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无远弗届的ToF 飞时测距应用一眼看透透
发挥更大想像空间

【作者: 王岫晨】2021年01月07日 星期四

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ToF的应用情境非常多元。从小到手机,大至工业环境以及防疫用途的使用,都是ToF可以发挥所长的应用领域。本文也将以ST的ToF解决方案为例,说明ToF技术在各种不同领域的应用现况与优势。



图一 : ToF应用领域
图一 : ToF应用领域

接近侦测


图二 : 飞行时间测距原理
图二 : 飞行时间测距原理

首先针对消费性电子,所要探讨的第一个领域是接近侦测。接近侦测的实际使用范例非常,例如,平板电脑、水龙头、灯和停车场。关於存在侦测,典型应用是家用电器和智慧家庭、卫浴设备和教育平板电脑。所有这些应用情境都会侦测使用者是否存在,以及使用者位置,接着相对应地打开或关闭相关系统或萤幕。以平板电脑为例,当接近和离开平板电脑时,萤幕将会打开或锁屏;甚至还可以设定阅读距离,当使用者离萤幕太近时,透过ToF的解决方案,将能提醒使用者保护眼睛。


投影机

接下来,投影机也是ToF技术非常适合的另一个重要市场,包括办公用大型投影机、微型投影机和携带式投影机。如今,在家庭娱乐系统中,携带式投影机可以代替电视或平板电脑。测距主要应用是自动对焦,因此,我们须再进行手动对焦。投影机内部的ToF感测器可以为系统提供镜头到萤幕的距离资讯,而系统将立即自动对焦。此外,还有侦测使用者是否存在的工具。当使用者靠近对人眼有害的投影镜头时,ToF解决方案透过测距和存在侦测功能,让系统能够连续警示使用者不要靠近投影机镜头。


针对投影机的应用,ST的解决方案还能提供一个非常重要的几何形状调整功能,又称梯形校正。在使用投影机时经常会遇到投影形状发生畸变的问题,投向墙壁的影像不是向右倾斜就是向左倾斜,修正这种梯形通常需要在系统内实现复杂的演算技术。现在透过新一代的ToF感测器,使用者就可以非常快速、准确地修正梯形,而且系统成本非常亲民。目前ST也正在研究手势控制。对於这些类似应用,ST的核心优势是超高速测距,这可以达到快速自动对焦,速度快到让使用者都不会发现对焦过程,使对焦变得非常自然、快速。因为测距很快,所以当使用者接近时,调光功能立即启动。因此,安全不是问题。产品效能也很高,因此,十分适合电池供电产品。


服务机器人

在消费性电子方面还有扫地机器人和服务机器人应用。我们都知道,服务机器人正在到来,在一些家庭里面,已经有家庭助理机器人,甚至还有宠物机器人。它们都需要透过ToF感测器来提供同一种用途,这就是避障,因此,机器人不会撞人、撞桌椅、撞墙。当扫地机器人扫地而且房间有人走动时,机器人以合理的方式移动显得尤为重要,不仅避障,还要循墙和防坠落侦测,这样机器人才不会掉到楼下或卡在沙发底下。同样的,有了无触摸操作,不再需要用手触摸特定按钮。有了ToF精确、可靠的测距功能,所有这些应用情境都完全可以被实践。


工业应用

在工业方面的应用,ToF也有很多范例。包括工业机器人、输送带、工厂管理和仓库存储。测距感测器可以统计输送带运货量,因为当输送带移动货品时,货品和感测器之间的距离会变化。在生产安全方面,感测器可以用於监测使用者和操作员,并警示不要靠近特定的危险的机器或工作位置。空间占用侦测和接触侦测可以实现工厂管理智慧化,使用者无需亲自进入集装箱内,就可以知道货车的装载率。至於核心优势,远距离测距不再需要到现场,并且远距离测量速度足以维持工厂正常运营,这样的速度是100HZ,表示每秒可完成100次测距。


容量管理

接着来讨论容量管理或空间占用侦测的工作原理。在货车上装了一些货物,行驶在高速公路上,卡车和集装箱内装有ToF感测器,透过测量货物的距离,可以得知装载率资讯,了解装载的是什麽货物,以便合理地调整物流安排。在仓库中,感测器能够让我们知道货架上货物的摆放情况,是满载还是空置。其它实例包括垃圾桶、封闭式回收罐,甚至停车位,因为测距感测器可以侦测空间占用情况。因此,ToF感测器可以为容量管理提供所需的全部工具。


防疫应用


图三 : 在疫情中的使用情境
图三 : 在疫情中的使用情境

接下来我们可以看到,在过去几个月新冠疫情为生活带来了变化,这使得无接触消毒液、洗手液变得重要,不只是因为一般大众想要保持清洁和卫生,而是我们不想用手触摸多馀的按钮。这些无接触式应用情境,特别是整个手、手掌或手指握持的携带式体温计,打开与关闭系统都需要测距资料,而且,测距还可以适当补偿距离对温度读数的影响。这些应用变得至关重要,而ST的ToF产品具有这些应用所需的关键功能。


透过前面文章所介绍的应用和成功范例,可以协助大众更快地了解ST的产品和相关资讯。在本文中,已经讨论过笔记型电脑、扫地机器人、服务机器人、工业相关应用。当然ToF还有更多有趣的应用情境,例如巡航控制系统,可让无人机保持一定之可靠的净空距离或离地高度。在医疗方面的应用,医院设施操作面板可以采用无接触式按钮,在侦测到有使用者存在时,系统可以快速地打开或关闭。对於急诊等重要应用,非接触式操作也很重要。投影机也需要测距辅助自动对焦功能。对於AR/VR眼镜,则可以透过16区或64区测距输出资料,来让AR/VR系统利用测距资料判断物体移动位置。


生态系统

正由於应用范围十分多元,因此ToF的生态系统和开发工具就变得十分重要。除ToF产品本身外,ST也提出了一套强大的开发环境,即STM32开放式开发环境,硬体开发工具是功能丰富的STM32 NUCLEO开发板。软体工具能够为客户和开发人员开发ToF应用,而且便利。从客户角度看,玻璃盖板也是开发感测器所需的重要工具。盖板需要正确的ID,并且ID必须具有必要的应用功能,因此,在使用ST ToF解决方案时,盖板已成为必须考虑的重要因素。ST与特定协力厂商合作开发的一系列盖板,相关资讯和设计分享对应用开发非常有益。


结语

一般来说,我们会将ST的ToF解决方案本身称为EVK(Evaluation Kit)。EVK不仅是评估套件,还有配套的可拆分子板,这使得ST的ToF解决方案可以在小型PCB上使用。此外,客户和设计人员也发现,透过飞线连接感测器板或从官网下载软体非常方便、省事、省时。因此,它们确实可以协助客户加速ToF产品的开发速度,并充分发挥ToF的优势。


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