Das Time-of-Flight-Konzept (ToF) ist ein Verfahren zur berührungslosen Entfernungsmessung zwischen einem Objekt und einem Sensor, basierend auf der Zeit, die zwischen der Aussendung des Signals und seiner Rückkehr nach Reflexion an einem Objekt verstreicht und auch als Laufzeit bezeichnet wird. Diese Technologie wird in nahezu allen technischen Bereichen, einschließlich Robotik, Kfz-Anwendungen, Präsenzerkennung, Medizintechnik und optischer Navigation eingesetzt.

ToF-basierte Sensoren verwenden mehrere Signale, wobei Licht und Ton am häufigsten verwendet werden. Lichtzentrische ToF-Sensoren wurden überwiegend durch den treffenderen Begriff LiDAR ersetzt. Hafenautomatisierung, Objektschutzsysteme und Verkehrsmanagementsysteme sind nur einige LiDAR-Anwendungen. Verschiedene verfügbare LiDAR-Geräte basieren auf Erfassungsmechanismen wie 1D-, 2D- und 3D-LiDAR. Dieser Artikel befasst sich mit dem Grundkonzept von ToF und seinen Vorteilen und beschreibt ein Anwendungsbeispiel: 2D-LiDAR mit ToF-Sensoren.

ToF-Grundkonzept und Vorteile:

ToF-Sensoren berechnen die Entfernung, indem sie messen, wie lange es dauert, bis ein Lichtimpuls von der Quelle zum beobachteten Ziel und dann zurück zum Detektor wandert. Abbildung 1 veranschaulicht das Verfahren, bei dem ein Laser Lichtphotonen auf ein Ziel feuert. Einige Lichtquanten werden nach ihrem Auftreffen auf das Ziel reflektiert und zum Sensor zurückgeworfen. Die folgende Formel berechnet die Laufzeit:

Entfernung = Photonenlaufzeit/2 x Lichtgeschwindigkeit

Weitere Informationen zur ToF-Technologie finden Sie hier

Time-of-Flight
Abbildung 1: Time-of-Flight-Prinzip

ToF-Sensoren berechnen Entfernungen anhand von Laufzeiten. Diese Messgröße gibt die Zeit an, die Photonen benötigen, um sich zwischen zwei Punkten zu bewegen. Zur Berechnung der Laufzeit werden zwei Techniken eingesetzt: direkt oder indirekt. ToF-Sensoren, die auf beiden Verfahren basieren, bieten in bestimmten Kontexten spezielle Vorteile. Beide messen gleichzeitig die Entfernung und die Intensität für jedes Objektpixel. Direkte ToF-Sensoren übertragen kurze Lichtimpulse, die einige Nanosekunden dauern, und berechnen die Zeit, welche das ausgesendete Licht benötigt, um wieder zurückzukehren. Die Laufzeit wird direkt über eine genaue Zeitbasis berechnet. LiDAR ist ein Beispiel für einen direkten ToF-Sensor.

Die Entwicklung von direkter ToF-Technologie ist bedauerlicherweise aufwändig, und diese Technologie ist nicht ordentlich auf hohe Auflösungen skalierbar. Indirekte ToF-Sensoren senden kontinuierliches, moduliertes Licht aus. Die Phasendifferenz des reflektierten Lichts wird berechnet, um die Entfernung des Objekts zu kalkulieren. Eine Phase in der Lichtwelle ist ein bestimmter Zeitpunkt des Wellenzyklus und wird als Winkel in Grad gemessen. Ein kompletter Zyklus hat 360°.

Ein ToF-Sensor erkennt Objekte sofort und präzise und wird auch durch Temperatur, Feuchtigkeit und Luftdruck nicht verändert. Daher eignet er sich für die Verwendung im Innen- und Außenbereich. Er liefert präzise Entfernungsmessungen. Diese Technologie wird durch Veränderungen des optischen Wegs oder der Umgebungsbeleuchtung nicht beeinflusst und sie ist unabhängig vom Reflexionsvermögen des Zielobjekts.

2D-LiDAR mit Time-of-Flight-Sensor:

LiDAR steht für „Light Detection and Ranging“, eine Berechnungstechnik, bei der Licht verwendet wird, um die Entfernung zum nächsten Objekt zu messen. Um die Entfernung direkt zu messen, wird das Licht auf einen Reflektor oder ein bestimmtes Ziel gerichtet. Die Sensoren, die durch diese Technik eine einzige Dimension (Entfernung) verarbeiten, werden als 1D- oder eindimensionale Sensoren bezeichnet. Die Drehung der Bewegung des Messstrahls auf einer Ebene gibt den Winkel und die Entfernung an, wodurch ein zweidimensionales Ergebnis erzielt wird. Sensoren, die für solche Messungen verwendet werden, sind allgemein als 2D-LiDAR-Sensoren oder 2D-Laserscanner bekannt. Sie erfassen die Messwerte in „sequentieller Reihenfolge“; in der Regel in einem gleichen Zeitintervall zwischen den Messungen.

LiDAR-Sensoren funktionieren dreidimensional, wenn sie geschwenkt werden. Der Schwenkvorgang bietet Informationen über Position und Entfernung entlang der X-, Y- und Z-Achse. Identische Informationen über verschiedene Raumparameter können gewonnen werden, wenn mehrere Sender- und Empfängersysteme, die an verschiedenen Sensoren positioniert sind, horizontale Winkel während der Bewegung abtasten. Dies wird als mehrschichtiger Scanner bezeichnet.

Wir werden nun auf die 2D-LiDAR-Technologie basierend auf neun VL53L1X-ToF-Sensoren mit großer Reichweite eingehen. Sie erstellt eine einfache Tiefenkarte der Umgebung mit einem 180°-Sichtfeld (FoV). Ein solches System kann mithilfe der VL53L1X ULD-API (Ultra-Lite-Treiber-API) zusammen mit einem C-Funktionssatz, der einen einzelnen VL53L1X-Sensor oder mehrere VL53L1X-Sensoren steuert, erstellt werden. Diese 2D-LiDAR-Anwendung ist ein hervorragendes Beispiel für die Verwaltung einer großen Anzahl von Sensoren.

Das gesamte System wird mit dem P-NUCLEO-53L1A1 in Kombination mit der X-NUCLEO-53L1A1-Erweiterungsplatine und der STM32F401RE NUCLEO vorbereitet, siehe dazu Abbildung 2. Die neun Sensoren sind an den VL53L1X-Breakout-Boards befestigt und haben die gleiche I2C-Schnittstelle, Masse und Leistung. Jeder Reset-Pin des Sensors ist mit einem zugeordneten Host-GPIO-Pin verbunden.

Jeder der neun Sensoren verfügt über ein 20°-FoV, um das gesamte 180°-FoV des LiDAR abzudecken, und die Firmware ist so programmiert, dass sie 13 Datenpunkte pro Sensor liefert. Ein vollständiger 180°-Sweep würde also insgesamt 117 Datenpunkte erzeugen. Die Timing-Vorgabe liegt bei etwa 12 ms pro Sensor-„Zone“, was einer Gesamt-Sweep-Zeit von etwa 160 ms entsprechen würde. Dies würde eine Bildrate von etwas mehr als 6 FPS ergeben. LiDAR-Systembetrieb

VL53L1X-Sensoren
Abbildung 2: 2D-LiDAR mit mehreren VL53L1X-Sensoren

2D-LiDAR wird in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, darunter autonome Fahrzeuge, Landwirtschaft, Flussvermessung, Modellierung von Umweltverschmutzung, Archäologie und Bauwesen.

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