics предлагает программный драйвер API (Application Programming Interface), который представляет собой набор базовых функций на языке C, таких как инициализация, измерение дальности и так далее, для работы с датчиками и может быть скомпилирован для любого микроконтроллера.

Для плат X-NUCLEO и комплектов P-NUCLEO можно использовать программные пакеты X-CUBE – это расширение STM32Cube, которое включает в себя драйвер API, примеры кодов для различных режимов, таких как высокоскоростной режим, увеличенная дальность и прочие, для управления несколькими датчиками, а также имеет программную поддержку передачи данных по USB. Для контроля работы комплектов P-NUCLEO (X-NUCLEO с микроконтроллерной платой) доступны графические интерфейсы для операционной системы Windows. Компания ST также предлагает готовые программы для специализированных приложений, таких как рефлектометр, счетчик людей, лидар, а также драйверы для операционной системы Linux.

Таблица 5. Программные средства для разработки

Наименование Драйвер API Расширение STM32Cube Графический интерфейс Дополнительная программная поддержка
VL53L0CX STSW-IMG005 X-CUBE-53L0A1 STSW-IMG006 – Windows 7,8,10 STSW-IMG018 – рефлектометр
VL53L1X STSW-IMG007, STSW-IMG009 (оптимизированный драйвер 2,3 кбайт), STSW-IMG013 (драйвер для Linux) X-CUBE-53L1A1 STSW-IMG008 – Windows 7,8,10 STSW-IMG010 – счетчик людей, STSW-IMG017 – лидар на основе 9 датчиков
VL53L1CB STSW-IMG019 X-CUBE-53L1A2 STSW-IMG020 – Windows 7,10
VL53L3CX STSW-IMG015, STSW-IMG021 (драйвер для Linux) X-CUBE-53L3A2 STSW-IMG016 – Windows 7,10
VL6180V1 STSW-IMG011 X-CUBE-6180A1 STSW-IMG012 – Windows 7,8,10 STSW-IMG014 – распознавание жестов
VL6180X STSW-IMG003 X-CUBE-6180XA1 STSW-IMG004 – Windows 7,8,Vista

Пример графического интерфейса STSW-IMG006 для VL53L0X в системе Windows представлен на рисунке 8.

Рис. 8. Графический интерфейс STSW-IMG006 для VL53L0X в Windows

Рис. 8. Графический интерфейс STSW-IMG006 для VL53L0X в Windows

Реализация 2D-лидара на основе VL53L1X

Примером применения ToF-датчиков является 2D-лидар (LIght Detection And Ranging), осуществляющий обнаружение света и определение дальности, разработанный в компании STMicroelectronics и основанный на 9 датчиках VL53L1X. В этом примере лидар позволяет строить карту расположения объектов в угле обзора 180°.

Девять датчиков с помощью коммутационных плат подключены по интерфейсу I2C к микроконтроллерной плате STM32F401RE NUCLEO и собраны в одном корпусе (рисунок 9). Датчики имеют общее питание и землю, но обособленный ресет, подведенный к отдельному выводу GPIO микроконтроллера.

Для охвата 180° каждый датчик настроен на угол 20°. Датчики 13 раз сканируют область, заданную размером матрицы SPAD 4×16, и работают одновременно. Каждое сканирование занимает 12 мс. Таким образом полное сканирование в угле обзора 180° составляет ~160 мс. Можно увеличить размер матрицы датчиков, чтобы повысить скорость измерений, однако это приведет к уменьшению разрешения.

Программный пакет STSW-IMG017 включает примеры кода для настройки лидара и управления обработкой данных с 9 датчиков, а с помощью графического интерфейса данные можно визуализировать в виде графиков.

Рис. 9. 2D-лидар на основе 9 датчиков VL53L1X

Рис. 9. 2D-лидар на основе 9 датчиков VL53L1X

Применение 

ToF-датчики производства компании STMicroelectronics сочетают в себе преимущества технологии SPAD и миниатюрные размеры, что идеально подходит для задач, в которых требуются точные высокоскоростные измерения расстояний и малое энергопотребление. Датчики FlightSense™ поставляются с программной поддержкой в виде драйверов и исходных кодов для разных микроконтроллеров и процессоров. Физическая интеграция датчиков в устройства упрощается благодаря использованию коммутационных плат и плат расширения X-NUCLEO, а также связанных с ними программных средств. 

Литература 

  1. New generation Time-of-Flight ranging sensor with advanced multi-zone and multi-object detection
  2. Proximity Sensors
  3. 2D LIDAR. Using Multiple ST VL53L1X Time-of-Flight Sensors
•••

Наши информационные каналы

О компании ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее

Товары
Наименование
VL53L0CXV0DH/1 (ST)
VL53L1CBV0FY/1 (ST)
VL53L1CXV0FY/1 (ST)
VL53L1X-SATEL (ST)
VL53L0CAV0DH/1 (ST)
VL6180XV0NR/1 (ST)
P-NUCLEO-53L0A1 (ST)