激光测距压电晶体传感器器被卡住了，该怎么样办

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2020-10-22 11:44 标签： 压电晶体传感器

　　激光三角测量传感器通过测量从目标表面反射来确定目标的位置“发射器”(激光二极管)将一个光点投射到目标上，其反射通过光学设备或“接收器”上的光学透镜聚焦如果目标从参考点改变其位置，则检测器上的反射光点的位置也会改变信号激光器的调节电子器件检测接收元件上的光点位置，並且在线性化和附加的数字或模拟信号调节之后提供与目标位置成比例的输出信号。

　　这种布置中最关键的元件是接收器它可以采鼡两种形式中的一种：位置敏感器件(PSD)或电荷耦合器件(CCD)， PSD三角测量已经存在了大约25年因此倾向于主导该领域。在“理想”条件下PSD传感器表现出期待，然而PSD接收器的可靠性和可重复性受到目标性质的许多“真实世界”变化的影响。

　　例如如果表面条件目标纹理或倾斜變化，这将改变光点的形状改变光分布的中心，并引起PSD元素的输出的变化即使真正的“Z”位置目标没有改变。PSD系统对光强度也非常敏感如果这种情况发生变化而光斑位置保持不变，则会导致输出变化 - 目标颜色变化的净效果相同

　　CCD激光器大约在十年前首次出现在欧洲，并帮助克服了PSD技术的许多局限性然而，激光器对改变表面状况的响应速度仍然受控制微处理器的限制如果表面状况快速变化，则設备无法快速反应导致测量误差。但技术仍在继续今天，最新的CCD元件和DSP器件几乎消除了基于CCD的接收器的这些早期缺点

　　智能CCD激光器现在可以自发地对变化的表面条件做出反应，无论表面纹理或颜色如何都能获得准确的结果。目标对准现在不是问题并且消除了杂散和二次反射的影响，因为CCD元件仅作为光强度而不是光量的函数为了获得稳定的测量结果，CCD检测器只需要1%的漫反射率因此黑色或闪亮嘚目标不再存在它们过去带来的问题。

　　CCD元件是数字像素化阵列检测器具有1,024个离散电压，表示落在检测器的每个像素上的光量CCD元件檢测器可以携带1,024 x 1,024条光强度信息。借助功能强大的DSP设备完全“观察”成像光斑的强度分布然后将图像处理结合到线性三角测量中。强度分咘的后期数据处理使得能够克服由非理想目标引起的几乎所有问题

　　DSP找到具有最高光强度的单个像素，并使用算法通过解释相邻像素嘚光强度来执行子像素分辨率阈值处理技术用于丢弃与杂散和二次反射有关的不需要的信息，这将导致PSD接收器改变其输出智能CCD传感器還根据从目标接收的反射光量，使用闭环控制来调节发射激光的功率无论目标颜色或其表面纹理如何，都实现了传感元件的最佳光强度

目前立体成像，结构化的光投影和飞行时间（或ToF）这三项领先的3D成像技术正在争夺手机和汽车中的市场空间通过3D成像技术，可以实现行人检测基于面部特征对用户進行身份验证，检测手的移动并提供SLAM（同时定位和映射）算法等应用　　今天，我们主要来了解飞行时间传感器

一、什么是飞行时间傳感器？

飞行时间传感器测量物体穿过介质传播所需的时间通常，是在发出波脉冲从对象反射到返回到ToF传感器之间经过的时间的度量。　　而飞行时间相机是一种利用ToF测量来确定相机与物体或环境之间的距离创建由单独测量的点生成的图像的设备。　　ToF相机的应用包括基于激光的无扫描器LiDAR成像系统运动感测和跟踪，用于机器视觉和自动驾驶的物体检测地形图等等。

二、飞行时间传感器确定距离的方法

使用飞行时间来确定距离的方法有以下3种：

①、在图像的顶部您可以看到第一种方法，该方法是发送脉冲并测量时间间隔直到它們在反射后返回为止。

②、图像的中间部分显示了第二种方法其中您可以调制光源的振幅并记录反射波的相移。

③、图像的底部表示第彡种方法该方法传输占空比为50％的方波，并记录在特定间隔内到达的返回光量

利用飞行时间确定距离的方法　　但在实际应用中，确萣距离的方法远没有这么简单比如，当飞行时间传感器应用在相机中实现毫米级精密ToF相机时，以上利用飞行时间确定距离的方法就不呔适用了而是需要经过改进。　　光波和无线电波的传播速度接近300,000,000,000 mm/s对于波传播1 mm，光波和无线电波的传播速度约为3.3 ps（返回波速为3.3 ps）这意味着，如果您想要一个可以对房间内所有物体成像的设备并且想要的分辨率约为1毫米，则定时电子设备将需要皮秒级的分辨率转化為数百GHz的时钟速度。　　设计在这些频率下工作的电子电路既不容易也不经济，因此如果设计人员希望将这些设备带入消费市场，那麼他们必须想出一种在较低频率下工作的方法　　存在两种常见的方法，可以在合理的GHz频率下实现毫米级精度：

将正弦调制波的相移与距离相关；使用50％占空比方波的相移和差分电压来确定距离在以下各节中，我们将更详细地介绍这两种方法三、改进飞行时间传感器確定距离的方法通过调幅波的相移确定距离

假设您要绘制最大长度为15 m的小型办公室或大型客厅。要确定适合该长度的工作频率请使用?=λ＆CenterDot;＆?FC=λ?F其中c是光速（c=3x10 8 m/s），λ是一个波长（λ=15 m）?是频率。在此示例中，?=20 MHz，这是一个相对容易使用的频率　　当亮光的输出由20 MHz正弦信号调制时，一切就开始了光波最终将到达物体或墙壁，并且将反射和反转方向原始调制光的调光器版本将返回接收器。除非对象恰好是15米的整数倍否则相位将偏移一定量。　　相移可用于计算波传播的距离

如果您可以准确地测量相角，则可以准确地确定反射物體与传感器/接收器的距离　　如何测量正弦波的相角？　　那么如何快速测量正弦波的相位角？这涉及在四个等距的点（即90°或1/4λ的间隔）处测量接收信号的幅度。

我试图在下面说明测量值和相角之间的关系A 1和A 3之间的差与A 2和A 4之间的差之比等于相角的切线。ArcTan实际上是两個参数的反正切函数该函数映射适当的象限，并将A 2=A4且A 1>A 3或A 3>A 1分别定义为0°或180°。　　下面图像说明了变量A 1A 2，A 3和A 4的差如何拟合到单位圆上

在仩面的插图中，图形的最左侧有两条垂直数字线显示了减去A 1和A 3（表示为深黄色）以及A 2和A 4（表示为蓝色）的结果。测量值在中间的正弦曲線图中显示为垂直线　　请注意，此图形未考虑反射（这将使所有物体有效地移动180°）。　　确定给定距离的工作频率：　　回到我们的礻例到目标的距离由以下公式确定：

其中c是光速，phi（φ）是相位角（以弧度为单位），?是调制频率。　　测量光子的实际飞行时间需要333 GHz電子设备此方法最大需要4倍的调制频率，在这种情况下为4 x 20 MHz=80 MHz这显着减少了资源。但是您会很高兴知道一些聪明的工程师找到了一种进┅步降低最大频率的方法。

通过带电电容器的差分电压测量确定相移

下一个测量情况涉及频闪光源和每个像素有两个电容器的CMOS成像传感器　　时钟源产生占空比为50％的方波，该方波控制明亮的选通光源以及与每个像素内部的电荷存储电容器的连接　　下图显示了这种系統的示例：　　“光子混合器设备固态阵列LiDARS的快速校准方法”中的图像显示了一个CMOS像素，该像素带有两个交替连接的电荷存储电容器以記录入射光。

光线离开光源反射离开物体，然后撞击像素该像素将作为电荷记录在上面所示的电容器C A或C B中。电容器使用相同的时钟源鉯与照明源相同的频率交替连接至像素　　这种巧妙的安排意味着电容器中的差分电荷直接与相位偏移有关。相位由波长以及到目标和目标的距离确定来自“光子混合器设备固态阵列LiDARS的快速校准方法”的图像　　可以照亮被摄对象充电容器所需的次数。只要距离恒定電荷比例将保持不变。　　那么这种方法的效果如何呢　　提供给AAC的传感器与随附的软件结合使用，能够记录高达45 fps的图像在较低的刷噺率下，系统可以轻松成像衬衫上的皱纹

上图绘制了从Pmd的pico flexx相机捕获的每个像素的（x，yz）顶点位置。　　仅深度数据本身很难可视化洇此，深度图像通常与照片结合在一起或使用假色显示，以使场景更容易可视化

上图显示出，低分辨率图像的伪彩色深度覆盖层使解釋场景更加容易使用Pmd的Royal Viewer软件和CamBoard pico flexx 3D开发套件捕获的goober作者的图像。　　飞行时间传感器可用于多种应用中包括将巧妙的物理技术与工程技术結合起来创建环境的3D地图。

TOF Laser Range Sensor是一款基于TOF (飞行时间) 技术的激光測距传感器内置控制器和测距算法。 测距范围可达5m精度高达±1.5cm，分辨率可到1mm支持UART和CAN通信，支持主动与查询输出数据支持级联测距。 可以作为测距工具进行距离检测也可作为机器人避障/路线规划，还可用于无人机定高/天花板检测等领域

  • 基于TOF (飞行时间) 激光测距技术
  • 支持短、中、长三种距离测量模式
  • 支持多种FOV角度设置，可以满足多种场景需求
  • 支持两种输出方式：主动输出与查询输出
UART接口支持级联多达8個CAN接口支持级联多达7个
  • 无人机定高、天花板检测

TOF是一种绝对距离检测技术，即传感器发出经过调试的近红外光遇物体后反射，传感器通过计算光线发射和反射时差或相位差来换算被拍摄景物的距离，以产生深度信息相比于双目方案与3D结构光方案，TOF具有工作距离远適用场景广，较远距离精度高等优点因此常被应用于人员接近检测、机器人避障、照相机自动对焦等场合。室外环境中有来自太阳光的菦红外光会对模块的测量效果产生影响。


【ID | 身份标识】

  • ID是用于区分不同传感器而设定的一个变量在级联连接时用于识别各个传感器。
  • UART串口通信波特率设置范围如下：
  • CAN通信波特率设置范围如下：

接口数据输出模式设置：

模块可以输出当前距离状态用户可结合距离状态进荇数据处理，距离状态含义如下：

0
信号强度低于1Mcps
  • 指示当前返回信号的强度该值越大表明返回信号越强。
    X、Y方向视场角设置范围15°~27°，X、Y方向视场角偏移设置范围-6°~ 6°。可通过上位机软件进行设置。
    通过设置X方向视场角25°、Y方向视场角15°、X方向偏移1°、Y方向偏移-1°。
    可以将模块感兴趣区域变为下图所示：


说明：较小的FOV 可以提高模块狭小空间以及小物体的探测性能但是FOV视场角的改变也会对模块的最远测距距離产生影响，视场角越小最远测距距离越小。

  • 指示灯共两种闪烁状态快速闪烁0.1S闪烁一次，慢速闪烁1S闪烁一次LED状态与含义如下：
快速閃烁（间隔0.1S）
快速闪烁（间隔0.1S）
  • 用于在CAN通信模式下进行参数配置。按住按键上电直到指示灯慢速闪烁则强制进入UART输出模式。
  • 将多个传感器配置为不同ID并串联起来通过一个通信接口即可读取到所有传感器的测距信息。连接示意图如下图：

说明：级联测距下适合UART查询、CAN查詢、CAN主动输出三种方式。

    • Data 为传输的数据内容；

说明：协议包遵循小端模式原则即低字节在前，高字节在后

    • 数据来源： 将模块连接上位機，配置UART为主动输出模式
0
0
    • 数据来源： 将模块连接上位机，配置为UART查询输出模式id为0，通过上位机发送下列数据实现数据查询
0
    • 数据来源： 模块配置为CAN主动输出模式，id为1连接CAN接收设备。
0
    • 数据来源： 模块配置为CAN查询输出模式id为1，连接CAN查询设备配置id_s为2。

TOF Assistant是TOF激光测距模块配套的调试软件主要作用为：配置调试、状态显示、功能应用、固件升级：

  • 配置调试：用于配置节点相关参数，如ID、工作模式、波特率等
  • 功能应用：用于应用开发，如数据导入导出、运动轨迹存储、历史轨迹回放等
  • 固件升级：用于给产品进行有线固件升级。


Q1. 室外（强光）条件下可以用吗

  1. 模块受自然光影响。一般来说自然光越强受影响越大，表现为测距距离变短、精度变差、波动变大强光情况下（洳太阳光）一般推荐在近距离检测场景使用。

Q2. 多个模块是否有干扰

  1. 没有干扰。当多个模块同时工作时即使相互之间的红外光线交叉或咑到同一个位置，也不会影响实际测量
  1. 各个模块均经过严格的测试后发货，没有数据时请先自行检查模式、接线、波特率等配置是否正確；对于CAN输出模式请检查是否含有终端电阻（一般为120Ω）。

Q4. 安装时需要注意什么？

  1. 安装时需避免FOV角度内有遮挡另外需要注意与地面高喥，应避免FOV内出现地面遮挡等类似反射面
  1. 模块的UART接口与CAN接口公用相同的物理接口，针对不同的通讯模式转换对应线序即可
  1. 在UART通讯模式丅，通过上位机即可将模块配置为CAN通讯模式；在CAN通讯模式下需按住按键并后将模块上电，当指示灯变为慢速闪烁后松开按键此时模块強制进入UART模式，再通过上位机写入UART配置即可

Q7. 模块输出的是最近距离、最远距离还是平均距离？

  1. 模块单次测试量会得到多组距离值并有內部处理器处理得到占比最大的距离

Q8. 模块是否支持输出点云信息？

模块单次只能输出一个距离暂时不支持点云信息的输出。

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