飛行時(shí)間傳感器：技術(shù)原理與多元應用

如果你對飛行時(shí)間不了解，別擔心，你來(lái)對地方了。

飛行時(shí)間一詞幾乎就是字面意思，只不過(guò)飛行的對象是波長(cháng)為940納米，肉眼完全不可見(jiàn)的“光子”。

我們發(fā)出一束激光；光子撞擊某個(gè)物體并反彈回來(lái)。當光子反彈回來(lái)時(shí)，我們停止計時(shí)，獲得光飛行時(shí)長(cháng)，借此確定物體與我們之間的距離（以毫米為單位）。這項技術(shù)被稱(chēng)為光飛行時(shí)間距離測量（flight sense），該技術(shù)功耗相對較低，遠遠低于相機。

飛行時(shí)間的概念很簡(jiǎn)單，您只需要使用一個(gè)小模塊便可輕松將這個(gè)“簡(jiǎn)單”的技術(shù)應用在您的方案中。而這個(gè)模塊本身并不簡(jiǎn)單，不僅僅是一片封裝在塑料容器中的芯片，還包括了一些光學(xué)元件。

典型的飛行時(shí)間模塊通常采用以下結構：

首先，由VCSEL激光器發(fā)射波長(cháng)為940納米完全不可見(jiàn)的紅外光，該紅外光具有1級安全認證。

發(fā)出去的光子經(jīng)由Tx鏡頭擴散出去，擊中物體后反射回來(lái)，進(jìn)入器件的接收端，穿過(guò)單光子雪崩二極管陣列（SPAD receiver），以達到計算光子飛行時(shí)間而精確測距。激光發(fā)射器與接收器兩者之間，有一個(gè)完整的SOC系統，它可以完美控制發(fā)射激光并收集（integration）反射回來(lái)的光子并加以計算處理實(shí)現精確測距。

一旦測距完成，觸發(fā)中斷通知主系統測距任務(wù)已完成，主系統就可以通過(guò)I2C或者SPI接口讀取測距結果了，所有的功能在激光器件模塊中完成。

應用場(chǎng)景

意法半導體目前主推的飛行時(shí)間傳感器包括VL53L5CX、L7CX和L8CX三款，我們將在另外的文章中分析他們的技術(shù)異同和各自?xún)?yōu)勢?，F在讓我們看看他們主要的使用場(chǎng)景。

手勢識別

你可以使用ST的任何一款多區飛行時(shí)間傳感器實(shí)現這一功能。通過(guò)每一瞬間記錄你手的位置，微控制器就能確定手勢的運動(dòng)軌跡，并以20HZ的頻率，上報精確的手勢檢測結果。

這對于恒溫器而言非常方便。您只需輕輕敲擊或滑動(dòng)，便能進(jìn)行控制。揮揮手，就能開(kāi)啟或者改變一個(gè)功能。您還可以使用手勢控制服務(wù)機器人、智能音箱，甚至在A(yíng)R中操作。

手勢指令也可以用于安保，當探測到靠近者并使用手勢時(shí)，將觸發(fā)相應功能，比如揮一揮手，電梯門(mén)便打開(kāi)。想象一下，當機器人和其他設備都能通過(guò)手勢控制，那將多么酷炫！無(wú)需觸摸任何東西，不僅更衛生，而且更安全。

觀(guān)看一下，當同事舉起手做出各自手勢時(shí)，計算機通過(guò)AI技術(shù)來(lái)識別他的手勢。傳感器本身并不執行此項工作，傳感器提供距離、信號強度、環(huán)境光強度，測距狀態(tài)等信息給人工智能算法，而這一算法則能識別各種手勢，如大拇指朝上、大拇指朝下以及雙大拇指朝上等。

這確實(shí)是一個(gè)聰明的應用，一旦您意識到它的能力，就可以無(wú)限延伸到其他場(chǎng)景中。

存在探測 Presence Detection

節能：您可以利用傳感器探測是否有人站在物體前方。以恒溫器為例，您可以通過(guò)檢測到無(wú)人使用時(shí)不給小型LCD屏幕供電來(lái)節省大量能量（盡管本身能耗已較低）。只要有人站在前方，小屏幕便會(huì )亮起并開(kāi)始接受指令。

安全：這種功能也可應用于自動(dòng)提款機，不僅能夠節約能源（僅在屏幕前有人時(shí)亮屏），還能提高安全性。例如，在用戶(hù)輸入密碼時(shí)，傳感器可以看到用戶(hù)肩后是否有可疑人員偷窺。

便捷：將檢測對象轉為車(chē)輛時(shí)，當你駛入停車(chē)場(chǎng)時(shí)能獲知附近停車(chē)位的數量將非常有用。

此外，還有許多其他應用，例如體育或游戲計分，無(wú)需搖晃門(mén)把手即可確定廁所門(mén)內是否有人等等。

只用一個(gè)傳感器就能實(shí)現6大功能：

1. 懸崖預測———探測到懸崖/邊緣就會(huì )停下來(lái)轉彎。

2. 地面感應———地面材質(zhì)檢測，幫助機器人決定清理范圍以及清理模式。

3. 小物體檢測———智能避障

4. 碰撞回避———避障

5. 板頂檢測（Ceiling detection）————確定機器人是否能夠自如穿梭而不被卡住。

6. 輔助安全返回充電樁（Safe docking assist）

如果同時(shí)采用多個(gè)傳感器，可以巧妙地實(shí)現定位和追蹤墻面等各種功能。

液位監測 Liquid Level Monitoring

液位監測是非常常見(jiàn)的應用領(lǐng)域，通常液體監測的難點(diǎn)在于凡是垂直入射到水中的光子，大部分會(huì )立即返回，而其他光子則會(huì )在水中反彈射、散射，導致測量結果往往不準確。我們采取的應對之策則是觀(guān)察返回信號的強度。

圖1

圖2

請注意中間圖形中用深紅色圈起來(lái)的部分，圖1中的5006表示該區域的光子返回強度超過(guò)其他區域。

圖2中77號綠色圖形表示與液體的距離，其他數字都比較隨機，只有高信號強度的數字比較接近，才能準確確定測量區域。其他數字都只是隨機噪聲。

但這個(gè)應用不局限于L5CX、L7CX或L8CX，而是取決于你想用哪個(gè)傳感器，您的水箱有多大以及其他各種因素?？傆幸环N傳感器可以滿(mǎn)足你的使用場(chǎng)景。

這個(gè)傳感器不具有侵入性，體積小，可以節省時(shí)間和金錢(qián)，并且與計算機連接，可以運行數據。

內容物管理/計數 content management

在一個(gè)垃圾車(chē)里裝上飛行時(shí)間傳感器，當測量到垃圾桶裝滿(mǎn)再開(kāi)走垃圾車(chē)，時(shí)間剛剛好。如果在卡車(chē)上安裝足夠多的飛行時(shí)間傳感器，就能知道后備箱里的剩余空間，是否有東西移動(dòng)或移位。

當然，如果將L5換成L7，就可以進(jìn)一步擴大光照范圍，使用的傳感器數量也會(huì )減少。

其他應用可以大到在倉庫中，俯視貨架上的商店，查看貨架庫存，統計進(jìn)出數量；小到在咖啡機上檢測咖啡杯是否就位等等。

目前意法半導體的ToF傳感器已經(jīng)更新到第4代，我們的測量范圍從10厘米逐漸延伸至4米。我們還在持續拓展，繼續變強。我們已經(jīng)售出8萬(wàn)套評估套件，400多個(gè)設備已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，這還不包括應用了這項技術(shù)的數不清的手機