測距傳感器：ToF——飛行時間測距傳感器 第1張" title="tof 測距傳感器：ToF——飛行時間測距傳感器 第1張-傳感器知識網(wǎng)"/>
tof 測距傳感器：ToF——飛行時間測距傳感器
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TOF是飛行時間（Time of Flight）技術(shù)的縮寫，即傳感器發(fā)出經(jīng)調(diào)制的近紅外光，遇物體后反射，傳感器通過計算光線發(fā)射和反射時間差或相位差，來換算被拍攝景物的距離，以產(chǎn)生深度信息，此外再結(jié)合傳統(tǒng)的相機拍攝，就能將物體的三維輪廓以不同顏色代表不同距離的地形圖方式呈現(xiàn)出來。
不論是自動駕駛，還是VR；亦或是現(xiàn)在市面上層出不窮的平衡車，都離不開ToF技術(shù)。
TOF測量原理
發(fā)射的紅外光線被被測物體反射后回到傳感器，內(nèi)置的計時器記錄其來回時間，然后即可計算出其距離。聽起來好像和大家玩爛了的超聲波測距沒啥不同。但其實不然，超聲波測距對反射物體要求比較高，面積小的物體，如線、錐形物體就基本測不到，而TOF紅外測距完全可克服此問題，同時TOF測距精度高，測距遠，響應(yīng)快。
這種技術(shù)跟3D激光傳感器原理基本類似，只不過3D激光傳感器是逐點掃描，而TOF相機則是同時得到整幅圖像的深度信息。
ToF的原理是通過光子的反射測距。傳統(tǒng)上是紅外測距，但紅外測距沒有計算時間差的能力，主要靠測光強，但打在黑色、白色等顏色物體上，由于材料本身的吸收度不同，也會影響測距效果，因此ST的FlightSense采用計算發(fā)射和返回的光子時間差，即計算飛行時間(ToF)方案。另外在集成度上，ST的方案是發(fā)射和接收都做在一起，而紅外測距往往是分立方案。
第一代
VL6180X
第二代
VL53L0X
第三代
VL53L1X
測距40cm
2m
4m激光器850nm940nm940nm視場角25°25°27°環(huán)境光感測有無無測距精度±10mm±3%±1%
市面上有多家公司采用ToF方法，但主要采用相位測距法，主要用于工業(yè)，原理是脈沖計算法，但在波谷的能量就不測量了，會造成能量損失。
為何ST方案的測距角度都是25°?因手機鏡頭弧度是25°左右，所以市面上的產(chǎn)品往往是25~30°視角。FlightSense二代之所以是2米測距，因手機拍攝的理想距離是1.2~1.5米。
ST的FlightSense有三代產(chǎn)品。第一代產(chǎn)品是VL6180X，15fps，是40 cm+環(huán)境光傳感器，2014年第二季度推出;第二代是VL53L0X，為30fps，最大200 cm，是2016年以來主推的;新的第三代是VL53L1X，為60fps，最大400 cm，2018年2月問世。
*第一代測距傳感器——VL6180系列可用于教育面板，因為家長特別在乎孩子眼睛是不是看得太近。專業(yè)的筆記本上也有測距器件，不只是監(jiān)控閱讀的距離，同時也做了開關(guān)，當人離開后就把屏幕關(guān)掉，以實現(xiàn)節(jié)能和保密。還有智能家居面板與服務(wù)機器人，它們在沒人的時候會關(guān)閉，有人過來后會開啟。
其中，Amiro智能化妝鏡很有創(chuàng)意，其外緣有一圈智能燈。有時候你在家里的化妝鏡前，明明涂的是桃紅色3號口紅，結(jié)果一去宴會會場它卻成了紫色8號的顏色。原因是環(huán)境光的影響。所以Amiro鏡子有幾種模擬光，可模擬太陽光、室內(nèi)光等，以實現(xiàn)精準的科學(xué)模擬。例如你今天主要是去野餐的，你今天就要用它的3號光，你的桃色3號口紅在野外就會呈現(xiàn)這個顏色。FlightSense用于感應(yīng)到你是否到鏡子面前，此方案中的最遠感應(yīng)距離約20 cm。
*第二代測距傳感器VL53L0X的測距更遠，達2 m。可以用于衛(wèi)浴，現(xiàn)在還在發(fā)展沖水馬桶，但它對可靠性要求比較嚴苛，因為要求檢測率達100%。還可用于距離更遠的照明開關(guān)，例如辦公室的燈。廣告機的測距距離也要更遠，有人就自動開啟。
*第三代測距傳感器VL53L1X于2018年2月推到市場，可用于探測距離達4 m的無人機，用于定高。還有室內(nèi)機器人/掃地機器人的避障等。另外一個有前景的應(yīng)用是室內(nèi)門禁，門禁機開始采用人臉識別，然而常發(fā)生這樣一個尷尬現(xiàn)象，識別需要很長時間，識別完后，門又擋住了人，又需要再回去感應(yīng)，如何在識別完成后，人一動，門就會迅速打開，這就需要對距離有非常敏銳感覺的感應(yīng)器。再有，投影儀和相機，有了測距能夠拍攝得更遠更好。
飛行時間（ToF）傳感系統(tǒng)是最有盈利空間的創(chuàng)新成像技術(shù)之一。市場上的主要消費類產(chǎn)品制造商都希望在各種智能硬件中集成飛行時間（ToF）測距，以提供3D成像、接近感應(yīng)、環(huán)境光感測、手勢識別等功能。
意法半導(dǎo)體在飛行時間（ToF）傳感方面潛心研究，而iPhone 7 Plus中的飛行時間（ToF）測距傳感器是意法半導(dǎo)體為蘋果公司定制的產(chǎn)品。
這款為蘋果定制的產(chǎn)品位于iPhone手機前面、主揚聲器上方，采用光學(xué)柵格陣列（LGA）封裝形式，尺寸為2.8mm x 2.40mm，小于意法半導(dǎo)體對外公開銷售的任一款ToF傳感器。
蘋果iPhone 7 Plus拆解
ToF傳感器包括紅外發(fā)射器（垂直腔面發(fā)射激光器，VCSEL）、紅外探測器（單光子雪崩二極管，SPAD）。
意法半導(dǎo)體飛行時間（ToF）測距傳感器封裝尺寸
意法半導(dǎo)體飛行時間（ToF）測距傳感器逆向分析
VCSEL芯片剖面圖（模糊化）
意法半導(dǎo)體第二代飛行時間（ToF）測距傳感器VL53L0X采用4.4 mm x 2.4 mm x 1 mm回流焊封裝，主要有以下優(yōu)勢：（1）不到30 ms即可提供最長2米的絕對距離讀值；（2）快速模式：50Hz快速測距操作；（3）高精度（精確度控制在±3%范圍內(nèi)），低功耗（正常工作模式下功耗僅20mW，待機功耗只有5μA）；（4）先進的環(huán)境光抑制的設(shè)計；（5）采用940nm紅外光。
tof 測距傳感器：TOF測距
TOF測距方法有兩個關(guān)鍵的約束：一是發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備必須始終同步；二是接收設(shè)備提供信號的傳輸時間的長短。為了實現(xiàn)時鐘同步，TOF測距方法采用了時鐘偏移量來解決時鐘同步問題。但由于TOF測距方法的時間依賴于本地和遠程節(jié)點，測距精度容易受兩端節(jié)點中時鐘偏移量的影響。為了減少此類錯誤的影響，這里采用反向測量方法，即遠程節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包，本地節(jié)點接收數(shù)據(jù)包，并自動響應(yīng)，通過平均在正向和反向所得的平均值，減少對任何時鐘偏移量的影響,從而減少測距誤差。
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tof 測距傳感器：讀懂ToF傳感器，看這一篇就夠了！
原標題：讀懂ToF傳感器，看這一篇就夠了！
您是否聽說過在手機，相機等中使用的飛行時間傳感器，也稱為ToF傳感器，但不知道它們的用途和作用原理？
通過本文，您將了解有關(guān)ToF傳感器和照相機的所有信息：
什么是飛行時間傳感器？
飛行時間傳感器如何工作？
使用飛行時間傳感器的好處
ToF的局限性
一．什么是飛行時間（ToF）傳感器？
什么是飛行時間相機？它是捕捉飛機飛行的相機嗎？它與飛機或飛機有關(guān)嗎？好吧，實際上距離還很遠！
ToF是物體，粒子或波傳播一段距離所花費的時間的度量。您知道蝙蝠的聲納系統(tǒng)有效嗎？飛行時間系統(tǒng)與此類似！
飛行時間傳感器種類繁多，但大多數(shù)是飛行時間相機和激光掃描儀，它們使用稱為激光雷達（光檢測和測距）的技術(shù)，通過用紅外光照射來測量圖像中各個點的深度。
使用ToF傳感器生成和捕獲的數(shù)據(jù)非常有用，因為它可以提供行人檢測，基于面部特征的用戶身份驗證，使用SLAM（同時定位和映射）算法的環(huán)境映射等等。
該系統(tǒng)實際上廣泛用于機器人，自動駕駛汽車，甚至現(xiàn)在是您的移動設(shè)備。舉個例子，如果您使用的是華為P30 Pro,Oppo RX17 Pro,LG G8 ThinQ,則您的手機配有ToF攝像頭！
二．飛行時間傳感器如何工作？
現(xiàn)在，我們對飛行時間傳感器是什么有了一個簡短的了解，它如何工作？
ToF傳感器使用微小的激光發(fā)射紅外光，其中產(chǎn)生的光會從任何物體反彈并返回到傳感器。根據(jù)光的發(fā)射與被物體反射后返回傳感器之間的時間差，傳感器可以測量物體與傳感器之間的距離。
今天，我們將探討ToF使用旅行時間確定距離和深度的2種方法，它們是：
使用定時脈沖
使用調(diào)幅波的相移
使用定時脈沖：
例如，它的工作方式是首先用激光照射目標，然后用掃描儀測量反射光，然后使用光速推算出物體的距離，從而精確地計算出行進的距離。此外，然后使用激光返回時間和波長的差異來進行目標的精確數(shù)字3D表示和表面特征，并在視覺上繪制出其各個特征。
正如您在上面看到的那樣，這是首先發(fā)射激光并從物體反射回傳感器的過程。借助激光返回時間，ToF攝像機能夠在給定光傳播速度的情況下在短時間內(nèi)測量出準確的距離。（ToF轉(zhuǎn)換為距離）這是分析人員用來得出對象的精確距離的公式：
（光速x飛行時間）/ 2
如您所見，計時器將在燈光熄滅期間啟動，并且當接收器接收到返回?zé)魰r，計時器將返回時間。當兩次相減時，獲得了光的“飛行時間”，并且光速是恒定的，因此可以使用上面的公式輕松計算距離。這樣，可以確定物體表面上的所有點。
使用調(diào)幅波的相移：
接下來，ToF還可以使用連續(xù)波來檢測反射光的相移以確定深度和距離。
通過調(diào)制振幅，它可以創(chuàng)建具有已知頻率的正弦形式的光源，從而使檢測器能夠確定反射光的相移并使用以下公式：
其中c是光速（c=3×10^8 m / s），λ是一個波長（λ=15 m），f是頻率，傳感器上的每個點都可以很容易地計算出深入。
隨著我們以光速工作，所有這些事情都發(fā)生得非常快。您能想象傳感器能夠測量的精度和速度嗎？讓我舉一個例子，光以每秒30萬公里的速度傳播，如果一個物體離您5m,光離開相機與返回之間的時間差約為33納秒，僅相當于0.秒！哇！更不用說，捕獲的數(shù)據(jù)將針對圖像中的每個像素，為您提供精確的3D數(shù)字表示。
無論使用哪種原理，提供能夠照亮整個場景的光源都可以使傳感器確定所有點的深度。這樣的結(jié)果為您提供了一個距離圖，其中每個像素編碼到場景中相應(yīng)點的距離。以下是ToF范圍圖的示例：
現(xiàn)在我們知道ToF可以工作了，為什么很好呢？為什么要使用它？他們有什么好處？不用擔(dān)心，使用ToF傳感器的優(yōu)點很多，當然也有一定的局限性。
三．使用飛行時間傳感器的好處
精確快速的測量
與其他距離傳感器（例如超聲波或激光）相比，飛行時間傳感器能夠非常快速地組成場景的3D圖像。例如，ToF相機僅需一次即可完成此操作。不僅如此，ToF傳感器能夠在短時間內(nèi)準確地檢測物體，并且不受濕度，氣壓和溫度的影響，使其適合于室內(nèi)和室外使用。
長距離
由于ToF傳感器使用激光，因此它們也能夠高精度地測量遠距離和范圍。例如，我們的RPLiDAR S1便攜式ToF激光掃描儀套件？的射程為40m!因此，ToF傳感器具有靈活性，因為它們能夠檢測各種形狀和大小的近距離和遠距離物體。
從某種意義上說，它也是靈活的，因為您能夠自定義系統(tǒng)的光學(xué)部件，以實現(xiàn)最佳性能，您可以在其中選擇發(fā)射器和接收器類型以及透鏡，以獲得所需的視野。
安全
擔(dān)心從ToF傳感器發(fā)出的激光會傷害您的眼睛嗎？別擔(dān)心！現(xiàn)在，許多ToF傳感器都使用低功率紅外激光作為光源，并通過調(diào)制脈沖驅(qū)動它。傳感器達到1類激光安全標準，可確保其對人眼的安全。
具有成本效益
與其他3D深度范圍掃描技術(shù)（例如結(jié)構(gòu)化光相機系統(tǒng)或激光測距儀）相比，ToF傳感器與它們相比要便宜得多。
盡管有所有這些限制，ToF仍然非常可靠，并且是捕獲3D信息的非常快速的方法。
四．ToF的局限性
盡管ToF有很多好處，但它也有局限性。ToF的一些局限性包括：
散射光
如果非常明亮的表面離您的ToF傳感器很近，它們可能會將太多的光散射到您的接收器中，并產(chǎn)生偽影和不必要的反射，因為您的ToF傳感器只需要反射一次的光即可進行測量。
多重反射
在角落和凹形上使用ToF傳感器時，它們可能會導(dǎo)致不必要的反射，因為光可能會多次反射，從而使測量失真。
環(huán)境光
在明亮的陽光下戶外使用ToF相機可能會導(dǎo)致戶外使用困難。這是由于陽光的高強度會導(dǎo)致傳感器像素快速飽和，從而無法檢測到從物體反射的實際光。
結(jié)語：
飛行時間傳感器可用于多種應(yīng)用中。從3D制圖，工業(yè)自動化，障礙物檢測，自動駕駛汽車，農(nóng)業(yè)，機器人技術(shù)，室內(nèi)導(dǎo)航，手勢識別，對象掃描，測量量，監(jiān)視到增強現(xiàn)實！ToF技術(shù)的應(yīng)用層出不窮。
您對ToF傳感器有何想法？你會用它做什么？歡迎在下面留言評論~
來源：公眾號 傳感器專家網(wǎng)
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tof 測距傳感器：？
第十四屆智能車競賽賽道中凸顯的橫斷路障，它讓去年韓國國內(nèi)智能車競賽中參加決賽的隊伍備受困擾，同樣，它也使得今年國內(nèi)參加比賽的隊員感到苦惱。
2018年韓國全國大學(xué)生智能車競賽中的橫斷路障
成功越過橫斷路障的關(guān)鍵就是需要能夠盡可能提前檢測到它的存在，然后在路障前后的一米區(qū)內(nèi)精確繞過路障。
在繞過路障的過程中，車模不再具有賽道的導(dǎo)引。如果僅僅依靠車模開環(huán)控制完成繞行，則車模的軌跡就會受到賽道環(huán)境的影響，要么彎繞大了卡在旁邊的賽道路肩上，要么彎繞小了，剮蹭在路障上。
視覺檢測路障并開環(huán)繞行
為了避免繞行中厄運的發(fā)生，則需要對車模繞行路障引入反饋控制。
一種方案就是在車模上增加轉(zhuǎn)向陀螺儀和車模行進距離傳感器，這樣可以精確控制車模運行軌跡，從而能夠適應(yīng)更加復(fù)雜多變的 環(huán)境。
另一種方案就是增加路障距離傳感器，控制車模與路障之間的距離使得繞行轉(zhuǎn)彎不太大也不太小。
近期很多同學(xué)在尋找各種測距傳感器。傳統(tǒng)的超聲傳感器對于反射物體 要求比較高，面積小的物體就會測不到，測量距離誤差較大。現(xiàn)在更多同學(xué)把目光轉(zhuǎn)移到一大類基于激光的測距傳感器。
常見到的激光測距傳感器所使用的原理包括有：TOF（Time of Flight），幾何測距，結(jié)構(gòu)光方法等。
TOF測距原理和超聲波測距相似，只是它使用的是光波。由于激光定向性強，所以探測空間分辨率較高。由于它是通過測量光波從發(fā)送到接受之間的時間差來計算物體距離，所以物體表面的反射率對于測量結(jié)果影響不大。
TOF激光距離傳感器
由于半導(dǎo)體工藝的進步，TOF激光測距傳感器的價格也比較便宜。近期很多同學(xué)在詢問這類傳感器是否可以允許用于競賽中。
對于這類封裝比較小（集成了傳感器，處理電路和接口芯片）的模塊可以被當做整體傳感器應(yīng)用于競賽中。但需要排除 一些體積比較大并具有MCU，功能比較綜合的TOF傳感器。
TOP傳感器以及其中的接口芯片
TOP是一款TOF激光測距傳感器。它的測距結(jié)果可以通過UART，或者I2C總線輸出。測量范圍在100~1800mm，輸出結(jié)果速度最快每秒33個數(shù)據(jù)。
通過UART輸出的測量結(jié)果以及串口波形
該模塊體積比較小，價格相對比較便宜，在一個車模上可以安裝多個這樣的傳感器。所以很多同學(xué)不僅希望使用它檢測賽道中的路障，而且還希望用于信標組中，檢測信標障礙。
那么這個傳感器在使用中，究竟效果如何。對于大的路障，小的信標檢測距離有多遠。是否會受到環(huán)境光線影響，多個TOF模塊之間是否會存在干擾呢？
TOF測試接口
為了回答上面的問題，下面就通過實驗來一一驗證它。
為了更好的衡量TOF測量的空間分辨率和測量范圍，下面將傳感器固定在 一個小型的舵機上，然后讓舵機進行旋轉(zhuǎn)，便可以得到TOF傳感器在水平方向上的空間分辨率和檢測精度。
使用小型舵機旋轉(zhuǎn)TOF傳感器
下面是一個長度為1米左右的水平導(dǎo)軌，可以承載檢測物體在縱向進行移動，這樣可以測試TOF傳感器的距離精度和檢測范圍。
縱向滑軌
使用一個紅色表面的木箱作為檢測對象。放在滑軌上沿著遠離傳感器的方向移動。
在木箱在遠離方向上的每一個地點，舵機帶動TOF傳感器就左右掃描一周，可以的到在當前距離下，從不同方位所檢測到前面物體的距離。
具體結(jié)果如下圖所示。距離掃描曲線顯示TOF傳感器在空間分辨率上是很高的。
紅色物體在遠離過程中TOF掃描水平方向上所得到距離曲線
從上面動圖可以看到，隨著木箱 遠離傳感器，傳感器前面所測到近距離的范圍原來越小，同時距離數(shù)值也隨著木箱的遠離逐步增加。
當木箱移動到接近1米的時候，檢測距離曲線出現(xiàn)了很多噪聲，數(shù)據(jù)變得不可靠了。
所選的木箱底部是黑色，當黑色底部對準TOF傳感器時，可以看到當距離城廓0.5米之后，測量數(shù)據(jù)就開始具有很多的噪聲了。測距距離明顯減少。
黑色表面，檢測距離縮小到0.5米
下面三個距離掃描結(jié)果曲線分別是針對白色反射面，紅色反射面以及黑色反射面。反射物體距離TOF傳感器大約700mm。
通過對比可以看到，白色和紅色反射面所測量的結(jié)果噪聲基本相同，而黑色反射面結(jié)果中的噪聲則非常大。
白色反射面測量距離掃描結(jié)果
紅色反射面測量距離掃描結(jié)果
黑色表面距離掃描結(jié)果
因此比賽中所規(guī)定路障的顏色為紅色，利于TOF傳感器的檢測。
考慮到實際路障的尺寸是45厘米，比實驗中的木箱更大，因此，可以推測使用TOF傳感器檢測到路障的正面距離應(yīng)該能夠大于1米。
TOF傳感器是否可以比較可靠的檢測到信標呢?
下面使用同樣的測試方法繪制了信標燈罩在不同的距離下被TOF傳感器掃描的距離曲線。
信標燈罩在不同距離下檢測距離結(jié)果曲線
從上面結(jié)果來看，當距離超過0.7米之后，信標就基本上無法檢測到。如果再考慮到現(xiàn)場環(huán)境的影響，所以使用TOF檢測信標的距離只能在半米左右。
如果信標車模控制的好的話，比如同時使用它的四輪，完成橫向運動，半米的距離是可以靈活的躲開信標燈。
只是需要考慮到在H車模四周都安裝該激光測距傳感器。
由于得到最后一組數(shù)據(jù)的時候，已經(jīng)到了晚上，外面沒有了陽光。否則需要測試一下，在陽光下的環(huán)境中，TOF檢測距離是多遠？ 看是否能夠滿足室外越野組的避障檢測。
兩個TOF之間的相互干擾
上圖動圖顯示了兩個TOF傳感器之間的相互干擾的情況。手持一個TOF傳感器旋轉(zhuǎn)，如果碰巧照射在另外一個傳感器上，則傳感器輸出為2000，這是錯誤的檢測結(jié)果。如果TOF不是正向照射在另外一個傳感器上，它們測量結(jié)果還是正確的。因此，在一個車模上是可以在四周同時按照多個TOF傳感器。只要注意他們之間不會相互直射即可。
在比賽中的決賽階段，如果賽道上是兩個車模同時進行運行，理論上他們上面的TOF傳感器是可能發(fā)生干擾的。不過這種干擾的幾率會很小。
