Zaloguj się
Wszystkie
25 września 2023
597
Pomiary odległości oraz prędkości (zarówno liniowej, jak i obrotowej) są szeroko stosowane niemal we wszystkich gałęziach techniki, choć na prowadzenie wysuwa się zdecydowanie klika z nich – automatyka przemysłowa, robotyka mobilna, motoryzacja, branże wojskowa i morska, czy wreszcie nowoczesne, autonomiczne i półautonomiczne drony. Przykłady – czasem wysoce zaawansowane technologicznie i imponujące, np. pod względem zakresu czy dokładności pomiaru, a innym razem banalnie proste i tanie w realizacji – można jednak znaleźć także w wielu innych dziedzinach: aparaturze lotniczej i kosmicznej, sprzęcie AGD, czy nawet... wyposażeniu sanitarnym. W artykule nie będziemy jednak dokonywać przeglądu wszystkich możliwych zastosowań czujników odległości i prędkości, skupimy się natomiast na tym, co najbardziej interesuje inżynierów – czyli na aspektach technologicznych. Pokażemy zarówno wybrane moduły OEM oraz gotowe urządzenia pomiarowe, jak i kompaktowe czujniki scalone, a także niektóre wyspecjalizowane komponenty, przeznaczone do budowy specjalizowanych rozwiązań klasy high-end.
Pomiary odległości metodą ToF
Na początek przyjrzyjmy się metodom oraz urządzeniom, służącym do pomiaru odległości obiektu (np. przeszkody, znajdującej się na drodze robota mobilnego) od czujnika. Do dyspozycji mamy, jak zawsze, szeroką gamę metod, a większość z nich opiera się w gruncie rzeczy na tym samym zjawisku – pomiarze czasu przelotu wiązki fal określonego typu (ToF – Time of Flight). Wiązka jest emitowana przez nadajnik, a po odbiciu od przeszkody jej część powraca w kierunku odbiornika. Różnica czasu Δt – przy znanej prędkości propagacji fali c w danym ośrodku – jest przeliczana na odległość d z doskonale znanego wzoru:
Równanie 1 można zastosować do dowolnej fali, stosowanej w celu pomiaru odległości – i tak, w praktyce stosuje się następujące zjawiska:
- światło (zwykle lasera półprzewodnikowego lub – rzadziej – diod LED),
- ultradźwięki (wytwarzane i odbierane najczęściej przez przetworniki piezoelektryczne),
- mikrofale (generowane za pomocą anten pojedynczych lub – w przypadku bardziej zaawansowanych systemów – z użyciem macierzy anten pracujących w szyku fazowanym).
W dalszej części artykułu zwrócimy uwagę na modyfikacje oryginalnej metody ToF, istotne zwłaszcza w przypadku rozwiązań laserowych i radarowych – często bowiem wykorzystuje się nie tyle samo opóźnienie (jako takie) w propagacji fali, ile powiązane z nim zależności fazowe pomiędzy sygnałami nadanymi i powracającymi.
Techniczne realizacje optycznej metody ToF
Metoda pomiaru odległości z użyciem technologii Time-of-Flight zyskała niebywałą popularność w ciągu ostatnich kilku lat, a to głównie za sprawą upowszechnienia niedrogich czujników scalonych, zbudowanych w oparciu o podczerwone lasery z pionową wnęką rezonansową VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser). Zanim jednak przejdziemy do opisu przykładowych rozwiązań dostępnych na rynku, musimy zaprezentować dwie, zasadniczo różne, realizacje ToF: bezpośrednią i pośrednią.
Metoda dToF
Ta pierwsza (dToF, direct Time-of-Flight) bazuje bezpośrednio na praktycznej implementacji równania 1 – układ wysyła bardzo krótki impuls światła laserowego (zwykle o szerokości rzędu 0,2...5 ns) w kierunku przeszkody i jednocześnie rozpoczyna pomiar czasu, upływającego od rozpoczęcia emisji do momentu odebrania fali odbitej (powrotnej). Z uwagi na znikomą ilość odebranych fotonów, a także ze względu na wymogi dotyczące dynamiki (czasu reakcji), w roli detektorów stosuje się fotodiody lawinowe (APD) lub detektory jednofotonowe typu SPAD (szczegółowy opis obydwu tych odmian fotodetektorów można znaleźć w obszernym opracowaniu pt. Fotoelementy - serce optoelektroniki, wydanym w „Elektronice Praktycznej” nr 3/2023). Aby zminimalizować wpływ szumu i zakłóceń zewnętrznych na wynik pomiaru, konieczna jest wielokrotna akwizycja próbek i obróbka ich na zasadzie analizy histogramu. Metoda nadaje się do zastosowania w prostszych czujnikach z pojedynczym polem widzenia (FOV) lub polem podzielonym na niewielką liczbę pikseli (czujniki wielosegmentowe).
NAPISZ DO AUTORA
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
