發布日期：2022-10-09 點擊率：47
第十四屆智能車競賽賽道中凸顯的橫斷路障，它讓去年韓國國內智能車競賽中參加決賽的隊伍備受困擾，同樣，它也使得今年國內參加比賽的隊員感到苦惱。
2018年韓國全國大學生智能車競賽中的橫斷路障
成功越過橫斷路障的關鍵就是需要能夠盡可能提前檢測到它的存在，然后在路障前后的一米區內精確繞過路障。
在繞過路障的過程中，車模不再具有賽道的導引。如果僅僅依靠車模開環控制完成繞行，則車模的軌跡就會受到賽道環境的影響，要么彎繞大了卡在旁邊的賽道路肩上，要么彎繞小了，剮蹭在路障上。
視覺檢測路障并開環繞行
為了避免繞行中厄運的發生，則需要對車模繞行路障引入反饋控制。
一種方案就是在車模上增加轉向陀螺儀和車模行進距離傳感器，這樣可以精確控制車模運行軌跡，從而能夠適應更加復雜多變的 環境。
另一種方案就是增加路障距離傳感器，控制車模與路障之間的距離使得繞行轉彎不太大也不太小。
近期很多同學在尋找各種測距傳感器。傳統的超聲傳感器對于反射物體 要求比較高，面積小的物體就會測不到，測量距離誤差較大。現在更多同學把目光轉移到一大類基于激光的測距傳感器。
常見到的激光測距傳感器所使用的原理包括有：TOF（Time of Flight），幾何測距，結構光方法等。
TOF測距原理和超聲波測距相似，只是它使用的是光波。由于激光定向性強，所以探測空間分辨率較高。由于它是通過測量光波從發送到接受之間的時間差來計算物體距離，所以物體表面的反射率對于測量結果影響不大。
TOF激光距離傳感器
由于半導體工藝的進步，TOF激光測距傳感器的價格也比較便宜。近期很多同學在詢問這類傳感器是否可以允許用于競賽中。
對于這類封裝比較小（集成了傳感器，處理電路和接口芯片）的模塊可以被當做整體傳感器應用于競賽中。但需要排除 一些體積比較大并具有MCU，功能比較綜合的TOF傳感器。
TOP傳感器以及其中的接口芯片
TOP是一款TOF激光測距傳感器。它的測距結果可以通過UART，或者I2C總線輸出。測量范圍在100~1800mm，輸出結果速度最快每秒33個數據。
通過UART輸出的測量結果以及串口波形
該模塊體積比較小，價格相對比較便宜，在一個車模上可以安裝多個這樣的傳感器。所以很多同學不僅希望使用它檢測賽道中的路障，而且還希望用于信標組中，檢測信標障礙。
那么這個傳感器在使用中，究竟效果如何。對于大的路障，小的信標檢測距離有多遠。是否會受到環境光線影響，多個TOF模塊之間是否會存在干擾呢？
TOF測試接口
為了回答上面的問題，下面就通過實驗來一一驗證它。
為了更好的衡量TOF測量的空間分辨率和測量范圍，下面將傳感器固定在 一個小型的舵機上，然后讓舵機進行旋轉，便可以得到TOF傳感器在水平方向上的空間分辨率和檢測精度。
使用小型舵機旋轉TOF傳感器
下面是一個長度為1米左右的水平導軌，可以承載檢測物體在縱向進行移動，這樣可以測試TOF傳感器的距離精度和檢測范圍。
縱向滑軌
使用一個紅色表面的木箱作為檢測對象。放在滑軌上沿著遠離傳感器的方向移動。
在木箱在遠離方向上的每一個地點，舵機帶動TOF傳感器就左右掃描一周，可以的到在當前距離下，從不同方位所檢測到前面物體的距離。
具體結果如下圖所示。距離掃描曲線顯示TOF傳感器在空間分辨率上是很高的。
紅色物體在遠離過程中TOF掃描水平方向上所得到距離曲線
從上面動圖可以看到，隨著木箱 遠離傳感器，傳感器前面所測到近距離的范圍原來越小，同時距離數值也隨著木箱的遠離逐步增加。
當木箱移動到接近1米的時候，檢測距離曲線出現了很多噪聲，數據變得不可靠了。
所選的木箱底部是黑色，當黑色底部對準TOF傳感器時，可以看到當距離城廓0.5米之后，測量數據就開始具有很多的噪聲了。測距距離明顯減少。
黑色表面，檢測距離縮小到0.5米
下面三個距離掃描結果曲線分別是針對白色反射面，紅色反射面以及黑色反射面。反射物體距離TOF傳感器大約700mm。
通過對比可以看到，白色和紅色反射面所測量的結果噪聲基本相同，而黑色反射面結果中的噪聲則非常大。
白色反射面測量距離掃描結果
紅色反射面測量距離掃描結果
黑色表面距離掃描結果
因此比賽中所規定路障的顏色為紅色，利于TOF傳感器的檢測。
考慮到實際路障的尺寸是45厘米，比實驗中的木箱更大，因此，可以推測使用TOF傳感器檢測到路障的正面距離應該能夠大于1米。
TOF傳感器是否可以比較可靠的檢測到信標呢?
下面使用同樣的測試方法繪制了信標燈罩在不同的距離下被TOF傳感器掃描的距離曲線。
信標燈罩在不同距離下檢測距離結果曲線
從上面結果來看，當距離超過0.7米之后，信標就基本上無法檢測到。如果再考慮到現場環境的影響，所以使用TOF檢測信標的距離只能在半米左右。
如果信標車模控制的好的話，比如同時使用它的四輪，完成橫向運動，半米的距離是可以靈活的躲開信標燈。
只是需要考慮到在H車模四周都安裝該激光測距傳感器。
由于得到最后一組數據的時候，已經到了晚上，外面沒有了陽光。否則需要測試一下，在陽光下的環境中，TOF檢測距離是多遠？ 看是否能夠滿足室外越野組的避障檢測。
兩個TOF之間的相互干擾
上圖動圖顯示了兩個TOF傳感器之間的相互干擾的情況。手持一個TOF傳感器旋轉，如果碰巧照射在另外一個傳感器上，則傳感器輸出為2000，這是錯誤的檢測結果。如果TOF不是正向照射在另外一個傳感器上，它們測量結果還是正確的。因此，在一個車模上是可以在四周同時按照多個TOF傳感器。只要注意他們之間不會相互直射即可。
在比賽中的決賽階段，如果賽道上是兩個車模同時進行運行，理論上他們上面的TOF傳感器是可能發生干擾的。不過這種干擾的幾率會很小。
測距傳感器：TOF距離傳感器 第1張" title="tof測距傳感器：TOF距離傳感器 第1張-傳感器知識網"/>
）
Int.CI
權利要求說明書
說明書
幅圖
（
54
）發明名稱
一種無人機上
TOF
距離傳感器的測距方法及系統
（
57
）摘要
?
本發明適用于距離測量技術領域，提供了
一種無人機上
TOF
距離傳感器的測距方法及系
統。該方法包括：通過
TOF
距離傳感器測量無人
機與目標物體之間的距離，獲取測量距離數據，
根據滑動模型對測量距離數據進行濾波，得到濾
波距離數據，獲取無人機的姿態數據，并根據姿
態數據對濾波距離數據進行校正，得到校正距離
數據。相較于現有技術，本發明能夠顯著提高
TOF
距離傳感器的測量精度。
飛行時間TOF是通過各種距離測量傳感器（如超聲波傳感器）測量遠處物體距離的常用方法。粒子、聲波或物體通過介質行進一段距離所花費的時間的測量被稱為飛行時間（TOF）。然后可以使用該測量來計算速度或路徑長度。它還可用于了解介質的顆粒或性質，例如成分或流速。可以直接或間接地檢測行進物體。
超聲波測距裝置是使用飛行時間原理的最早的裝置之一。這些裝置發射超聲波脈沖，并根據波形反彈回發射器所需的時間測量到固體材料的距離。飛行時間方法也可用于估計電子遷移率。實際上，它是為低導電薄膜的測量而設計的，后來根據普通半導體進行了調整。該技術用于有機場效應晶體管以及金屬 - 電介質 - 金屬結構。通過施加激光或電壓脈沖，產生過量電荷。
使用TOF的超聲波傳感器距離計算
TOF原理用于測量傳感器和物體之間的距離。測量信號在從物體反射后返回傳感器所花費的時間，并用于計算距離。 TOF原理可以使用聲音、光等各種類型的信號（載波）。當TOF用于測距時，它在發光而非聲音時非常強大。與超聲波相比，它提供更快的讀數、更高的精度和更大的范圍，仍然保持其重量輕、體積小和低功耗特性。
在本篇文章中，我們將使用Arduino開發板連接VL6180X TOF測距儀傳感器來計算傳感器和物體之間的距離。該傳感器還告知光強度值（LUX）。
VL6180X飛行時間（ToF）測距儀傳感器
VL6180與其他距離傳感器不同，因為它使用精確的時鐘來測量光從任何表面反射回來所需的時間。這使VL6180比其他傳感器更具優勢，因為它更準確，不受噪音影響。
VL6180是一款3合1封裝，包括紅外發射器、環境光傳感器和范圍傳感器。它通過I2C接口進行通信。它有一個板載2.8V穩壓器。因此，即使我們插入大于2.8V的電壓，它也會自動向下移動而不會損壞電路板。它的測量范圍可達25厘米。其中提供了兩個可編程GPIO。
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第十四屆智能車競賽賽道中凸顯的橫斷路障，它讓去年韓國國內智能車競賽中參加決賽的隊伍備受困擾，同樣，它也使得今年國內參加比賽的隊員感到苦惱。
2018年韓國全國大學生智能車競賽中的橫斷路障
成功越過橫斷路障的關鍵就是需要能夠盡可能提前檢測到它的存在，然后在路障前后的一米區內精確繞過路障。
在繞過路障的過程中，車模不再具有賽道的導引。如果僅僅依靠車模開環控制完成繞行，則車模的軌跡就會受到賽道環境的影響，要么彎繞大了卡在旁邊的賽道路肩上，要么彎繞小了，剮蹭在路障上。
視覺檢測路障并開環繞行
為了避免繞行中厄運的發生，則需要對車模繞行路障引入反饋控制。
一種方案就是在車模上增加轉向陀螺儀和車模行進距離傳感器，這樣可以精確控制車模運行軌跡，從而能夠適應更加復雜多變的 環境。
另一種方案就是增加路障距離傳感器，控制車模與路障之間的距離使得繞行轉彎不太大也不太小。
近期很多同學在尋找各種測距傳感器。傳統的超聲傳感器對于反射物體 要求比較高，面積小的物體就會測不到，測量距離誤差較大。現在更多同學把目光轉移到一大類基于激光的測距傳感器。
常見到的激光測距傳感器所使用的原理包括有：TOF（Time of Flight），幾何測距，結構光方法等。
TOF測距原理和超聲波測距相似，只是它使用的是光波。由于激光定向性強，所以探測空間分辨率較高。由于它是通過測量光波從發送到接受之間的時間差來計算物體距離，所以物體表面的反射率對于測量結果影響不大。
TOF激光距離傳感器
由于半導體工藝的進步，TOF激光測距傳感器的價格也比較便宜。近期很多同學在詢問這類傳感器是否可以允許用于競賽中。
對于這類封裝比較小（集成了傳感器，處理電路和接口芯片）的模塊可以被當做整體傳感器應用于競賽中。但需要排除 一些體積比較大并具有MCU，功能比較綜合的TOF傳感器。
TOP傳感器以及其中的接口芯片
TOP是一款TOF激光測距傳感器。它的測距結果可以通過UART，或者I2C總線輸出。測量范圍在100~1800mm，輸出結果速度最快每秒33個數據。
通過UART輸出的測量結果以及串口波形
該模塊體積比較小，價格相對比較便宜，在一個車模上可以安裝多個這樣的傳感器。所以很多同學不僅希望使用它檢測賽道中的路障，而且還希望用于信標組中，檢測信標障礙。
那么這個傳感器在使用中，究竟效果如何。對于大的路障，小的信標檢測距離有多遠。是否會受到環境光線影響，多個TOF模塊之間是否會存在干擾呢？
TOF測試接口
為了回答上面的問題，下面就通過實驗來一一驗證它。
為了更好的衡量TOF測量的空間分辨率和測量范圍，下面將傳感器固定在 一個小型的舵機上，然后讓舵機進行旋轉，便可以得到TOF傳感器在水平方向上的空間分辨率和檢測精度。
使用小型舵機旋轉TOF傳感器
下面是一個長度為1米左右的水平導軌，可以承載檢測物體在縱向進行移動，這樣可以測試TOF傳感器的距離精度和檢測范圍。
縱向滑軌
使用一個紅色表面的木箱作為檢測對象。放在滑軌上沿著遠離傳感器的方向移動。
在木箱在遠離方向上的每一個地點，舵機帶動TOF傳感器就左右掃描一周，可以的到在當前距離下，從不同方位所檢測到前面物體的距離。
具體結果如下圖所示。距離掃描曲線顯示TOF傳感器在空間分辨率上是很高的。
紅色物體在遠離過程中TOF掃描水平方向上所得到距離曲線
從上面動圖可以看到，隨著木箱 遠離傳感器，傳感器前面所測到近距離的范圍原來越小，同時距離數值也隨著木箱的遠離逐步增加。
當木箱移動到接近1米的時候，檢測距離曲線出現了很多噪聲，數據變得不可靠了。
所選的木箱底部是黑色，當黑色底部對準TOF傳感器時，可以看到當距離城廓0.5米之后，測量數據就開始具有很多的噪聲了。測距距離明顯減少。
黑色表面，檢測距離縮小到0.5米
下面三個距離掃描結果曲線分別是針對白色反射面，紅色反射面以及黑色反射面。反射物體距離TOF傳感器大約700mm。
通過對比可以看到，白色和紅色反射面所測量的結果噪聲基本相同，而黑色反射面結果中的噪聲則非常大。
白色反射面測量距離掃描結果
紅色反射面測量距離掃描結果
黑色表面距離掃描結果
因此比賽中所規定路障的顏色為紅色，利于TOF傳感器的檢測。
考慮到實際路障的尺寸是45厘米，比實驗中的木箱更大，因此，可以推測使用TOF傳感器檢測到路障的正面距離應該能夠大于1米。
TOF傳感器是否可以比較可靠的檢測到信標呢?
下面使用同樣的測試方法繪制了信標燈罩在不同的距離下被TOF傳感器掃描的距離曲線。
信標燈罩在不同距離下檢測距離結果曲線
從上面結果來看，當距離超過0.7米之后，信標就基本上無法檢測到。如果再考慮到現場環境的影響，所以使用TOF檢測信標的距離只能在半米左右。
如果信標車模控制的好的話，比如同時使用它的四輪，完成橫向運動，半米的距離是可以靈活的躲開信標燈。
只是需要考慮到在H車模四周都安裝該激光測距傳感器。
由于得到最后一組數據的時候，已經到了晚上，外面沒有了陽光。否則需要測試一下，在陽光下的環境中，TOF檢測距離是多遠？ 看是否能夠滿足室外越野組的避障檢測。
兩個TOF之間的相互干擾
上圖動圖顯示了兩個TOF傳感器之間的相互干擾的情況。手持一個TOF傳感器旋轉，如果碰巧照射在另外一個傳感器上，則傳感器輸出為2000，這是錯誤的檢測結果。如果TOF不是正向照射在另外一個傳感器上，它們測量結果還是正確的。因此，在一個車模上是可以在四周同時按照多個TOF傳感器。只要注意他們之間不會相互直射即可。
在比賽中的決賽階段，如果賽道上是兩個車模同時進行運行，理論上他們上面的TOF傳感器是可能發生干擾的。不過這種干擾的幾率會很小。
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