tof测距传感器：TOF距离传感器

第十四届智能车竞赛赛道中凸显的横断路障，它让去年韩国国内智能车竞赛中参加决赛的队伍备受困扰，同样，它也使得今年国内参加比赛的队员感到苦恼。

2018年韩国全国大学生智能车竞赛中的横断路障

成功越过横断路障的关键就是需要能够尽可能提前检测到它的存在，然后在路障前后的一米区内精确绕过路障。

在绕过路障的过程中，车模不再具有赛道的导引。如果仅仅依靠车模开环控制完成绕行，则车模的轨迹就会受到赛道环境的影响，要么弯绕大了卡在旁边的赛道路肩上，要么弯绕小了，剐蹭在路障上。

视觉检测路障并开环绕行

为了避免绕行中厄运的发生，则需要对车模绕行路障引入反馈控制。

一种方案就是在车模上增加转向陀螺仪和车模行进距离传感器，这样可以精确控制车模运行轨迹，从而能够适应更加复杂多变的 环境。

另一种方案就是增加路障距离传感器，控制车模与路障之间的距离使得绕行转弯不太大也不太小。

近期很多同学在寻找各种测距传感器。传统的超声传感器对于反射物体 要求比较高，面积小的物体就会测不到，测量距离误差较大。现在更多同学把目光转移到一大类基于激光的测距传感器。

常见到的激光测距传感器所使用的原理包括有：TOF（Time of Flight），几何测距，结构光方法等。

TOF测距原理和超声波测距相似，只是它使用的是光波。由于激光定向性强，所以探测空间分辨率较高。由于它是通过测量光波从发送到接受之间的时间差来计算物体距离，所以物体表面的反射率对于测量结果影响不大。

TOF激光距离传感器

由于半导体工艺的进步，TOF激光测距传感器的价格也比较便宜。近期很多同学在询问这类传感器是否可以允许用于竞赛中。

对于这类封装比较小（集成了传感器，处理电路和接口芯片）的模块可以被当做整体传感器应用于竞赛中。但需要排除 一些体积比较大并具有MCU，功能比较综合的TOF传感器。

TOP传感器以及其中的接口芯片

TOP是一款TOF激光测距传感器。它的测距结果可以通过UART，或者I2C总线输出。测量范围在100~1800mm，输出结果速度最快每秒33个数据。

通过UART输出的测量结果以及串口波形

该模块体积比较小，价格相对比较便宜，在一个车模上可以安装多个这样的传感器。所以很多同学不仅希望使用它检测赛道中的路障，而且还希望用于信标组中，检测信标障碍。

那么这个传感器在使用中，究竟效果如何。对于大的路障，小的信标检测距离有多远。是否会受到环境光线影响，多个TOF模块之间是否会存在干扰呢？

TOF测试接口

为了回答上面的问题，下面就通过实验来一一验证它。

为了更好的衡量TOF测量的空间分辨率和测量范围，下面将传感器固定在 一个小型的舵机上，然后让舵机进行旋转，便可以得到TOF传感器在水平方向上的空间分辨率和检测精度。

使用小型舵机旋转TOF传感器

下面是一个长度为1米左右的水平导轨，可以承载检测物体在纵向进行移动，这样可以测试TOF传感器的距离精度和检测范围。

纵向滑轨

使用一个红色表面的木箱作为检测对象。放在滑轨上沿着远离传感器的方向移动。

在木箱在远离方向上的每一个地点，舵机带动TOF传感器就左右扫描一周，可以的到在当前距离下，从不同方位所检测到前面物体的距离。

具体结果如下图所示。距离扫描曲线显示TOF传感器在空间分辨率上是很高的。

红色物体在远离过程中TOF扫描水平方向上所得到距离曲线

从上面动图可以看到，随着木箱 远离传感器，传感器前面所测到近距离的范围原来越小，同时距离数值也随着木箱的远离逐步增加。

当木箱移动到接近1米的时候，检测距离曲线出现了很多噪声，数据变得不可靠了。

所选的木箱底部是黑色，当黑色底部对准TOF传感器时，可以看到当距离城廓0.5米之后，测量数据就开始具有很多的噪声了。测距距离明显减少。

黑色表面，检测距离缩小到0.5米

下面三个距离扫描结果曲线分别是针对白色反射面，红色反射面以及黑色反射面。反射物体距离TOF传感器大约700mm。

通过对比可以看到，白色和红色反射面所测量的结果噪声基本相同，而黑色反射面结果中的噪声则非常大。

白色反射面测量距离扫描结果

红色反射面测量距离扫描结果

黑色表面距离扫描结果

因此比赛中所规定路障的颜色为红色，利于TOF传感器的检测。

考虑到实际路障的尺寸是45厘米，比实验中的木箱更大，因此，可以推测使用TOF传感器检测到路障的正面距离应该能够大于1米。

TOF传感器是否可以比较可靠的检测到信标呢?

下面使用同样的测试方法绘制了信标灯罩在不同的距离下被TOF传感器扫描的距离曲线。

信标灯罩在不同距离下检测距离结果曲线

从上面结果来看，当距离超过0.7米之后，信标就基本上无法检测到。如果再考虑到现场环境的影响，所以使用TOF检测信标的距离只能在半米左右。

如果信标车模控制的好的话，比如同时使用它的四轮，完成横向运动，半米的距离是可以灵活的躲开信标灯。

只是需要考虑到在H车模四周都安装该激光测距传感器。

由于得到最后一组数据的时候，已经到了晚上，外面没有了阳光。否则需要测试一下，在阳光下的环境中，TOF检测距离是多远？ 看是否能够满足室外越野组的避障检测。

两个TOF之间的相互干扰

上图动图显示了两个TOF传感器之间的相互干扰的情况。手持一个TOF传感器旋转，如果碰巧照射在另外一个传感器上，则传感器输出为2000，这是错误的检测结果。如果TOF不是正向照射在另外一个传感器上，它们测量结果还是正确的。因此，在一个车模上是可以在四周同时按照多个TOF传感器。只要注意他们之间不会相互直射即可。

在比赛中的决赛阶段，如果赛道上是两个车模同时进行运行，理论上他们上面的TOF传感器是可能发生干扰的。不过这种干扰的几率会很小。
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tof测距传感器：一种无人机上TOF距离传感器的测距方法及系统

）
Int.CI

权利要求说明书
说明书
幅图

（
54
）发明名称

一种无人机上
TOF
距离传感器的测距方法及系统

（
57
）摘要

?
本发明适用于距离测量技术领域，提供了
一种无人机上
TOF
距离传感器的测距方法及系
统。该方法包括：通过
TOF
距离传感器测量无人
机与目标物体之间的距离，获取测量距离数据，
根据滑动模型对测量距离数据进行滤波，得到滤
波距离数据，获取无人机的姿态数据，并根据姿
态数据对滤波距离数据进行校正，得到校正距离
数据。相较于现有技术，本发明能够显著提高
TOF
距离传感器的测量精度。

tof测距传感器：使用Arduino连接ToF测距传感器VL6180进行距离测量

飞行时间TOF是通过各种距离测量传感器（如超声波传感器）测量远处物体距离的常用方法。粒子、声波或物体通过介质行进一段距离所花费的时间的测量被称为飞行时间（TOF）。然后可以使用该测量来计算速度或路径长度。它还可用于了解介质的颗粒或性质，例如成分或流速。可以直接或间接地检测行进物体。

超声波测距装置是使用飞行时间原理的最早的装置之一。这些装置发射超声波脉冲，并根据波形反弹回发射器所需的时间测量到固体材料的距离。飞行时间方法也可用于估计电子迁移率。实际上，它是为低导电薄膜的测量而设计的，后来根据普通半导体进行了调整。该技术用于有机场效应晶体管以及金属 - 电介质 - 金属结构。通过施加激光或电压脉冲，产生过量电荷。

使用TOF的超声波传感器距离计算

TOF原理用于测量传感器和物体之间的距离。测量信号在从物体反射后返回传感器所花费的时间，并用于计算距离。 TOF原理可以使用声音、光等各种类型的信号（载波）。当TOF用于测距时，它在发光而非声音时非常强大。与超声波相比，它提供更快的读数、更高的精度和更大的范围，仍然保持其重量轻、体积小和低功耗特性。

在本篇文章中，我们将使用Arduino开发板连接VL6180X TOF测距仪传感器来计算传感器和物体之间的距离。该传感器还告知光强度值（LUX）。

VL6180X飞行时间（ToF）测距仪传感器
VL6180与其他距离传感器不同，因为它使用精确的时钟来测量光从任何表面反射回来所需的时间。这使VL6180比其他传感器更具优势，因为它更准确，不受噪音影响。

VL6180是一款3合1封装，包括红外发射器、环境光传感器和范围传感器。它通过I2C接口进行通信。它有一个板载2.8V稳压器。因此，即使我们插入大于2.8V的电压，它也会自动向下移动而不会损坏电路板。它的测量范围可达25厘米。其中提供了两个可编程GPIO。

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tof测距传感器：？

第十四届智能车竞赛赛道中凸显的横断路障，它让去年韩国国内智能车竞赛中参加决赛的队伍备受困扰，同样，它也使得今年国内参加比赛的队员感到苦恼。

2018年韩国全国大学生智能车竞赛中的横断路障

成功越过横断路障的关键就是需要能够尽可能提前检测到它的存在，然后在路障前后的一米区内精确绕过路障。

在绕过路障的过程中，车模不再具有赛道的导引。如果仅仅依靠车模开环控制完成绕行，则车模的轨迹就会受到赛道环境的影响，要么弯绕大了卡在旁边的赛道路肩上，要么弯绕小了，剐蹭在路障上。

视觉检测路障并开环绕行

为了避免绕行中厄运的发生，则需要对车模绕行路障引入反馈控制。

一种方案就是在车模上增加转向陀螺仪和车模行进距离传感器，这样可以精确控制车模运行轨迹，从而能够适应更加复杂多变的 环境。

另一种方案就是增加路障距离传感器，控制车模与路障之间的距离使得绕行转弯不太大也不太小。

近期很多同学在寻找各种测距传感器。传统的超声传感器对于反射物体 要求比较高，面积小的物体就会测不到，测量距离误差较大。现在更多同学把目光转移到一大类基于激光的测距传感器。

常见到的激光测距传感器所使用的原理包括有：TOF（Time of Flight），几何测距，结构光方法等。

TOF测距原理和超声波测距相似，只是它使用的是光波。由于激光定向性强，所以探测空间分辨率较高。由于它是通过测量光波从发送到接受之间的时间差来计算物体距离，所以物体表面的反射率对于测量结果影响不大。

TOF激光距离传感器

由于半导体工艺的进步，TOF激光测距传感器的价格也比较便宜。近期很多同学在询问这类传感器是否可以允许用于竞赛中。

对于这类封装比较小（集成了传感器，处理电路和接口芯片）的模块可以被当做整体传感器应用于竞赛中。但需要排除 一些体积比较大并具有MCU，功能比较综合的TOF传感器。

TOP传感器以及其中的接口芯片

TOP是一款TOF激光测距传感器。它的测距结果可以通过UART，或者I2C总线输出。测量范围在100~1800mm，输出结果速度最快每秒33个数据。

通过UART输出的测量结果以及串口波形

该模块体积比较小，价格相对比较便宜，在一个车模上可以安装多个这样的传感器。所以很多同学不仅希望使用它检测赛道中的路障，而且还希望用于信标组中，检测信标障碍。

那么这个传感器在使用中，究竟效果如何。对于大的路障，小的信标检测距离有多远。是否会受到环境光线影响，多个TOF模块之间是否会存在干扰呢？

TOF测试接口

为了回答上面的问题，下面就通过实验来一一验证它。

为了更好的衡量TOF测量的空间分辨率和测量范围，下面将传感器固定在 一个小型的舵机上，然后让舵机进行旋转，便可以得到TOF传感器在水平方向上的空间分辨率和检测精度。

使用小型舵机旋转TOF传感器

下面是一个长度为1米左右的水平导轨，可以承载检测物体在纵向进行移动，这样可以测试TOF传感器的距离精度和检测范围。

纵向滑轨

使用一个红色表面的木箱作为检测对象。放在滑轨上沿着远离传感器的方向移动。

在木箱在远离方向上的每一个地点，舵机带动TOF传感器就左右扫描一周，可以的到在当前距离下，从不同方位所检测到前面物体的距离。

具体结果如下图所示。距离扫描曲线显示TOF传感器在空间分辨率上是很高的。

红色物体在远离过程中TOF扫描水平方向上所得到距离曲线

从上面动图可以看到，随着木箱 远离传感器，传感器前面所测到近距离的范围原来越小，同时距离数值也随着木箱的远离逐步增加。

当木箱移动到接近1米的时候，检测距离曲线出现了很多噪声，数据变得不可靠了。

所选的木箱底部是黑色，当黑色底部对准TOF传感器时，可以看到当距离城廓0.5米之后，测量数据就开始具有很多的噪声了。测距距离明显减少。

黑色表面，检测距离缩小到0.5米

下面三个距离扫描结果曲线分别是针对白色反射面，红色反射面以及黑色反射面。反射物体距离TOF传感器大约700mm。

通过对比可以看到，白色和红色反射面所测量的结果噪声基本相同，而黑色反射面结果中的噪声则非常大。

白色反射面测量距离扫描结果

红色反射面测量距离扫描结果

黑色表面距离扫描结果

因此比赛中所规定路障的颜色为红色，利于TOF传感器的检测。

考虑到实际路障的尺寸是45厘米，比实验中的木箱更大，因此，可以推测使用TOF传感器检测到路障的正面距离应该能够大于1米。

TOF传感器是否可以比较可靠的检测到信标呢?

下面使用同样的测试方法绘制了信标灯罩在不同的距离下被TOF传感器扫描的距离曲线。

信标灯罩在不同距离下检测距离结果曲线

从上面结果来看，当距离超过0.7米之后，信标就基本上无法检测到。如果再考虑到现场环境的影响，所以使用TOF检测信标的距离只能在半米左右。

如果信标车模控制的好的话，比如同时使用它的四轮，完成横向运动，半米的距离是可以灵活的躲开信标灯。

只是需要考虑到在H车模四周都安装该激光测距传感器。

由于得到最后一组数据的时候，已经到了晚上，外面没有了阳光。否则需要测试一下，在阳光下的环境中，TOF检测距离是多远？ 看是否能够满足室外越野组的避障检测。

两个TOF之间的相互干扰

上图动图显示了两个TOF传感器之间的相互干扰的情况。手持一个TOF传感器旋转，如果碰巧照射在另外一个传感器上，则传感器输出为2000，这是错误的检测结果。如果TOF不是正向照射在另外一个传感器上，它们测量结果还是正确的。因此，在一个车模上是可以在四周同时按照多个TOF传感器。只要注意他们之间不会相互直射即可。

在比赛中的决赛阶段，如果赛道上是两个车模同时进行运行，理论上他们上面的TOF传感器是可能发生干扰的。不过这种干扰的几率会很小。