Датчики дальности ST обеспечивают безопасность в период COVID-19

13 октября

терминалы продажпотребительская электроникаавтоматизацияSTMicroelectronicsстатьядатчикисредства разработки и материалыДатчик дальностиToFизмерение расстояниядальномер

Александр Калачев (г. Барнаул)

Оптические датчики приближения STMicroelectronics из семейства Flight Sense™, средства разработки и программное обеспечение для них позволяют как организовать бесконтактную работу торговых и информационных точек и соблюдение социальной дистанции в непростой эпидемический период, так и строить сложные пространственные системы вплоть до трехмерных моделей.

Миниатюрный вирус CoViD-19 быстро напомнил, как важны даже простейшие меры гигиены в густонаселенном мире. Появились или вспомнились разработки, связанные с бесконтактными методами оплаты, управления, доступа. Очевидное их преимущество – существенное снижение частоты контактов человека с поверхностями, а, следовательно – снижение риска передачи болезни через них.

Первоначальное внедрение мер социального дистанцирования вызвало юмористическую реакцию у ряда людей в виде обозначения вокруг себя физического барьера в метр-полтора – шары, обручи и тому подобные приспособления. Однако эпидемическая обстановка пока вынуждает сохранять меры по дистанцированию и соблюдению масочного режима. Более того, в ряде учреждений и предприятий соблюдение данных мер ввели в разряд обязательных. В этой ситуации применение автоматизированных систем позволяет снизить эмоциональный стресс и заставить людей лучше соблюдать общественные правила. Яркий пример – системы электронных очередей: относительно простая идея, позволившая существенно повысить комфорт и качество обслуживания. Аналогичным образом можно попробовать решить задачу соблюдения социальной дистанции.

Бесконтактные информационные панели, стенды, торговые автоматы могут также служить «местом притяжения» болезнетворных организмов, даже несмотря на санитарную обработку.

Емкостные варианты бесконтактных датчиков могут иметь достаточно высокий уровень ошибок при работе на относительно больших расстояниях, что вынуждает касаться экрана.

Одним из экономичных решений для организации бесконтактной работы в данном случае могут выступить датчики приближения (есть, конечно, альтернатива в виде связки камеры + библиотека OpenCV + несколько библиотек алгоритмов распознавания объектов/жестов, но при этом для исключения заметных временных задержек в срабатывании необходимы весьма существенные вычислительные ресурсы).

На данный момент наиболее популярными среди оптических датчиков приближения являются интегральные времяпролетные датчики – так называемая технология ToF (Time-of-Flight). Предлагаемый производителями ассортимент и функционал ToF-датчиков достаточно разнообразен – от одиночных датчиков приближения до «камер глубины» для систем машинного зрения.

ToF-датчики производства STMicroelectronics из семейства Flight Sense™ представляют собой систему «все в одном» – излучатель, приемник и процессор обработки сигналов.

Принцип работы ToF-датчиков основан на измерении времени полета света от излучателя до препятствия и обратно: излучатель посылает фотоны, которые отражаются целью и обнаруживаются приемником (SPAD – Single Photon Avalanche Diode – однофотонный лавинный диод). Разница во времени между началом излучения света и приемом отраженного дает в пересчете фактическое расстояние до цели в миллиметрах с высокой точностью.

Основные преимущества датчиков семейства FlightSense:

  • точное измерение расстояния, независимо от размера цели, цвета и коэффициента отражения;
  • малое время выдачи результата измерений;
  • интегрированный модуль «все в одном» – нет необходимости в последующей обработке результатов, они доступны по окончании измерений в цифровом виде;
  • низкое энергопотребление;
  • максимальное измеряемое расстояние – до 8 метров (при большом размере цели);
  • для измерений используется невидимое глазом (и бытовой фото/видеотехникой) инфракрасное излучение с длиной волны 940 нм.

Запатентованные алгоритмы гистограмм ST позволяют измерять расстояния до нескольких объектов. Благодаря этому становится возможным не только определение расстояния до объектов, но и подсчет количества объектов в поле зрения, а также расчет дистанции между ними. Помимо этого, гистограммы позволяют учесть отражение света от защитного стекла (корпуса), позволяют учитывать внешнюю засветку (в основном от дневного солнечного света) и компенсировать размытие сигнала из-за движения объекта или из-за рассеяния света в запыленном/загрязненном воздухе.

Линейка датчиков расстояния VL5xxx

Ассортимент ToF-датчиков STMicroelectronics представлен в таблице 1.

Заявленные возможности ToF-датчиков позволяют рассматривать следующие их потенциальные целевые области применения:

  • системы обнаружения препятствий для домашней и коммерческой робототехники (роботы-пылесосы, складские погрузчики/сортировщики), беспилотных автомобилей и летательных аппаратов;
  • системы автоматической фокусировки фото/видеотехники;
  • измерение уровня жидкости/сыпучих веществ и материалов;
  • бесконтактное управление/управление жестами;
  • обнаружение присутствия пользователя;
  • обнаружение людей, подсчет количества объектов в поле зрения.

Таблица 1. Ассортимент ToF-датчиков STMicroelectronics

Наименование Максимальное измеряемое расстояние, см Датчик уровня освещен-ности Обнаружение на близком расстоянии Обнаружение нескольких объектов Несколько секторов наблюдения Програм-мируемое поле зрения Режим пониженного энерго-потребления
V6180XV0NR/1 20 + + +
VL6180V1NR/1 60 + +
VL53L0CXV0DH/1 200 + +
VL53L1CXV0FY/1 400 + +
VL53L3CXV0DH/1 500 + +
VL53L1CBV0FY/1 800 + + +
VL53L5CXV0GC/1 400 + +

Поддержка обнаружения нескольких объектов датчиками VL53L3CXV0DH/1, VL53L1CBV0FY/1, VL53L5CXV0GC/1 делает их интересными кандидатами для построения систем автоматизированного контроля социальной дистанции, интерфейсов управления торговыми и информационными стендами.

VL53L5CX – многозонный датчик расстояния из семейства ST FlightSense (рисунок 1). Он выпускается в миниатюрном корпусе, содержит матрицу SPAD-фотоэлементов, физические инфракрасные фильтры, дифракционные оптические элементы (DOE). Все это позволяет ему достигать высокой производительности и точности определения расстояния до объектов в различных условиях окружающего освещения и с различными защитными стеклами/пластиковыми окнами.

Рис. 1. Внешний вид датчика VL53L5CX

Рис. 1. Внешний вид датчика VL53L5CX

Датчик имеет поле зрения (FoV) с угловым радиусом 63° по диагонали, разбитое на 64 зоны – квадратная решетка 8×8. Программными настройками ширина поля зрения может быть несколько уменьшена, если этого требует прикладная задача. В пределах каждой из элементарных зон VL53L5CX измеряет расстояние до цели в пределах 4 метров с максимальной частотой 60 Гц (рисунок 2).

Рис. 2. Как VL53L5CX видит объект

Рис. 2. Как VL53L5CX видит объект

ToF-датчики работают по принципам активной локации – им важен только сам факт получения отраженного короткого импульса. В этой связи зависимость их работы от  отражательной способности различных объектов относительно небольшая. В таблице 2 представлены результаты точности измерения расстояния до объекта для датчика VL53L5CX в условиях различной отражательной способности и различных условий внешней засветки.

Таблица 2. Точность измерения расстояния до объекта для датчика VL53L5CX

Дистанция, мм Режим Коэффициент отражения поверхности Погрешность в темноте (в помещении) Погрешность при фоновой засветке
(5 клюкс, вне помещения)
20…2000 8*8, 15 Гц 17% («серая» поверхность) 15 мм 15 мм
201…4000 4*4, 30 Гц 88% («белая» поверхность) 4% 7%
17% («серая» поверхность) 5% 8%
8*8, 15 Гц 88% («белая» поверхность) 5% 8%
17% («серая» поверхность) 5% 11%

Как следует из табличных данных, наибольшее влияние на точность измерений расстояния оказывает фоновая засветка в ИК-диапазоне, однако, как правило, в помещениях нет источников засветки в данном диапазоне (даже системы видеонаблюдения часто используют подсветку в диапазоне 780…860 нм, лампы накаливания на сегодняшний день используются нечасто, да и уровень засветки от них относительно невелик).

Следует отметить еще один любопытный факт: применительно к задаче обнаружения людей и распознавания жестов большинство материалов одежды, а также сама кожа человека в ИК области обладают достаточно высоким коэффициентом отражения.

Благодаря запатентованным алгоритмам гистограммы расстояний, VL53L5CX способен обнаруживать несколько объектов в пределах поля зрения и в пределах одной зоны.

Хост может выбирать порядок обнаруживаемых целей. Имеются два варианта:

  • ближайшая;
  • самая сильная.

Порядок выдачи результатов обнаружения объектов может быть изменен с помощью функции драйвера  vl53l5cx_set_target_order(). Пример на рисунке 3 представляет собой случай обнаружения двух объектов. Один – на расстоянии 100 мм с низким коэффициентом отражения, другой – на расстоянии 500 мм с высоким коэффициентом отражения.

Рис. 3. Случай обнаружения двух объектов

Рис. 3. Случай обнаружения двух объектов

Гистограмма также обеспечивает устойчивость к перекрестным помехам, возникающим от защитного стекла на расстояниях до 60 см (рисунок 4). Пороговое значение может быть увеличено, чтобы гарантировать, что защитное стекло не вызвало срабатываний. Сделать это можно уже после установки датчика в конечное устройство.

Рис. 4. Возможности настройки защиты от перекрестных помех (уровень порога и расстояния)

Рис. 4. Возможности настройки защиты от перекрестных помех (уровень порога и расстояния)

Блок-схема устройства для обнаружения и измерения расстояний до объектов без физического контакта

Типовая структура микропроцессорной системы с ToF-датчиком приближения представлена на рисунке 5. Как правило, это обычное решение для подключения любых I2C-датчиков – собственно подключение по самой шине плюс подключение к линиям прерываний.

Рис. 5. Типовая схема подключения ToF-датчиков к хост-контроллеру

Рис. 5. Типовая схема подключения ToF-датчиков к хост-контроллеру

В качестве программного обеспечения выступают свободно предоставляемые STMicroelectronics драйверы – есть версии и для систем “bare metal”, и для систем на базе Linux (рисунок 6). Драйвер предоставляет приложению высокоуровневые функции для настройки режимов работы датчика, организации получения и первичной обработки.

Рис. 6. Типовая структура программного обеспечения системы с датчиком приближения

Рис. 6. Типовая структура программного обеспечения системы с датчиком приближения

Большинство датчиков семейства FlightSense допускают программную смену I2C-адреса. Данная опция весьма интересна, если на одну шину требуется подключить несколько датчиков. Датчики подключаются к шине. Каждый из ToF-датчиков имеет вывод XSHUT (или LP), переводящий датчик в режим ожидания и, соответственно, запрещающий ему работу с I2C-шиной. Данные выводы подключаются к GPIO линиям хост-контроллера. При старте системы хост-контроллер, по очереди пробуждая ToF-датчики, настраивает их I2C-адреса в соответствии с требованиями приложения (рисунок 7).

Возможность размещения на одной шине нескольких ToF-датчиков позволяет с минимальными аппаратными затратами охватывать датчиками достаточно большие пространства или получать подробную объемную картину объекта.

Рис. 7. Пример организации работы нескольких ToF-датчиков ST Flight Sense на одной I2C-шине

Рис. 7. Пример организации работы нескольких ToF-датчиков ST Flight Sense на одной I2C-шине

Инструментарий для разработки на примере платы STEVAL-BCN002V1B

ToF-датчики семейства ST Flight Sense поставляются с полным пакетом документации, примерами исходного кода и программными интерфейсами (API – интерфейс прикладного программирования), которые совместимы с линейками микроконтроллеров и процессоров ST. Разработка прикладного программного обеспечения и физическая интеграция в OEM-устройства упрощаются благодаря платам расширения и коммутации X-NUCLEO, которые совместимы со средой ODE STM32 и графическим пользовательским интерфейсом STM32CubeMX.

Одним из отличных решений для знакомства с датчиками расстояния ST, как и со всем ассортиментом MEMS-датчиков компании, является демонстрационная плата STEVAL-BCN002V1 (рисунки 8, 9).

Плата базируется на беспроводной системе на кристалле BlueNRG-2 и комплектуется набором MEMS-датчиков ST, включая магнитометр, гироскоп, акселерометр, датчик давления, датчик температуры и влажности, MEMS-микрофон и ToF-датчик расстояния. Практически, STEVAL-BCN002V1 представляет собой идеальное решение для макетирования/прототипирования широкого спектра приложений, начиная от умного дома и заканчивая умным сельским хозяйством, управлением цепочками поставок, отслеживанием активов и другими промышленными приложениями.

Решение включает в себя комплексное встроенное программное обеспечение с готовыми к использованию примерами, а приложение BLEsensor для мобильных устройств на базе Android и iOS дополняет пакет функциями визуализации данных и управления узлами.

Рис. 8. Внешний вид демонстрационной платы STEVAL-BCN002V1

Рис. 8. Внешний вид демонстрационной платы STEVAL-BCN002V1

Рис. 9. Структурная схема демонстрационной платы STEVAL-BCN002V1

Рис. 9. Структурная схема демонстрационной платы STEVAL-BCN002V1

Пример применения – бесконтактное управление информационным стендом

В качестве примера использования полного спектра возможностей датчиков семейства ST Flight Sense можно привести серии датчиков Evo Swipe Plus компании TeraBee для организации бесконтактного интерфейса (рисунок 10).

Набор датчиков обеспечивает бесконечное разнообразие вариантов использования и применений:

  • обнаружение движения людей;
  • запуск действий в зависимости от их близости;
  • распознавание жестов без прикосновения.

Evo Swipe Plus делает все это в одном компактном и легко интегрируемом ToF-датчике на основе VL53L1X.

Evo Swipe Plus идеален для цифровых информационных экранов и киосков, интерактивной рекламы, интеллектуальных торговых установок и всевозможных приложений для бесконтактного распознавания жестов.

Датчик можно использовать в двух конфигурациях. В одном случае он позволяет обнаруживать людей и фиксировать их присутствие, запускать события и управление бесконтактными жестами. В другой конфигурации обнаружение присутствия заменяется счетчиком двунаправленного потока людей. Это позволяет отслеживать, сколько людей проходит мимо цифрового информационного стенда, с какой скоростью, сколько людей взаимодействует с ним.

Рис. 10. Evo Swipe Plus на базе VL53L1X в управлении информационным стендом

Рис. 10. Evo Swipe Plus на базе VL53L1X в управлении информационным стендом

Заключение

ToF-датчики дальности STMicroelectronics позволяют определять расстояние до одного или нескольких объектов практически вне зависимости от характеристик поверхности (за исключением, пожалуй, зеркальной) и условий освещения. Программная инфраструктура позволяет достаточно быстро начать работу с датчиками, а встроенные функции дают возможность создавать на их базе системы с впечатляющей функциональностью – вплоть до трехмерной модели пространства в реальном масштабе времени.

Стоит отметить также, что ассортимент MEMS-датчиков ST охватывает практически весь спектр коммерческих и промышленных приложений – звук, магнитное поле, ускорения, вибрации, сложные движения, любые параметры окружающей среды.

Литература

•••

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)
VL53L1CXV0FY/1 /ST/ (ST)
VL53L1X-SATEL (ST)
VL53L1-SATEL (ST)
VL53L3CXV0DH/1 (ST)