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

8 декабря 2020

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 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

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

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

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

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.

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

Рис. 6. Комплект P-NUCLEO-53L3A2

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

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

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

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