飛行時間傳感器：技術原理與多元應用

如果你對飛行時間不了解，別擔心，你來對地方了。

飛行時間一詞幾乎就是字面意思，只不過飛行的對象是波長為940納米，肉眼完全不可見的“光子”。

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

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

典型的飛行時間模塊通常采用以下結構：

首先，由VCSEL激光器發(fā)射波長為940納米完全不可見的紅外光，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，進入器件的接收端，穿過單光子雪崩二極管陣列（SPAD receiver），以達到計算光子飛行時間而精確測距。激光發(fā)射器與接收器兩者之間，有一個完整的SOC系統(tǒng)，它可以完美控制發(fā)射激光并收集（integration）反射回來的光子并加以計算處理實現(xiàn)精確測距。

一旦測距完成，觸發(fā)中斷通知主系統(tǒng)測距任務已完成，主系統(tǒng)就可以通過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。

應用場景

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

手勢識別

你可以使用ST的任何一款多區(qū)飛行時間傳感器實現(xiàn)這一功能。通過每一瞬間記錄你手的位置，微控制器就能確定手勢的運動軌跡，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，便能進行控制。揮揮手，就能開啟或者改變一個功能。您還可以使用手勢控制服務機器人、智能音箱，甚至在AR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，將觸發(fā)相應功能，比如揮一揮手，電梯門便打開。想象一下，當機器人和其他設備都能通過手勢控制，那將多么酷炫！無需觸摸任何東西，不僅更衛(wèi)生，而且更安全。

觀看一下，當同事舉起手做出各自手勢時，計算機通過AI技術來識別他的手勢。傳感器本身并不執(zhí)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。

這確實是一個聰明的應用，一旦您意識到它的能力，就可以無限延伸到其他場景中。

存在探測 Presence Detection

節(jié)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，您可以通過檢測到無人使用時不給小型LCD屏幕供電來節(jié)省大量能量（盡管本身能耗已較低）。只要有人站在前方，小屏幕便會亮起并開始接受指令。

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

便捷：將檢測對象轉為車輛時，當你駛入停車場時能獲知附近停車位的數(shù)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，無需搖晃門把手即可確定廁所門內是否有人等等。

只用一個傳感器就能實現(xiàn)6大功能：

1. 懸崖預測———探測到懸崖/邊緣就會停下來轉彎。

2. 地面感應———地面材質檢測，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）

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

液位監(jiān)測 Liquid Level Monitoring

液位監(jiān)測是非常常見的應用領域，通常液體監(jiān)測的難點在于凡是垂直入射到水中的光子，大部分會立即返回，而其他光子則會在水中反彈射、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的部分，圖1中的5006表示該區(qū)域的光子返回強度超過其他區(qū)域。

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

但這個應用不局限于L5CX、L7CX或L8CX，而是取決于你想用哪個傳感器，您的水箱有多大以及其他各種因素。總有一種傳感器可以滿足你的使用場景。

這個傳感器不具有侵入性，體積小，可以節(jié)省時間和金錢，并且與計算機連接，可以運行數(shù)據(jù)。

內容物管理/計數(shù) content management

在一個垃圾車里裝上飛行時間傳感器，當測量到垃圾桶裝滿再開走垃圾車，時間剛剛好。如果在卡車上安裝足夠多的飛行時間傳感器，就能知道后備箱里的剩余空間，是否有東西移動或移位。

當然，如果將L5換成L7，就可以進一步擴大光照范圍，使用的傳感器數(shù)量也會減少。

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(tǒng)計進出數(shù)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(xù)拓展，繼續(xù)變強。我們已經(jīng)售出8萬套評估套件，400多個設備已經(jīng)進入市場，這還不包括應用了這項技術的數(shù)不清的手機