Jak szybko uruchomić projekt trójwymiarowego optycznego pomiaru ToF

Optyczny pomiar odległości na podstawie czasu przelotu (ToF) odgrywa zasadniczą rolę w różnorodnych zastosowaniach, od czujników przemysłowych po interfejsy użytkownika oparte na gestach. Dzięki dostępności precyzyjnych, szybkich, wielopikselowych czujników ToF deweloperzy mogą wdrażać bardziej zaawansowane, trójwymiarowe algorytmy pomiarowe potrzebne w tych zastosowaniach. Jednak czas prac rozwojowych jest wydłużony ze względu na złożoność wielopikselowego podsystemu pomiaru optycznego.

W niniejszym artykule omówiono podstawowe zasady dotyczące technilogii ToF. Dodatkowo przedstawiono optyczny zestaw ewaluacyjny ToF firmy Broadcom, który umożliwia deweloperom szybkie tworzenie prototypów precyzyjnych układów do pomiaru odległości w jednym i trzech wymiarach, a także szybkie wdrażanie niestandardowych rozwiązań do optycznego pomiaru czasu przelotu (ToF).

Podstawy optycznej technologii ToF

Optyczna technologia ToF wykorzystywana do dokładnego pomiaru odległości potrzebnego w wielu zastosowaniach pozwala na wykonywanie pomiarów w oparciu o czas potrzebny na przelot światła przez powietrze. Szczegółowe obliczenia wykorzystywane podczas tych pomiarów opierają się zasadniczo na dwóch różnych podejściach - bezpośrednim i pośrednim czasie przelotu. W trybie bezpośredniego czasu przelotu, zwanym pomiarem impulsowym, urządzenie mierzy czas między nadaniem i odebraniem określonego impulsu świetlnego przez czujnik ToF przy użyciu równania 1:

Gdzie:

c0 = prędkość światła w próżni

∆T = czas między nadaniem i odebraniem

Choć koncepcja jest prosta, możliwość wykonywania dokładnych pomiarów przy użyciu omawianego podejścia wiąże się z koniecznością sprostania wielu wyzwaniom, takim jak potrzeba dysponowania wystarczająco wydajnymi nadajnikami i odbiornikami, zwiększenia stosunku sygnału do szumu i precyzyjnego wykrywania zbocza impulsu.

Z kolei pośrednie metody ToF wykorzystują modulowaną falę ciągłą i mierzą różnicę fazową pomiędzy sygnałami wysyłanymi i odbieranymi, zgodnie z równaniem 2:

Gdzie:

c0 = prędkość światła w próżni

fmod = częstotliwość modulacji laserowej

∆φ = ustalona różnica fazowa

Oprócz zmniejszenia zapotrzebowania na moc nadajnika i odbiornika, pośrednie podejście do pomiaru czasu przelotu (ToF) charakteryzuje się też mniejszymi wymaganiami dotyczącymi kształtowania impulsów, obniżając złożoność projektu przeznaczonego do pomiaru odległości w trzech wymiarach i detekcji ruchu.

Zarówno bezpośrednie, jak i pośrednie metody wymagają starannego zaprojektowania optycznego układu front-end i precyzyjnego sterowania sygnałami nadajnika i odbiornika. Od lat deweloperzy mogą korzystać ze zintegrowanych optycznych czujników ToF, które łączą w sobie urządzenia nadające i czujniki odbierające sygnały w jednej obudowie. Niemniej poprzednie generacje tych urządzeń zazwyczaj wymagały od deweloperów rezygnacji z pewnych parametrów czy też charakterystyk działania, takich jak pobór mocy, zasięg, dokładność i szybkość. Takie kompromisy okazały się kluczową przeszkodą dla rosnącej gamy zastosowań w pomiarach przemysłowych, które wymagają średniego zasięgu do 10m.

Bardziej zaawansowane moduły pośrednich czujników ToF, takie jak AFBR -S50MV85G firmy Broadcom, zostały zaprojektowane specjalnie z myślą o sprostaniu rosnącemu zapotrzebowaniu na szybkie i dokładne wyniki przy średnich odległościach przy zachowaniu minimalnych wielkości obudowy i poboru mocy. Bazujący na wspomnianym czujniku zestaw ewaluacyjny AFBR-S50MV85G-EK firmy Broadcom oraz powiązany z nim zestaw rozwojowy oprogramowania (SDK) stanowią wielopikselową platformę rozwojową z czujnikiem ToF, która umożliwia deweloperom szybkie wdrażanie rozwiązań wykorzystujących technologię pomiarów ToF w trzech wymiarach.

W jaki sposób zintegrowany moduł upraszcza pomiar odległości ToF

Moduł AFBR-S50MV85G, opracowany z myślą o przemysłowych zastosowaniach pomiarowych, stanowi kompletne rozwiązanie z optyczną technologią ToF w jednej obudowie. Posiada zintegrowane komponenty takie jak laser podczerwieni 850nm (VCSEL), sześciokątną matrycę 32-pikselową, zintegrowane soczewki do lasera VCSEL i optyki czujników oraz specjalizowany układ scalony (ASIC).

Wyrównany nieruchomo względem matrycy pomiarowej nadajnik oświetla obiekt docelowy, powodując wykrycie odbitego sygnału podczerwieni przez pewną liczbę pikseli w matrycy pomiarowej. W podstawowym trybie działania, dzięki wbudowanym funkcjom tłumienia światła otoczenia, moduł umożliwia dokładne pomiary odległości od powierzchni białych, czarnych, kolorowych, metalowych lub odbijających światło nawet w bezpośrednim świetle słonecznym.

W miarę zmniejszania się odległości od obiektu, automatyczna kompensacja błędów paralaksy pozwala na pomiary praktycznie bez dolnej wartości granicznej odległości. Jednocześnie połączenie oświetlenia podczerwonego i matrycy pomiarowej daje dostęp do dodatkowych informacji o obiekcie, w tym jego ruchu, prędkości, kąta nachylenia lub wyrównania poprzecznego. W rezultacie moduł może dostarczyć danych potrzebnych do określenia kierunku i prędkości mijającego lub zbliżającego się obiektu docelowego (ilustracja 1).

Ilustracja 1: Korzystając z danych uzyskanych z matrycy pomiarowej 8 x 4 pikseli modułu AFBR-S50MV85G, deweloperzy mogą wdrożyć rozwiązania 3D do pomiaru charakterystyki ruchu obiektu. (Źródło ilustracji: Broadcom)

Odpowiadający za precyzyjną pracę lasera VCSEL i matrycy pomiarowej wbudowany specjalizowany układ scalony (ASIC) modułu zawiera wszystkie obwody niezbędne do sterowania laserem VCSEL, przechwytywania sygnału analogowego z matrycy pomiarowej i cyfrowego kondycjonowania sygnału (ilustracja 2).

Ilustracja 2: Specjalizowany układ scalony (ASIC) zintegrowany z modułem AFBR-S50MV85G zawiera wszystkie obwody niezbędne do sterowania źródłem światła VCSEL modułu, akwizycji sygnałów z matrycy pomiarowej i generowania danych cyfrowych przesyłanych przez magistralę SPI. (Źródło ilustracji: Broadcom)

Dzięki zintegrowanemu obwodowi zasilania specjalizowanego układu scalonego (ASIC) moduł może pracować przy pojedynczym zasilaniu 5V, a jego wbudowany, fabrycznie skalibrowany oscylator rezystorowo-kondensatorowy (RC) z kompensacją temperatury i cyfrową pętlą synchronizacji fazowej (PLL) zapewniają wszystkie wymagane sygnały zegarowe. Dzięki tej integracji deweloperzy mogą łatwo włączyć moduł do swoich projektów przy użyciu mikrokontrolera MCU i kilku dodatkowych komponentów zewnętrznych. Połączenie z mikrokontrolerem MCU wymaga tylko wtyku wejścia/wyjścia ogólnego przeznaczenia (GPIO) dla sygnału gotowości danych z modułu, a także połączenia przez cyfrowy szeregowy interfejs urządzeń peryferyjnych (SPI) (ilustracja 3).

Ilustracja 3: do wdrożenia kompletnego układu pomiaru czasu przelotu (ToF) potrzeba jedynie modułu AFBR-S50MV85G firmy Broadcom wraz z mikrokontrolerem MCU i kilkoma dodatkowymi komponentami. (Źródło ilustracji: Broadcom)

Ten prosty projekt sprzętowy jest uzupełniony przez oprogramowanie sterownika ToF firmy firmy Broadcom, które posiada wszystkie powiązane funkcje programowe niezbędne do wdrożenia pomiaru odległości. Moduł obsługuje zbieranie danych optycznych dla aplikacji do pomiaru odległości, natomiast oprogramowanie sterownika ToF firmy Broadcom zawarte w dostarczonym przez nią zestawie rozwojowym oprogramowania AFBR-S50 realizuje wszystkie etapy konfiguracji i sprzętu oraz pomiaru. Podczas pomiaru oprogramowanie sterownika wyodrębnia zarówno wartości odległości, jak i amplitudy pikseli.