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携手华为联想 新一代激光测距传感器(ToF)爆发洪荒之力

最近服务机器人中火热的无边框擦玻璃机器人,应用其中的“传感器”量测机器人与窗户之间的距离,可侦测无边框窗户边缘,让机器人自由地在无边框窗户上工作而不会从玻璃上滑落下来,解决了机器人不能擦无边框玻璃的难题。而这正是“飞行时间测距传感器(ToF)”带来的“功劳”。随着ToF的性能不断革新,不仅在传统领域的应用更加深入,亦打开了新兴服务机器人、VR应用领域大门。

接近传感器门类众多,包括红外、超声波等,主要通过测量反射光的光量来估算距离,主要不足在于被测物体的颜色和表面对测量精度影响很大。意法半导体(STM)另辟蹊径,采用FlightSense技术,通过计算发射和返回的激光光子时间差,即计算飞行时间(FoT)方案进行测距,实现了测量距离更远、帧速率更高、功耗更低。

意法半导体影像产品部技术市场经理张程怡对记者介绍说,一方面,由于ToF是通过测量激光光子的途经时间来计算被测物体与发射器之间的距离,其优点是不受目标大小、颜色和反射率的影响,因而在距离和精度方面均比传统接近传感器领先。另一方面,通过架构的革新和算法的优化,ST近日推出的第二代ToF VL53L0X在测距、精度和尺寸方面实现了新的“质变”。

“ST第一代产品“VL6180X”是将激光、测距、环境光传感器三合一,激光器发射的不可见光波长为850nm,测距范围为40cm,测距精度为10%。”张程怡详细介绍说,“第二代产品VL53L0X内置940nm激光发射器、SPAD红外接收器和先进的MCU,ST将不可见光波长由850nm定制为940nm,配合先进的红外滤波器,大大增强了对外部光源的抗干扰性能,精确度在±3%范围。再加上自主研发的感应光芯片算法的优化,ToF测距长度扩至最长两米,而且测速更快,时间不足30ms。VL53L0X能效也更高,正常工作模式下功耗仅20mW,待机功耗只有5µA。而其2.4mm x 4.4mm x 1mm的封装尺寸和回流焊兼容性,非常易于集成在主PCB或软板上。”


  应用大有可为

有如此多的“光环”,自然ToF的应用也大幅拓展。

先前ToF就因被智能手机厂商摄像头激光辅助自动对焦所采用而享誉业界。张程怡表示,一是过去技术难以实现的低照度和低对比度情况下,使用ToF能辅助摄像头系统实现更快更准的自动对焦,即便在视频模式和连拍模式下都可快速准确自动对焦;二是传感器内部完成测距计算,通过I2C总线接口输出数据,因而对手机主控制器的需求降至最低。因而,ST的第一代产品已被全球知名手机厂商的几十种机型中,而第二代产品也被华为的P9、V8,联想的moto g4+,HTC的M10等旗舰机型手机采用,未来会有更多的手机厂商使用。

而ToF的应用还远不止于此。张程怡介绍,ToF的感测能力可支持各种功能,包括各种创新用户界面的手势感测或接近检测,因而在计算机、家用电器、消费电子和工业自动化以及服务机器人及VR/AI领域,都有显见的应用潜力。他举例说,如家电感应面板、笔记本电脑的用户探测或电源开关监控器;卫浴产品自动感应动作表现的提升,如水龙头、皂液器、干手机;手势识别;服务机器人的障碍物探测与防撞系统以及无人机和物联网(IoT)应用等。

对于服务型机器人的市场前景,张程怡表示,“实现服务机器人的巡航控制、避障发挥功能,ToF将发挥重要作用。这一市场的需求巨大,如一般的服务机器人需安装3-10个,扫地机器人1个即可。最近与ST接洽的机器人公司都已或计划推出具有这一实用功能的机器人。”

此外,针对VR/AR应用对动作捕捉和识别的需求提升,ToF或将大展身手。张程怡认为,一则ToF在VR头显中可增强手势控制功能,二是可为双摄像头系统补强盲区检测功能,为用户提供更好的体验。目前ST在VR头显中已有合作案例,但在双摄像头应用中还要看VR应用发展,尚待挖掘。

  未来将进行架构革新

除提供VL53L0X外,为使集成过程更加快捷方便,ST还提供软件API以及完整的技术文档和例程源代码,开发人员可以使用扩展板,与广泛的MCU兼容,即可轻松开发完整的解决方案。

第二代VL53L0X在集成度、精度、测距方面都远超“对手”,但ST并没有“高枕无忧”,亦在着眼于未来的需求做更多的创新。

对于未来技术的发展,张程怡表示会一方面专注“深度研究”,同时和不同领域更加密切的合作,提升更加智能化的体验等,这是未来的一个重点方向。另一方面将在传感器精度、有效距离、手势识别方面深耕,不断优化。

“对于开发的难度在于如何进行更远距离的探测,并让被测物体反射更多的光子给接收器,实现更高的精度。因此,此模块将在结构上的革新,增加光学镜头等革新来实现。” 张程怡最后指出,“明年ST将推出测距达4米的第二代ToF传感器。”

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