Времяпролётные сенсоры для роботов и не только

Методы сканирования пространства

В последнее десятилетие наблюдается значительный интерес к разработке устройств и систем для сканирования пространства. Возможность дистанционного измерения расстояний бывает часто востребована в задачах картрирования и разведки с борта наземных транспортных средств, воздушных судов, космических кораблей и искусственных спутников как в гражданских, так и в военных целях.

Американское космическое агентство НАСА технологию сканирования пространства называет ключевой в реализации возможности автономного и точного перемещения по поверхностям планет и других объектов в космосе как в роботизированных, так и в пилотируемых миссиях [1]. Различные виды сканирующих сенсоров используются в компьютерной графике и системах машинного зрения для моделирования трёхмерных объектов. Схожие технологии применяются в задачах измерения рельефа местности, одновременной локализации и построения карты (технология SLAM), автономном и полуавтономном управлении автомобилем (включая обнаружение препятствий), а также для захвата и манипулирования объектами в промышленных роботах. Помимо этого, в области машинного зрения измерители расстояний повсеместно используются в ряде приложений для распознавания объектов, захвата движения (Motion Capture), реализации человеко-машинных интерфейсов и трёхмерного воссоздания прост­ранства [2].

Существует несколько физических принципов и связанных с ними технологий, используемых при разработке датчиков расстояния. Одним из типов измерителей расстояний является так называемый LIDAR. Это аббревиатура образована от слов «Light Imaging Detection And Ranging» или «LIght and raDAR». LIDAR представляет собой технологию дистанционного зондирования для оценки расстояния (дистанции, глубины) путём облучения объекта коллимированным лучом лазера, а затем получения отражённого излучения на фотодетектор. Этот принцип измерения расстояний известен как измерение времени пролёта (Time-of-Flight, TOF). Поскольку LIDAR используют тонкий сфокусированный лазерный луч, они позволяют получать оценку дистанции с очень высокой точностью. В этих измерительных приборах используется свет в ультрафиолетовом, видимом или инфракрасном диапазонах. LIDAR позволяют измерять металлические и неметаллические поверхности, камень, растения, облака и так далее, за исключением, пожалуй, материалов с высокой отражающей способ­ностью (зеркала, которые могут перенаправить импульс в сторону от фотодетектора) или же, наоборот, с высокой поглощающей способностью (в этом случае отражённый сигнал не вернётся на фотодетектор).

Примером простой времяпролётной системы является однопиксельная система, как правило, состоящая из модулируемого лазера с коллиматором, выступающего в качестве излучателя и единственного фотодиода, служащего приёмником (см. рис. 1) [3]. Излучаемый в инфракрасном диапазоне сигнал (на рисунке показан красным) отражается от поверхности объекта и сенсор детектирует отражённый компонент.

Существует два способа измерения времени пролёта [4] и два соответствующих им типа сенсоров:

Четырёхфазные управляющие сигналы имеют 90-градусную задержку по фазе по отношению друг к другу. Четыре результирующих значения электрических зарядов, получаемых с сенсора, используются для оценки фазового сдвига t_d:

где Q₁ – Q₄ представляют электрические заряды для управляющих сигналов С₁ – С₄ соответственно. Расстояние d может быть затем вычислено с помощью значения c (скорости света) и f (частоты сигнала):

Здесь значение c/(2f) представляет собой максимальное расстояние, которое может быть измерено однозначно.

В подавляющем большинстве приложений требуется массив данных с информацией о глубине сцены (расстояний до точек на объектах в исследуемой области), а не единственное значение расстояния. Таким образом, технология LIDAR должна быть дополнена технологией сканирования, например, вращающимся зеркалом для получения строки выровненных по горизонтали значений. Значения по вертикали могут быть получены с использованием двух соосных вращающихся зеркал с использованием нескольких лазерных излучателей с собственными фотодетекторами, или же с использованием зеркал с фиксированной ориентацией [6]. Во всех случаях техническая реализация накладывает ограничения на вертикальное поле зрения и разрешение по вертикали. В качестве альтернативы сканирующих устройств можно предложить устройство без сканирования, в котором свет от единственного излучателя расходился бы таким образом, чтобы освещалась вся интересующая нас область пространства, а отражённый свет проецировался бы на двухмерный массив фотодетекторов, а именно на времяпролётную камеру глубины. Вместо измерения интенсивности окружающего света, как это происходит в обычных оптических камерах, времяпролётные камеры измеряют отражённый свет, исходящий от собственного излучателя камеры. Принцип действия времяпролётной камеры показан на рисунке 3.

Обычно времяпролётные камеры не имеют отдельных АЦП и блоков обработки для каждого пикселя. Аналоговые данные в пиксельном массиве считываются, а затем обрабатываются, в отличие от однопиксельных систем, в различные моменты времени.

Элементная база

Датчик расстояния VL53L0X (STMicroelectronics)

Это самый маленький времяпролётный сенсор на рынке из представленных на текущий момент решений. Это готовое решение включает в себя инфракрасный, безопасный для глаз лазер, оптический фильтр для увеличения помехозащищённости и массив светочувствительных элементов для детектирования фотонов.

Основные характеристики:

Применение:

Датчик VL53L0X является высокоинтегрированным решением и содержит массив однофотонных лавинных диодных детекторов, 940-нм лазерный излучатель (Class 1 безопасности), фильтр, снижающий влияние внешней засветки и встроенный микроконтроллер, который позволяет получить на выходе датчика сразу расстояние до препятствия в миллиметрах, даже в сложных условиях эксплуатации (влажность, пыль) и вне зависимости от отражательной способности объекта.

Внешний вид модуля представлен на рисунке 4, а его структурная схема – на рисунке 5 [7].

Для упрощения процесса знакомства c модулем компания STMicroelectronics выпускает комплект с платой расширения X-NUCLEO-53L0A1 для использования совместно с оценочной платой STM32 F401RE Nucleo.

Оптический сенсор PhotonICs 19k-S3 (PMD)

Первый коммерчески доступный чип для реализации трёхмерной времяпролётной системы. Этот оптический сенсор позволяет захват расстояния и монохромного изображения в реальном времени при скорости чтения данных до 15 Мп/с, работая как внутри помещений, так и на улице. Разрешение 160 × 120 пикселей оптимизировано для реализации человеко-машинных интерфейсов на расстояниях до 2 м [8].

Основные характеристики:

Применение:

В качестве отладочного комплекта компания PMD предлагает продукт под названием CamBoard Nano (см. рис. 6).

Это готовое решение на базе датчика PhotonICs 19k-S3 представляет собой камеру глубины с размерами всего 37 × 30 × 25 мм, которая выдаёт до 90 кадров/с с разрешением 160 × 120 пикселей и с областью обзора 90 × 68°. Устройство оснащено интерфейсом USB 2.0 и поставляется вместе с ПО для обработки и визуализации данных. Поддерживает работу c API в ОС Linux и Windows, также имеется программный интерфейс для MATLAB.

Времяпролётный сенсор OPT8241 (Texas Instruments)

На базе этого сенсора, совместно с контроллером OPT9221, можно построить 3D времяпролётную камеру с разрешением 320 × 240 пикселей [9].

Основные характеристики:

Применение:

Блок-схема реализации 3D времяпролётной камеры на базе сенсора OPT8241 и контроллера OPT9221 представлена на рисунке 7.

Времяпролётная камера DepthSense DS541 для мобильных устройств (SoftKinetic)

Модуль самой маленькой на сегодняшний день времяпролётной камеры был анонсирован компанией Soft­Kinetic в конце сентября 2016 г. [10]. Насколько это маленькое устройство можно видеть на рисунке 8.

Из технических деталей пока известно, что пиксель её четвертьдюймового сенсора имеет размер 10 мкм, модуль может работать как в помещениях, так и на улице, и имеет MIPI-интерфейс. Появление камеры в свободной продаже планируется в 3 квартале 2017 г. Сейчас же инженерные образцы модуля DS541 для перспективных разработок можно заказать у производителя.

Рыночные перспективы

В таблице приведено сравнение времяпролётной технологии с другими популярными оптическими 3D-технологиями: стереозрением и технологией структурного света.

Времяпролётная технология имеет преимущества благодаря более простым программным алгоритмам, быстрому системному отклику, хорошим показателям в условиях сильной и слабой освещённости, умеренной стоимости и компактности решений, а также высокой точности при определении глубины. Эта технология может быть использована в большинстве приложений, включая игры, 3D-сканирование пространства, в пользовательских интерфейсах и дополненной реальности.

Исследование, проведённое Allied Market Research [11], показывает, что наиболее используемой является технология стереозрения, и такие 3D-камеры, как ожидается, будут преобладать на рынке в ближайшие 5 лет, но доля времяпролётных камер будет расти (см. рис. 9).

Литература

1. Amzajerdian F., Pierrottet D., Petway L., Hines G. and Roback V. Lidar Systems for Precision Navigation and Safe Landing on Planetary Bodies. International Symposium on Photoelectronic Detection and Imaging. 2011. Р. 819.
2. Horaud Radu, Hansard Miles, Evangelidis Georgios, Clement Menier. An Overview of Depth Cameras and Range Scanners Based on Time-of-Flight Technologies. Machine Vision and Applications Journal. 2016. <10.1007/s00138-016-0784-4>.
3. SBAU219D. Introduction to the Time-of-Flight (ToF) System Design. Texas Instruments. 2014.
4. Remondino F., Stoppa D. TOF Range-Imaging Cameras. Springer. 2013.
5. Hansard M., Lee S., Choi O., Horaud R. Time-of-Flight Cameras: Principles, Methods and Applications. Springer. 2013.
6. Антонов Андрей. Сканирующие лазерные дальномеры (LIDAR). Современная электроника. 2016. №1. С. 10–15.
7. www.st.com/en/imaging-and-photonics-solutions/vl53l0x.html.
8. www.pmdtec.com.
9. SBAS704B. OPT8241 3D Time-of-Flight Sensor. Texas Instruments. 2015.
10. www.softkinetic.com.
11. www.alliedmarketresearch.com/world-3D-Camera-market.