cảm biến thời gian bay: nó là gì và nó hoạt động như thế nào

Photo of author

By Lisa chen

cảm biến thời gian bay: nó là gì và nó hoạt động như thế nào_1

Cảm biến ToF

nguồn:

nhấp nháy ( ánh sáng)

Bạn đã bao giờ nghe về cảm biến thời gian bay làm việc trong máy ảnh và điện thoại di động, nhưng bạn không biết nó là gì và nó hoạt động như thế nào? nếu có, thì anh đến đúng chỗ rồi. trái với tên gọi của nó, cảm biến thời gian bay không có gì để đo lường chuyến bay của máy bay. Thay vào đó, nó giống như một cảm biến đo khoảng cách.

Tuy nhiên, nếu khái niệm về cảm biến thời gian bay làm bạn bối rối, đừng lo lắng. trong tài liệu này, chúng tôi sẽ giải thích thời gian, nguyên tắc làm việc và cách sử dụng các mạch cảm biến bay.

Vì vậy, cố lên!

nội dung

cảm biến thời gian bay là gì?

cảm biến thời gian bay hoạt động như thế nào?

lợi ích của việc sử dụng cảm biến thời gian bay

giới hạn của tof

ví dụ về cảm biến thời gian bay

Cảm biến thời gian bay có chính xác không?

radar là tof?

Ý tưởng cuối cùng

cảm biến thời gian bay là gì?

 

cảm biến thời gian bay đo thời gian từ một điểm đến một điểm khác. nói cách khác, nó đo thời gian mà vật thể cần để đi qua một khoảng cách nhất định.

Thông thường, cảm biến thời gian bay đo khoảng thời gian từ khi một xung sóng được tạo ra đến khi nó được phản xạ từ một đối tượng và trở về bộ nhận. ngoài ra, bạn có thể sử dụng các loại tín hiệu khác nhau trên cảm biến tof. nhưng các dấu hiệu phổ biến hơn bạn có thể tìm thấy là ánh sáng và âm thanh.

cảm biến thời gian bay: nó là gì và nó hoạt động như thế nào_2

Biểu tượng bộ nhận ToF

nguồn:

Wikimedia Commons

 

Ngoài ra, bạn có thể tìm thấy cảm biến ToF trong máy ảnh thời gian bay. các thiết bị này sử dụng các phép đo thời gian bay để tính toán khoảng cách giữa môi trường và máy ảnh và tạo hình ảnh từ các điểm đo một cách riêng lẻ.

Cảm biến thời gian bay rất mạnh trong việc phát hiện và đo khoảng cách – chủ yếu là khi nó phát ra ánh sáng thay vì âm thanh. Ngoài ra, khi bạn so sánh ToF với sóng siêu âm, bạn sẽ thấy rằng ToF cung cấp thông số nhanh hơn, độ chính xác cao hơn và phạm vi đo lường lớn hơn. Điều tuyệt vời là tất cả các tính năng này được tích hợp trong một cấu trúc nhỏ gọn và nhẹ với mức tiêu thụ điện thấp.

cảm biến thời gian bay hoạt động như thế nào?

 

Như chúng ta đã đề cập trước đó, cảm biến ToF đo khoảng cách giữa một vật thể và cảm biến. nó sử dụng một tia laser nhỏ tạo ra ánh sáng hồng ngoại. một khi nó tạo ra ánh sáng này, nó sẽ phản xạ từ bề mặt của bất kỳ vật thể nào và quay trở lại cảm biến.

cảm biến thời gian bay: nó là gì và nó hoạt động như thế nào_3

ánh sáng hồng ngoại

 

tương tự, cảm biến tof đo khoảng cách giữa một vật thể và một cảm biến. Do vậy, cơ sở của nó là thời gian ánh sáng cần để trở về cảm biến sau khi đẩy từ một đối tượng.

Vâng, trên bề mặt thì đúng như vậy.

Do đó, có hai cách cảm biến ToF có thể đo độ sâu và khoảng cách bằng cách sử dụng thời gian truyền. Ngoài ra, bạn có thể thực hiện các kích thước trên bằng cách sử dụng các xung thời gian và dịch chuyển phần của sóng amplitude.

bây giờ, hãy nhìn sâu hơn vào hai phương pháp đo lường:

1. sử dụng các xung thời gian

 

Khi cảm biến ToF sử dụng xung thời gian để đo khoảng cách, nó đầu tiên bắn tia laser vào mục tiêu. sau đó, nó sử dụng máy quét để đo độ dài chính xác.

Tiếp theo, cảm biến sử dụng các bước sóng khác nhau và thời gian quay lại laser để tạo ra một đại diện kỹ thuật số 3D chính xác của bề mặt mục tiêu. sau đó, nó tạo ra một bản đồ hiển thị đặc điểm của nó.

Ngoài ra, các cảm biến ToF sử dụng công thức sau đây để cung cấp các phép đo khoảng cách chính xác:

tốc độ ánh sáng x thời gian bay/ 2

2. sử dụng sự thay đổi của sóng

 

Trên thực tế, cảm biến ToF có thể đo khoảng cách và chiều sâu bằng cách phát hiện sự dịch chuyển pha của ánh sáng phản chiếu bằng sóng liên tục.

khi cảm biến điều chỉnh độ rộng, nó tạo ra một nguồn sáng hình sin.

cảm biến thời gian bay: nó là gì và nó hoạt động như thế nào_4

Sóng hình sin

Nguồn: Reasearchgate

Tần số đã biết của hình thức này cho phép máy phát hiện đo khoảng cách của ánh sáng phản chiếu bằng công thức sau:

cảm biến thời gian bay: nó là gì và nó hoạt động như thế nào_5

công thức dịch chuyển

Đối với công thức này, c là tốc độ của ánh sáng (3 × 108 mét/ giây), λ là chiều dài sóng (15 mét), và f là tần số.

thêm vào đó, cảm biến hoạt động với tốc độ ánh sáng. vì vậy, bạn có thể hình dung được độ nhanh và chính xác của chiều sâu và khoảng cách.

tuy nhiên, nguyên tắc mà bạn chọn không quan trọng. Nếu bạn cung cấp một nguồn sáng cho khung cảnh, bộ cảm biến sẽ đo chiều sâu của đối tượng. Hơn nữa, kết quả là tạo ra một sơ đồ kích thước trong đó mỗi điểm ảnh hiển thị khoảng cách từ một điểm phù hợp trên một vật.

lợi ích của việc sử dụng cảm biến thời gian bay

 

dưới đây là một số lợi ích của việc sử dụng cảm biến thời gian trong các ứng dụng.

từ xa

 

Bởi vì các cảm biến ToF làm việc với laser, chúng có thể đo các khoảng cách dài và xa với độ chính xác rất cao. Vì lý do này, cảm biến ToF có thể phát hiện các vật thể ở gần và xa với các hình dạng và kích thước khác nhau – điều này cho phép chúng linh hoạt.

Hơn nữa, tính linh hoạt của nó cho phép bạn tùy chỉnh các thành phần quang học của hệ thống của bạn, vì vậy bạn chỉ có thể đạt được hiệu năng tốt nhất và phạm vi nhìn mà bạn thích.

giá cả phải chăng

 

Về giá cả, cảm biến ToF có giá cả phải chăng hơn các công nghệ quét sâu 3D khác. Tuy nhiên, giá thấp của nó không ảnh hưởng đến việc thu thập thông tin 3D nhanh chóng.

các phép đo chính xác và nhanh chóng

 

Về tốc độ và độ chính xác, cảm biến thời gian bay đã bỏ lại phía sau các cảm biến khoảng cách khác như cảm biến siêu âm. Cảm biến ToF có thể phát hiện vật thể một cách nhanh chóng và chống lại áp suất không khí, nhiệt độ và độ ẩm, rất phù hợp cho việc sử dụng trong nhà và ngoài trời.

an toàn

bạn không cần phải lo lắng về ánh sáng làm tổn thương mắt bạn. Hầu hết các cảm biến ToF sử dụng tia hồng ngoại năng lượng thấp và sử dụng các xung điều chỉnh để điều khiển chúng. Ngoài ra, các cảm biến này đạt tiêu chuẩn an toàn laser cấp 1, an toàn cho mắt người.

giới hạn của tof

 

mặc dù các cảm biến tof rất hữu ích, nhưng có một số yếu tố hạn chế chúng. Sau đây là một số hạn chế:

Nhiều phản xạ

 

Nếu bạn sử dụng bộ nhận dạng ToF trên các hình dạng và các góc, có thể có các phản xạ không mong muốn, làm thay đổi độ chính xác và độ chính xác của các phép đo.

ánh sáng nền

 

Sử dụng một máy ảnh ToF trong những điều kiện ngoài trời sáng như ánh sáng mặt trời gây khó khăn cho việc đo lường. ngoài ra, cường độ ánh sáng mặt trời cao có thể gây ra sự bão hòa nhanh chóng của các điểm ảnh cảm biến. Nói cách khác, khi ánh sáng bị phản xạ từ một vật thể, cảm biến sẽ không phát hiện được.

ánh sáng phân tán

 

Nếu có bất cứ bề mặt sáng nào ở gần bộ nhận ToF, nó có thể dẫn đến ánh sáng phân tán trong bộ nhận. Do vậy, nó tạo ra nhiều phản xạ không mong muốn và có thể ngăn cản việc đo lường.

ví dụ về cảm biến thời gian bay

 

Bây giờ bạn đã quen thuộc với cách các cảm biến ToF hoạt động, hãy xem một số cảm biến tốt nhất mà bạn có thể sử dụng trong dự án của bạn. các ví dụ này áp dụng cho các ứng dụng khác nhau, bao gồm tự động hóa và điện.

bộ đánh giá cảm biến thời gian bay opene 8008 b-qvga

 

cảm biến thời gian bay: nó là gì và nó hoạt động như thế nào_6

bộ đánh giá cảm biến thời gian bay opene 8008 b-qvga

nguồn:

Wikimedia Commons

 

Bộ đánh giá ToF Opene8008B-QVGA là máy ảnh ToF hoàn hảo với hình ảnh độ phân giải cao. Hơn nữa, bằng cách kết nối máy ảnh này với máy tính cá nhân của bạn, bạn có thể hình dung và ghi lại dữ liệu chiều sâu trong thời gian thực.

Ngoài ra, ToF này vượt qua các thông số hoạt động của máy ảnh ToF thông thường, với tầm bắn tối đa lên đến 10 mét. Ngoài ra, bạn có thể nhận được hình ảnh liên tục với cảm biến ToF này, vì FPS của máy ảnh lên đến 120.

Ngoài ra, bạn có thể thay thế các bộ lọc hồng ngoại trong phạm vi 850 nm và 940 nm. Độ nhạy cao của bộ lọc 850nm cho kết quả hình ảnh tốt hơn. Bên cạnh đó, bộ lọc 940nm sẽ giúp bạn giảm thiểu sự nhiễu loạn của ánh sáng, mang lại hiệu năng hình ảnh chiều sâu tốt nhất.

TFmini Plus – Máy đo khoảng cách laser ToF

 

cảm biến thời gian bay: nó là gì và nó hoạt động như thế nào_7

TFmini Plus – Máy đo khoảng cách laser ToF

nguồn:

các tài nguyên chia sẻ wiki

 

đây là một ví dụ khác rất phù hợp cho các phép đo khoảng cách ngắn. Cảm biến khoảng cách TFmini Plus tạo ra tia hồng ngoại gần để đo sự khác biệt giữa ánh sáng phát ra và phản chiếu và đo khoảng cách ToF.

Tuy nhiên, nguyên lý lidar làm cho cảm biến này rất khó để đo chính xác giữa các vật thể như kính hoặc nước. Nhưng cảm biến của nó đủ nhạy để đo khoảng cách giữa một vật thể di chuyển và TFmini trong thời gian thực.

ngoài ra, chỉ cần kết nối tfmini qua usb, bạn có thể lấy dữ liệu khoảng cách trên máy tính của bạn. Ngoài ra, các nhà phát triển có thể tận dụng các giao diện UART và I2C của TFmini.

máy quét laser tof

cảm biến thời gian bay: nó là gì và nó hoạt động như thế nào_8

Trình vẽ đồ thị Smatrick ToF

nguồn:

các tài nguyên chia sẻ wiki

 

bạn cần một máy quét laser tof; thì đây là một ví dụ rất phù hợp với bạn. máy quét cung cấp hai khung khác nhau với phạm vi phát hiện khác nhau:

40 mét

20 mét

M1M1 đủ mạnh để vẽ các cảnh cho mục đích gia đình hoặc thương mại, cũng như các vị trí nặng-light.

Bạn cũng có thể nhận được vị trí trong thời gian thực từ việc quét bằng tia la-ze, bản đồ cao cấp và các tính năng dẫn hướng. ngoài ra, bạn có thể sử dụng thiết bị này để vẽ các khung cảnh bên ngoài và bên trong.

máy quét slamtec này hoạt động rất đơn giản và không có rắc rối. bạn không cần phải dựa vào các công cụ bên ngoài. bạn chỉ cần kết nối nó với máy tính hoặc điện thoại di động, và mọi thứ sẽ ổn.

Cảm biến thời gian bay có chính xác không?

 

độ chính xác của bất kỳ cảm biến tof nào phụ thuộc vào khoảng cách giữa vật thể và cảm biến. ngoài ra, bạn ước tính độ chính xác của cảm biến tof là 1% giá trị khoảng cách. Vì vậy, nếu đối tượng của bạn cách xa 8 mét, cảm biến ToF có thể đạt được độ chính xác khoảng 8 cm.

radar là tof?

 

LIDAR là một hình thức của ToF sử dụng laser xung để tạo ra đám mây điểm, cho phép cảm biến tạo ra hình ảnh bản đồ 3D. ngoài ra, hệ thống lidar sử dụng một led, bạn có thể phát ra ánh sáng hồng ngoại trực tiếp.

Ý tưởng cuối cùng

 

Bạn có thể sử dụng cảm biến thời gian bay cho một loạt các ứng dụng, bao gồm tự động hóa công nghiệp, xe tự lái, robot, bản đồ 3D, nhận diện cử chỉ và thậm chí thực tế tăng cường.

thú vị thay, ứng dụng sử dụng cảm biến tof dường như không bao giờ kết thúc.

anh nghĩ sao về cảm biến thời gian bay? Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào về bộ cảm biến thời gian bay, xin vui lòng liên hệ với chúng tôi và chúng tôi sẽ rất vui lòng giúp bạn.