方案测评 |  ToF与红外测距技术谁将雄霸天下?且看VL6180X、GP2D12传感模块测评分析

创易栈 2017-06-01 15:59:37

关键字:ToF   红外测距技术


无论是2017CES大热的智能机器人、VR眼镜,还是备受争议的无人驾驶,产品采用的测距方式一直是人们争议的焦点,虽说红外测距对工作环境的苛刻要求以及精度不被发烧友们待见,然而ToF传感模块高昂的价格也让许多厂家望而却步,测距方式未来究竟谁能称霸天下,本文将通过对ST的ToF测距模块VL6180X与以夏普为代表的GP2D12红外测距模块测评分析,为读者揭开这两种测距技术的神秘面纱。

 

一、ToF传感测距模块

 

ToF技术原理:ToFTime ofFlight的缩写,直译为飞行时间,通过给目标连续发送光脉冲,然后用传感器接收从物体返回的光,通过探测这些发射和接收光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离。

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1ToF技术测距原理分析

 

ToF技术应用领域:虽然ToF技术在国内仍处于起步阶段,其应用领域却非常广泛,涵盖了几乎包括汽车、工业、人脸识别、健康,游戏、娱乐、电影特效、3D打印和机器人在内的新兴领域,其未来发展势头可以想见。

 

常见ToF测距应用举例:以消费类电子产品的小型化ToF相机为例,普通相机由于光学成像系统具有透视效果,不同距离的场景为各个不同直径的同心球面,而非平行平面,所以在实际使用时,需要后续处理单元对这个误差进行校正。作为TOF的相机的核心,TOF芯片能对每一个像元对入射光往返相机与物体之间的相位分别进行纪录。

 

因此,TOF的深度计算不受物体表面灰度和特征影响,可以非常准确的进行三维探测。而普通双目立体相机则需要目标具有良好的特征变化,否则会无法进行深度计算。TOF的深度计算精度不随距离改变而变化,基本能稳定在cm级,这对于一些精度要求较高的应用场合非常有意义。

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2:采用ToF技术测距模块应用场合展示

 

现如今,比较有代表性的ToF技术传感应用当属ST的传感测距模块,下面,本文将通过对STVL6180XVL53L0X测距模块的测评,为读者解读采用ToF技术的测距模块其优势与特点。

 

ST VL6180X测距模块距离、光线传感器测评分析

 

意法半导体出品的VL6180X是一款专业、精准的传感器模块,不论是距离检测还是环境光检测,其稳定、可靠性要远远 高于普通的超声波模块及光传感器。因此,其上手难度也高于一般的传感器模块。

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测试描述:打开RangingAndALS工程编译烧录,程序中有距离测量光度测量,通过拨码开关切换,完成模块的距离、光线测量。

 

测试环境:正常光照环境与黑暗环境

 

测试反馈:

 

理论上来讲,VL6180X的输出值应该与目标物体之间的距离呈线性关系,但实际上并非如此。在黑暗环境中,测试VL6180X与不同反射率的物体之间的距离,真实距离与实际测量距离的输出对比关系如图3

所示:

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3. 原始测量值与实际值对比

 

从图3中可知,测量数据的实际输出存在偏移错误,且数据抖动剧烈,其中偏移错误可通过偏移校准 来修正。而为了进一步提高VL6180X的输出精度及稳定性,官方推荐使用盖玻片来增加串扰信号,并在之 后进行串扰补偿来修正盖玻片带来的距离错误。

 

如图4所示:在使用了盖玻片并做了串扰补偿修正后,真实 距离与实际测量距离的误差减少稳定性也进一步增强。

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4. 串扰补偿后的测量值与实际距离对比

 

捕获收敛时间(距离测试)

 

需要注意的是,VL6180X计算与物体之间的距离所需要的时间花费并不是固定的,它与测量距离及目标物体的光反射率有关。如图5所示:在10MM内,模块测量的距离值是无意义的,所花费的转换时间也较长;而当测量距离逐渐增大后,所花费的时间也逐渐增大,反射率越低,消耗的时间越长。

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5. 收敛时间与测量距离及物体反射率之间的关系

 

由于收敛时间与物体反射率及无标物体的实际距离有关,因此可以使用简单的收敛估计(Early convergence estimate, ECE)来降低模块的功耗。例如,判断0.5msVL6180X模块所接收到的反馈信号数,当其低于某个理想中的阈值时,可认定在设定的量程内,周围没有检测到有效物体,因此可中止接下 来的测量以节省功耗,如图6所示。反之,当接收到的反馈信号数高于设定的理想阈值时,系统才启动测量,在这种情况下,只有高反射率的金属物体靠近VL6180X模块时,系统才会开始工作,达到了降低功耗 的效果,如图7所示。

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6. 量程范围内无目标时的阈值设置

图片 8.png

7. 检测金属物体时的阈值设置

 

环境光传感器模式(光度测试)

 

VL6180X模块可以在一个相当宽泛的范围内测量所接收到的环境光,其测量的原理为计算单位时间 (100ms)内光孔所接收到的光量,因此,若要测量不同的光强度,推荐设置模块的测量量程,而不是修改采样时间。

 

此外模块接收到的实际光量值会受模块光孔的角度影响,如图8所示:模块接收光量的最佳范围在一个 圆锥体内,超过该圆锥体,测量的实际值也会受到较大的影响,整体的值也呈现一个正态分布的效果。

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8. 光孔位置及接收角度示意图

 

Demo上手测试

 

为试验VL6180X的实际测量效果,此处使用STM32F0308-Discovery开发板驱动该模块,如图9所示:

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9. 评估板测试准备

 

在图10测试过程中,系统上电时用手遮住了传感器,返回错误6,表示没有检测到有效物体(太近);之后慢慢将手拿开,返回有错误111316,表示模块在量程内未识别有效物体或者目标过多(太远)

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10. 光照强度测试打印

 

在图10的测试中可知,系统上电后检测到了周围的环境光强度,用手遮住后检测值立马下降,模块的光照强度减弱。

 

测评结论:VL6180X是一款专业、精准的传感器模块,不论是距离检测还是环境光检测,其稳定、可靠性要远远高于普通的超声波模块及光传感器,因此,其上手难度也高于一般的传感器模块。感兴趣的话,读者不妨购买回来研究一下,用在自己的玩具小车、飞行器等智能硬件领域也是极好的。

 

二、红外测距技术

 

目前,主流的红外测距模块大抵非夏普莫属,其可靠的质量与齐全的技术支持获得行业一致口碑,夏普的红外传感器都是基于一个原理,三角测量原理。

 

红外测距原理分析:红外发射器按照一定的角度发射红外光束,当遇到物体以后,光束会反射回来,如图11所示。反射回来的红外光线被CCD检测器检测到以后,将获得一个偏移值L,利用三角关系,在知道了发射角度a,偏移距L,中心矩X,以 及滤镜的焦距f以后,传感器到物体的距离D就可以通过几何关系计算出来了。

 

 

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11:红外测距的技术原理

 

可以看到,当D的距离足够近的时候,L值会相当大,超过CCD的探测范围,这时,虽然物体很近,但是传感器反而看不到了。因此,采用红外测距有一个较大的局限性就是:检测的最小距离太大。

 

红外测距技术应用领域:由于以上特性,红外测距广泛用于中远距离测量,如机器人避障、地形、战场测量,坦克,飞机,舰艇和火炮对目标的测距,测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等。

 

夏普GP2D12红外测距模块测评分析

 

浏览过国内外各大机器人网站的人,都会知道这款夏普GP2D12红外测距传感器是多么的受欢迎,可谓是机器人爱好者不可缺少的一款经典传感器,今天,我们通过对这款模块的测距测评分析,来看看它的性能究竟如何。

 

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12:夏普GP2D12红外测距传感器

 

首先,我们来看看GP2D12产品的规格参数:

1.测量射程范围:10 to 80 cm

2.最大允许角度:>40°

3.电源电压:4.5 to 5.5V

4.平均功耗:35mA

5.峰值功耗:约200mA

6.更新频率/周期:25Hz/40ms

7.模拟输出噪声:<200mV

8.测量距离与输出模拟电压关系:2.4V~0.4V模拟信号对应10cm~80cm,输出与距离成反比非线性关系。

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13GP2D12电压与距离的对应关系

 

Arduino自带有610ADC,所以我们可以直接将GP2D12接入Arduino的模拟接口,读出传感器的反馈值。从官方手册上可知,GP2D12的输出为0.4V~2.4V模拟信号,对应8010cm距离,输出与距离间的关系成反比,且为非线性。我们用Arduino不经过换算直接读出的值为从100左右到500左右。

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14GP2D12模块测试连线图

 

为了清楚地展示测试结果,本文采用了机器人基地提供用于GP2D12计算的表格,此表格的作用是将不同环境及条件下GP2D12传感器输出电压值转化为实际距离值。

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15GP2D12红外测距模块测试结果

 

 表格里填为实际测量的参数值,连接+5V电源(也可是+3.3V),还需要填入10cm80cm,10cm采集一个点的8个电压值,填好以后表格就会自动生成线性化公式的参数值,表格还提供了整形和浮点两种格式,还附有产生的结果与实际值的偏差表,不得不承认这表还真挺实用!

 

下面是程序代码:

int i;

int val;

int redpin=0;

void setup()

{

  pinMode(redpin,OUTPUT);

  Serial.begin(9600);

}

void loop()

{

  i=analogRead(redpin);

  val=(6762/(i-9))-4;

  Serial.println(val);

}

 

程序下载完毕,即可在监视窗里就可以看到测量的距离值了!

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测评分析:红外传感器连接使用简单,对于1米以内的中距离测试精度良好、性能优越;但当障碍物(或目标)与红外传感器之间的距离小于10cm时,测量值将与实际值出现明显偏差,当距离值从10降至0的过程中,测量值将在10~35之间递增。

 

应用建议:通过两种传感测距模块的技术原理与测评分析,我们不难看出,Tof与红外测距各有所长,亦各有所短。

 

采用Tof测距技术价格昂贵,但以ST VL6180X为代表的测距模块可同时具备距离与光线两种测试功能,并能够精准捕捉与反馈测试数据,在短距离、精度要求高的应用领域如手机、消费电子产品上有着无可比拟的优势;而当今主流的红外测距技术夏普GP2D12测距模块由于其自身原理的限制,更倾向于中远程测距,其高性价比与一致性为机器人、室内定位等领域开拓了一片天地。

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