第十四屆智能車競(jìng)賽賽道中凸顯的橫斷路障，它讓去年韓國(guó)國(guó)內(nèi)智能車競(jìng)賽中參加決賽的隊(duì)伍備受困擾，同樣，它也使得今年國(guó)內(nèi)參加比賽的隊(duì)員感到苦惱。
2018年韓國(guó)全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽中的橫斷路障
成功越過橫斷路障的關(guān)鍵就是需要能夠盡可能提前檢測(cè)到它的存在，然后在路障前后的一米區(qū)內(nèi)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(dǎo)引。如果僅僅依靠車模開環(huán)控制完成繞行，則車模的軌跡就會(huì)受到賽道環(huán)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(cè)路障并開環(huán)繞行
為了避免繞行中厄運(yùn)的發(fā)生，則需要對(duì)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(zhuǎn)向陀螺儀和車模行進(jìn)距離傳感器，這樣可以精確控制車模運(yùn)行軌跡，從而能夠適應(yīng)更加復(fù)雜多變的 環(huán)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(zhuǎn)彎不太大也不太小。
近期很多同學(xué)在尋找各種測(cè)距傳感器。傳統(tǒng)的超聲傳感器對(duì)于反射物體 要求比較高，面積小的物體就會(huì)測(cè)不到，測(cè)量距離誤差較大。現(xiàn)在更多同學(xué)把目光轉(zhuǎn)移到一大類基于激光的測(cè)距傳感器。
常見到的激光測(cè)距傳感器所使用的原理包括有：TOF（Time of Flight），幾何測(cè)距，結(jié)構(gòu)光方法等。
TOF測(cè)距原理和超聲波測(cè)距相似，只是它使用的是光波。由于激光定向性強(qiáng)，所以探測(cè)空間分辨率較高。由于它是通過測(cè)量光波從發(fā)送到接受之間的時(shí)間差來計(jì)算物體距離，所以物體表面的反射率對(duì)于測(cè)量結(jié)果影響不大。
TOF激光距離傳感器
由于半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步，TOF激光測(cè)距傳感器的價(jià)格也比較便宜。近期很多同學(xué)在詢問這類傳感器是否可以允許用于競(jìng)賽中。
對(duì)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(dāng)做整體傳感器應(yīng)用于競(jìng)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(cè)距傳感器。它的測(cè)距結(jié)果可以通過UART，或者I2C總線輸出。測(cè)量范圍在100~1800mm，輸出結(jié)果速度最快每秒33個(gè)數(shù)據(jù)。
通過UART輸出的測(cè)量結(jié)果以及串口波形
該模塊體積比較小，價(jià)格相對(duì)比較便宜，在一個(gè)車模上可以安裝多個(gè)這樣的傳感器。所以很多同學(xué)不僅希望使用它檢測(cè)賽道中的路障，而且還希望用于信標(biāo)組中，檢測(cè)信標(biāo)障礙。
那么這個(gè)傳感器在使用中，究竟效果如何。對(duì)于大的路障，小的信標(biāo)檢測(cè)距離有多遠(yuǎn)。是否會(huì)受到環(huán)境光線影響，多個(gè)TOF模塊之間是否會(huì)存在干擾呢？
TOF測(cè)試接口
為了回答上面的問題，下面就通過實(shí)驗(yàn)來一一驗(yàn)證它。
為了更好的衡量TOF測(cè)量的空間分辨率和測(cè)量范圍，下面將傳感器固定在 一個(gè)小型的舵機(jī)上，然后讓舵機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，便可以得到TOF傳感器在水平方向上的空間分辨率和檢測(cè)精度。
使用小型舵機(jī)旋轉(zhuǎn)TOF傳感器
下面是一個(gè)長(zhǎng)度為1米左右的水平導(dǎo)軌，可以承載檢測(cè)物體在縱向進(jìn)行移動(dòng)，這樣可以測(cè)試TOF傳感器的距離精度和檢測(cè)范圍。
縱向滑軌
使用一個(gè)紅色表面的木箱作為檢測(cè)對(duì)象。放在滑軌上沿著遠(yuǎn)離傳感器的方向移動(dòng)。
在木箱在遠(yuǎn)離方向上的每一個(gè)地點(diǎn)，舵機(jī)帶動(dòng)TOF傳感器就左右掃描一周，可以的到在當(dāng)前距離下，從不同方位所檢測(cè)到前面物體的距離。
具體結(jié)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(yuǎn)離過程中TOF掃描水平方向上所得到距離曲線
從上面動(dòng)圖可以看到，隨著木箱 遠(yuǎn)離傳感器，傳感器前面所測(cè)到近距離的范圍原來越小，同時(shí)距離數(shù)值也隨著木箱的遠(yuǎn)離逐步增加。
當(dāng)木箱移動(dòng)到接近1米的時(shí)候，檢測(cè)距離曲線出現(xiàn)了很多噪聲，數(shù)據(jù)變得不可靠了。
所選的木箱底部是黑色，當(dāng)黑色底部對(duì)準(zhǔn)TOF傳感器時(shí)，可以看到當(dāng)距離城廓0.5米之后，測(cè)量數(shù)據(jù)就開始具有很多的噪聲了。測(cè)距距離明顯減少。
黑色表面，檢測(cè)距離縮小到0.5米
下面三個(gè)距離掃描結(jié)果曲線分別是針對(duì)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(duì)比可以看到，白色和紅色反射面所測(cè)量的結(jié)果噪聲基本相同，而黑色反射面結(jié)果中的噪聲則非常大。
白色反射面測(cè)量距離掃描結(jié)果
紅色反射面測(cè)量距離掃描結(jié)果
黑色表面距離掃描結(jié)果
因此比賽中所規(guī)定路障的顏色為紅色，利于TOF傳感器的檢測(cè)。
考慮到實(shí)際路障的尺寸是45厘米，比實(shí)驗(yàn)中的木箱更大，因此，可以推測(cè)使用TOF傳感器檢測(cè)到路障的正面距離應(yīng)該能夠大于1米。
TOF傳感器是否可以比較可靠的檢測(cè)到信標(biāo)呢?
下面使用同樣的測(cè)試方法繪制了信標(biāo)燈罩在不同的距離下被TOF傳感器掃描的距離曲線。
信標(biāo)燈罩在不同距離下檢測(cè)距離結(jié)果曲線
從上面結(jié)果來看，當(dāng)距離超過0.7米之后，信標(biāo)就基本上無法檢測(cè)到。如果再考慮到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響，所以使用TOF檢測(cè)信標(biāo)的距離只能在半米左右。
如果信標(biāo)車模控制的好的話，比如同時(shí)使用它的四輪，完成橫向運(yùn)動(dòng)，半米的距離是可以靈活的躲開信標(biāo)燈。
只是需要考慮到在H車模四周都安裝該激光測(cè)距傳感器。
由于得到最后一組數(shù)據(jù)的時(shí)候，已經(jīng)到了晚上，外面沒有了陽(yáng)光。否則需要測(cè)試一下，在陽(yáng)光下的環(huán)境中，TOF檢測(cè)距離是多遠(yuǎn)？ 看是否能夠滿足室外越野組的避障檢測(cè)。
兩個(gè)TOF之間的相互干擾
上圖動(dòng)圖顯示了兩個(gè)TOF傳感器之間的相互干擾的情況。手持一個(gè)TOF傳感器旋轉(zhuǎn)，如果碰巧照射在另外一個(gè)傳感器上，則傳感器輸出為2000，這是錯(cuò)誤的檢測(cè)結(jié)果。如果TOF不是正向照射在另外一個(gè)傳感器上，它們測(cè)量結(jié)果還是正確的。因此，在一個(gè)車模上是可以在四周同時(shí)按照多個(gè)TOF傳感器。只要注意他們之間不會(huì)相互直射即可。
在比賽中的決賽階段，如果賽道上是兩個(gè)車模同時(shí)進(jìn)行運(yùn)行，理論上他們上面的TOF傳感器是可能發(fā)生干擾的。不過這種干擾的幾率會(huì)很小。
測(cè)距傳感器：TOF距離傳感器 第1張" title="tof測(cè)距傳感器：TOF距離傳感器 第1張-傳感器知識(shí)網(wǎng)"/>
tof測(cè)距傳感器：一種無人機(jī)上TOF距離傳感器的測(cè)距方法及系統(tǒng)
）
Int.CI
權(quán)利要求說明書
說明書
幅圖
（
54
）發(fā)明名稱
一種無人機(jī)上
TOF
距離傳感器的測(cè)距方法及系統(tǒng)
（
57
）摘要
?
本發(fā)明適用于距離測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，提供了
一種無人機(jī)上
TOF
距離傳感器的測(cè)距方法及系
統(tǒng)。該方法包括：通過
TOF
距離傳感器測(cè)量無人
機(jī)與目標(biāo)物體之間的距離，獲取測(cè)量距離數(shù)據(jù)，
根據(jù)滑動(dòng)模型對(duì)測(cè)量距離數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，得到濾
波距離數(shù)據(jù)，獲取無人機(jī)的姿態(tài)數(shù)據(jù)，并根據(jù)姿
態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)濾波距離數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，得到校正距離
數(shù)據(jù)。相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明能夠顯著提高
TOF
距離傳感器的測(cè)量精度。
tof測(cè)距傳感器：使用Arduino連接ToF測(cè)距傳感器VL6180進(jìn)行距離測(cè)量
飛行時(shí)間TOF是通過各種距離測(cè)量傳感器（如超聲波傳感器）測(cè)量遠(yuǎn)處物體距離的常用方法。粒子、聲波或物體通過介質(zhì)行進(jìn)一段距離所花費(fèi)的時(shí)間的測(cè)量被稱為飛行時(shí)間（TOF）。然后可以使用該測(cè)量來計(jì)算速度或路徑長(zhǎng)度。它還可用于了解介質(zhì)的顆粒或性質(zhì)，例如成分或流速。可以直接或間接地檢測(cè)行進(jìn)物體。
超聲波測(cè)距裝置是使用飛行時(shí)間原理的最早的裝置之一。這些裝置發(fā)射超聲波脈沖，并根據(jù)波形反彈回發(fā)射器所需的時(shí)間測(cè)量到固體材料的距離。飛行時(shí)間方法也可用于估計(jì)電子遷移率。實(shí)際上，它是為低導(dǎo)電薄膜的測(cè)量而設(shè)計(jì)的，后來根據(jù)普通半導(dǎo)體進(jìn)行了調(diào)整。該技術(shù)用于有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管以及金屬 - 電介質(zhì) - 金屬結(jié)構(gòu)。通過施加激光或電壓脈沖，產(chǎn)生過量電荷。
使用TOF的超聲波傳感器距離計(jì)算
TOF原理用于測(cè)量傳感器和物體之間的距離。測(cè)量信號(hào)在從物體反射后返回傳感器所花費(fèi)的時(shí)間，并用于計(jì)算距離。 TOF原理可以使用聲音、光等各種類型的信號(hào)（載波）。當(dāng)TOF用于測(cè)距時(shí)，它在發(fā)光而非聲音時(shí)非常強(qiáng)大。與超聲波相比，它提供更快的讀數(shù)、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(fā)板連接VL6180X TOF測(cè)距儀傳感器來計(jì)算傳感器和物體之間的距離。該傳感器還告知光強(qiáng)度值（LUX）。
VL6180X飛行時(shí)間（ToF）測(cè)距儀傳感器
VL6180與其他距離傳感器不同，因?yàn)樗褂镁_的時(shí)鐘來測(cè)量光從任何表面反射回來所需的時(shí)間。這使VL6180比其他傳感器更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼫?zhǔn)確，不受噪音影響。
VL6180是一款3合1封裝，包括紅外發(fā)射器、環(huán)境光傳感器和范圍傳感器。它通過I2C接口進(jìn)行通信。它有一個(gè)板載2.8V穩(wěn)壓器。因此，即使我們插入大于2.8V的電壓，它也會(huì)自動(dòng)向下移動(dòng)而不會(huì)損壞電路板。它的測(cè)量范圍可達(dá)25厘米。其中提供了兩個(gè)可編程GPIO。
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tof測(cè)距傳感器：？
第十四屆智能車競(jìng)賽賽道中凸顯的橫斷路障，它讓去年韓國(guó)國(guó)內(nèi)智能車競(jìng)賽中參加決賽的隊(duì)伍備受困擾，同樣，它也使得今年國(guó)內(nèi)參加比賽的隊(duì)員感到苦惱。
2018年韓國(guó)全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽中的橫斷路障
成功越過橫斷路障的關(guān)鍵就是需要能夠盡可能提前檢測(cè)到它的存在，然后在路障前后的一米區(qū)內(nèi)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(dǎo)引。如果僅僅依靠車模開環(huán)控制完成繞行，則車模的軌跡就會(huì)受到賽道環(huán)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(cè)路障并開環(huán)繞行
為了避免繞行中厄運(yùn)的發(fā)生，則需要對(duì)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(zhuǎn)向陀螺儀和車模行進(jìn)距離傳感器，這樣可以精確控制車模運(yùn)行軌跡，從而能夠適應(yīng)更加復(fù)雜多變的 環(huán)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(zhuǎn)彎不太大也不太小。
近期很多同學(xué)在尋找各種測(cè)距傳感器。傳統(tǒng)的超聲傳感器對(duì)于反射物體 要求比較高，面積小的物體就會(huì)測(cè)不到，測(cè)量距離誤差較大。現(xiàn)在更多同學(xué)把目光轉(zhuǎn)移到一大類基于激光的測(cè)距傳感器。
常見到的激光測(cè)距傳感器所使用的原理包括有：TOF（Time of Flight），幾何測(cè)距，結(jié)構(gòu)光方法等。
TOF測(cè)距原理和超聲波測(cè)距相似，只是它使用的是光波。由于激光定向性強(qiáng)，所以探測(cè)空間分辨率較高。由于它是通過測(cè)量光波從發(fā)送到接受之間的時(shí)間差來計(jì)算物體距離，所以物體表面的反射率對(duì)于測(cè)量結(jié)果影響不大。
TOF激光距離傳感器
由于半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步，TOF激光測(cè)距傳感器的價(jià)格也比較便宜。近期很多同學(xué)在詢問這類傳感器是否可以允許用于競(jìng)賽中。
對(duì)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(dāng)做整體傳感器應(yīng)用于競(jìng)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(cè)距傳感器。它的測(cè)距結(jié)果可以通過UART，或者I2C總線輸出。測(cè)量范圍在100~1800mm，輸出結(jié)果速度最快每秒33個(gè)數(shù)據(jù)。
通過UART輸出的測(cè)量結(jié)果以及串口波形
該模塊體積比較小，價(jià)格相對(duì)比較便宜，在一個(gè)車模上可以安裝多個(gè)這樣的傳感器。所以很多同學(xué)不僅希望使用它檢測(cè)賽道中的路障，而且還希望用于信標(biāo)組中，檢測(cè)信標(biāo)障礙。
那么這個(gè)傳感器在使用中，究竟效果如何。對(duì)于大的路障，小的信標(biāo)檢測(cè)距離有多遠(yuǎn)。是否會(huì)受到環(huán)境光線影響，多個(gè)TOF模塊之間是否會(huì)存在干擾呢？
TOF測(cè)試接口
為了回答上面的問題，下面就通過實(shí)驗(yàn)來一一驗(yàn)證它。
為了更好的衡量TOF測(cè)量的空間分辨率和測(cè)量范圍，下面將傳感器固定在 一個(gè)小型的舵機(jī)上，然后讓舵機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，便可以得到TOF傳感器在水平方向上的空間分辨率和檢測(cè)精度。
使用小型舵機(jī)旋轉(zhuǎn)TOF傳感器
下面是一個(gè)長(zhǎng)度為1米左右的水平導(dǎo)軌，可以承載檢測(cè)物體在縱向進(jìn)行移動(dòng)，這樣可以測(cè)試TOF傳感器的距離精度和檢測(cè)范圍。
縱向滑軌
使用一個(gè)紅色表面的木箱作為檢測(cè)對(duì)象。放在滑軌上沿著遠(yuǎn)離傳感器的方向移動(dòng)。
在木箱在遠(yuǎn)離方向上的每一個(gè)地點(diǎn)，舵機(jī)帶動(dòng)TOF傳感器就左右掃描一周，可以的到在當(dāng)前距離下，從不同方位所檢測(cè)到前面物體的距離。
具體結(jié)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(yuǎn)離過程中TOF掃描水平方向上所得到距離曲線
從上面動(dòng)圖可以看到，隨著木箱 遠(yuǎn)離傳感器，傳感器前面所測(cè)到近距離的范圍原來越小，同時(shí)距離數(shù)值也隨著木箱的遠(yuǎn)離逐步增加。
當(dāng)木箱移動(dòng)到接近1米的時(shí)候，檢測(cè)距離曲線出現(xiàn)了很多噪聲，數(shù)據(jù)變得不可靠了。
所選的木箱底部是黑色，當(dāng)黑色底部對(duì)準(zhǔn)TOF傳感器時(shí)，可以看到當(dāng)距離城廓0.5米之后，測(cè)量數(shù)據(jù)就開始具有很多的噪聲了。測(cè)距距離明顯減少。
黑色表面，檢測(cè)距離縮小到0.5米
下面三個(gè)距離掃描結(jié)果曲線分別是針對(duì)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(duì)比可以看到，白色和紅色反射面所測(cè)量的結(jié)果噪聲基本相同，而黑色反射面結(jié)果中的噪聲則非常大。
白色反射面測(cè)量距離掃描結(jié)果
紅色反射面測(cè)量距離掃描結(jié)果
黑色表面距離掃描結(jié)果
因此比賽中所規(guī)定路障的顏色為紅色，利于TOF傳感器的檢測(cè)。
考慮到實(shí)際路障的尺寸是45厘米，比實(shí)驗(yàn)中的木箱更大，因此，可以推測(cè)使用TOF傳感器檢測(cè)到路障的正面距離應(yīng)該能夠大于1米。
TOF傳感器是否可以比較可靠的檢測(cè)到信標(biāo)呢?
下面使用同樣的測(cè)試方法繪制了信標(biāo)燈罩在不同的距離下被TOF傳感器掃描的距離曲線。
信標(biāo)燈罩在不同距離下檢測(cè)距離結(jié)果曲線
從上面結(jié)果來看，當(dāng)距離超過0.7米之后，信標(biāo)就基本上無法檢測(cè)到。如果再考慮到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響，所以使用TOF檢測(cè)信標(biāo)的距離只能在半米左右。
如果信標(biāo)車模控制的好的話，比如同時(shí)使用它的四輪，完成橫向運(yùn)動(dòng)，半米的距離是可以靈活的躲開信標(biāo)燈。
只是需要考慮到在H車模四周都安裝該激光測(cè)距傳感器。
由于得到最后一組數(shù)據(jù)的時(shí)候，已經(jīng)到了晚上，外面沒有了陽(yáng)光。否則需要測(cè)試一下，在陽(yáng)光下的環(huán)境中，TOF檢測(cè)距離是多遠(yuǎn)？ 看是否能夠滿足室外越野組的避障檢測(cè)。
兩個(gè)TOF之間的相互干擾
上圖動(dòng)圖顯示了兩個(gè)TOF傳感器之間的相互干擾的情況。手持一個(gè)TOF傳感器旋轉(zhuǎn)，如果碰巧照射在另外一個(gè)傳感器上，則傳感器輸出為2000，這是錯(cuò)誤的檢測(cè)結(jié)果。如果TOF不是正向照射在另外一個(gè)傳感器上，它們測(cè)量結(jié)果還是正確的。因此，在一個(gè)車模上是可以在四周同時(shí)按照多個(gè)TOF傳感器。只要注意他們之間不會(huì)相互直射即可。
在比賽中的決賽階段，如果賽道上是兩個(gè)車模同時(shí)進(jìn)行運(yùn)行，理論上他們上面的TOF傳感器是可能發(fā)生干擾的。不過這種干擾的幾率會(huì)很小。
