探索ToF 傳感器在機(jī)器人領(lǐng)域的工作原理、應(yīng)用和優(yōu)勢。

"ToF" 是 "Time of Flight" 的縮寫，中文通常翻譯為“飛行時間”。ToF傳感器利用光（通常是紅外光）發(fā)射到目標(biāo)并測量其反射回來所需的時間來確定對象與傳感器之間的距離。這種技術(shù)可以為各種應(yīng)用提供深度信息，例如3D成像、機(jī)器人導(dǎo)航、手勢識別和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。

機(jī)器人的應(yīng)用環(huán)境變得更加復(fù)雜和動態(tài)，這需要開發(fā)更靈活、更先進(jìn)的視覺和定位功能。在不受控制的環(huán)境中運(yùn)行的機(jī)器人的一項(xiàng)基本功能是識別周圍環(huán)境。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一種解決方案是使用具有聚光和泛光照明選項(xiàng)的飛行時間 (ToF) 成像傳感器。

ToF 傳感器使機(jī)器人應(yīng)用程序能夠?qū)ζ洵h(huán)境進(jìn)行成像并創(chuàng)建周圍環(huán)境的 3D 地圖。讓機(jī)器人知道哪些物體靠近，并獲得有關(guān)它們的大小、形狀和邊緣的詳細(xì)信息。例如，機(jī)器人真空吸塵器可以使用此信息來了解它是否可以行駛到沙發(fā)或櫥柜下方并清潔那里。

本文探討了 ToF 成像傳感器的工作原理、其應(yīng)用以及對機(jī)器人的好處。

ToF 3D圖像傳感器介紹及工作原理

ToF 是一種主動測量，這意味著 ToF 成像儀旁邊的激光源發(fā)射調(diào)制光，而 ToF 傳感器接收場景中物體反射的光。這些應(yīng)用中通常使用紅外 (IR) 光，例如 940nm，因?yàn)槿祟惪床灰娝?。目前市場上?ToF 成像傳感器基于兩種測量原理：直接 ToF 和間接 ToF。

直接ToF 測量

對于直接 ToF 測量，激光源發(fā)射短激光脈沖，ToF 傳感器測量發(fā)射激光脈沖和反射激光脈沖之間的延遲。脈沖發(fā)射和傳感器檢測之間的時間延遲（飛行時間）被轉(zhuǎn)換為距離測量值，以重建 3D 場景。用于直接 ToF 測量的成像傳感器更加復(fù)雜，因?yàn)樾枰焖偬綔y器 (SPAD)，并且必須計算片上直方圖以實(shí)現(xiàn)與物體表面相關(guān)的必要峰值查找。

直接 ToF 傳感器的簡單機(jī)制

間接ToF 測量

對于間接 ToF 測量，激光源通常為垂直腔表面發(fā)射激光器 (VCSEL)，發(fā)射波長在 850 至 940 nm 之間的調(diào)制紅外 (IR) 光。VCSEL 優(yōu)于 LED，因?yàn)樗鼈冊?80 至 100 MHz 的調(diào)制頻率下工作時呈現(xiàn)出更好的結(jié)果，并且具有窄光譜2。ToF 傳感器通過其鏡頭捕獲反射信號，每個像素將發(fā)射的調(diào)制信號與從場景接收的捕獲信號進(jìn)行比較。快速全局快門 ToF 像素收集與發(fā)射信號重疊的光量以及稍后到達(dá)的光量。然后根據(jù)該信息確定兩個信號之間的相移。對于間接 ToF，所謂的相位圖像是傳感器的輸出。根據(jù)傳感器和應(yīng)用，使用基于 2、3 和 4 相的方法。間接ToF的優(yōu)點(diǎn)是不需要片上處理。

探測器交替收集來自感興趣物體的光。

ToF傳感器輸出數(shù)據(jù)

在這兩種測量方法中，測量的數(shù)據(jù)都會在芯片上轉(zhuǎn)換為數(shù)字表示形式，即間接 ToF 的相位圖像和直方圖，然后找到直接 ToF 的峰值。然后，該表示形式通過 MIPI-CSI-2 或并行 (PIF) 接口作為原始 3D 數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用處理器 (AP)。通過處理原始數(shù)據(jù)，AP 提供兩個圖像：深度圖和幅度圖像。深度圖包含每個像素的深度信息，即該像素處物體與相機(jī)之間的距離。幅度圖像包含幅度信息，代表物體在該位置的亮度。復(fù)雜的系統(tǒng)還可以提供附加圖像，例如指示每個像素的質(zhì)量度量的置信度圖像。

飛行時間框圖。圖片來源：英飛凌

根據(jù)應(yīng)用的不同，ToF 傳感器可以與 RGB 圖像結(jié)合使用。在這種情況下，算法可以組合 RGB 和深度圖像，以獲得場景及其對象的 3D 表示，其中包含深度和顏色信息。這允許先進(jìn)的應(yīng)用功能，例如物體識別，讓機(jī)器人決定該物體是否是一個不應(yīng)在駕駛時與周圍保持安全距離而觸摸的玩具，或者是一個應(yīng)在附近清潔的柜子?；蛘咄ㄟ^面部生物識別技術(shù)以可靠、安全的方式識別人員。

ToF 傳感器的優(yōu)點(diǎn)

ToF 傳感器取代了接觸式和接近式傳感器，具有高精度，可通過大量可用像素來檢測小物體。與接觸式傳感器相比，ToF 傳感器的另一個優(yōu)點(diǎn)是沒有機(jī)械移動部件，從而減少了維護(hù)需求。特別是對于機(jī)器人來說，現(xiàn)有的 LDS（激光距離掃描）傳感器體積龐大、價格昂貴，并且具有機(jī)械旋轉(zhuǎn)鏡。ToF 成像傳感器更小、更具成本效益并且不需要機(jī)械移動部件。

由于其環(huán)境光魯棒性，ToF 傳感器還可以在黑暗和強(qiáng)烈陽光條件下使用。此外，這些傳感器具有較寬的距離范圍，能夠檢測 10m 之外的物體。此功能使其可用于室內(nèi)和室外應(yīng)用。最后，較小的相機(jī)尺寸可以集成到較小的機(jī)器人中，例如消費(fèi)機(jī)器人真空吸塵器或無人機(jī)。