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無遠弗屆的ToF 飛時測距應用一眼看透透
發揮更大想像空間

【作者: 王岫晨】   2021年01月07日 星期四

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ToF的應用情境非常多元。從小到手機,大至工業環境以及防疫用途的使用,都是ToF可以發揮所長的應用領域。本文也將以ST的ToF解決方案為例,說明ToF技術在各種不同領域的應用現況與優勢。



圖一 : ToF應用領域
圖一 : ToF應用領域

接近偵測


圖二 : 飛行時間測距原理
圖二 : 飛行時間測距原理

首先針對消費性電子,所要探討的第一個領域是接近偵測。接近偵測的實際使用範例非常,例如,平板電腦、水龍頭、燈和停車場。關於存在偵測,典型應用是家用電器和智慧家庭、衛浴設備和教育平板電腦。所有這些應用情境都會偵測使用者是否存在,以及使用者位置,接著相對應地打開或關閉相關系統或螢幕。以平板電腦為例,當接近和離開平板電腦時,螢幕將會打開或鎖屏;甚至還可以設定閱讀距離,當使用者離螢幕太近時,透過ToF的解決方案,將能提醒使用者保護眼睛。


投影機

接下來,投影機也是ToF技術非常適合的另一個重要市場,包括辦公用大型投影機、微型投影機和攜帶式投影機。如今,在家庭娛樂系統中,攜帶式投影機可以代替電視或平板電腦。測距主要應用是自動對焦,因此,我們須再進行手動對焦。投影機內部的ToF感測器可以為系統提供鏡頭到螢幕的距離資訊,而系統將立即自動對焦。此外,還有偵測使用者是否存在的工具。當使用者靠近對人眼有害的投影鏡頭時,ToF解決方案透過測距和存在偵測功能,讓系統能夠連續警示使用者不要靠近投影機鏡頭。


針對投影機的應用,ST的解決方案還能提供一個非常重要的幾何形狀調整功能,又稱梯形校正。在使用投影機時經常會遇到投影形狀發生畸變的問題,投向牆壁的影像不是向右傾斜就是向左傾斜,修正這種梯形通常需要在系統內實現複雜的演算技術。現在透過新一代的ToF感測器,使用者就可以非常快速、準確地修正梯形,而且系統成本非常親民。目前ST也正在研究手勢控制。對於這些類似應用,ST的核心優勢是超高速測距,這可以達到快速自動對焦,速度快到讓使用者都不會發現對焦過程,使對焦變得非常自然、快速。因為測距很快,所以當使用者接近時,調光功能立即啟動。因此,安全不是問題。產品效能也很高,因此,十分適合電池供電產品。


服務機器人

在消費性電子方面還有掃地機器人和服務機器人應用。我們都知道,服務機器人正在到來,在一些家庭裡面,已經有家庭助理機器人,甚至還有寵物機器人。它們都需要透過ToF感測器來提供同一種用途,這就是避障,因此,機器人不會撞人、撞桌椅、撞牆。當掃地機器人掃地而且房間有人走動時,機器人以合理的方式移動顯得尤為重要,不僅避障,還要循牆和防墜落偵測,這樣機器人才不會掉到樓下或卡在沙發底下。同樣的,有了無觸摸操作,不再需要用手觸摸特定按鈕。有了ToF精確、可靠的測距功能,所有這些應用情境都完全可以被實踐。


工業應用

在工業方面的應用,ToF也有很多範例。包括工業機器人、輸送帶、工廠管理和倉庫存儲。測距感測器可以統計輸送帶運貨量,因為當輸送帶移動貨品時,貨品和感測器之間的距離會變化。在生產安全方面,感測器可以用於監測使用者和操作員,並警示不要靠近特定的危險的機器或工作位置。空間佔用偵測和接觸偵測可以實現工廠管理智慧化,使用者無需親自進入集裝箱內,就可以知道貨車的裝載率。至於核心優勢,遠距離測距不再需要到現場,並且遠距離測量速度足以維持工廠正常運營,這樣的速度是100HZ,表示每秒可完成100次測距。


容量管理

接著來討論容量管理或空間佔用偵測的工作原理。在貨車上裝了一些貨物,行駛在高速公路上,卡車和集裝箱內裝有ToF感測器,透過測量貨物的距離,可以得知裝載率資訊,瞭解裝載的是什麼貨物,以便合理地調整物流安排。在倉庫中,感測器能夠讓我們知道貨架上貨物的擺放情況,是滿載還是空置。其它實例包括垃圾桶、封閉式回收罐,甚至停車位,因為測距感測器可以偵測空間佔用情況。因此,ToF感測器可以為容量管理提供所需的全部工具。


防疫應用


圖三 : 在疫情中的使用情境
圖三 : 在疫情中的使用情境

接下來我們可以看到,在過去幾個月新冠疫情為生活帶來了變化,這使得無接觸消毒液、洗手液變得重要,不只是因為一般大眾想要保持清潔和衛生,而是我們不想用手觸摸多餘的按鈕。這些無接觸式應用情境,特別是整個手、手掌或手指握持的攜帶式體溫計,打開與關閉系統都需要測距資料,而且,測距還可以適當補償距離對溫度讀數的影響。這些應用變得至關重要,而ST的ToF產品具有這些應用所需的關鍵功能。


透過前面文章所介紹的應用和成功範例,可以協助大眾更快地瞭解ST的產品和相關資訊。在本文中,已經討論過筆記型電腦、掃地機器人、服務機器人、工業相關應用。當然ToF還有更多有趣的應用情境,例如巡航控制系統,可讓無人機保持一定之可靠的淨空距離或離地高度。在醫療方面的應用,醫院設施操作面板可以採用無接觸式按鈕,在偵測到有使用者存在時,系統可以快速地打開或關閉。對於急診等重要應用,非接觸式操作也很重要。投影機也需要測距輔助自動對焦功能。對於AR/VR眼鏡,則可以透過16區或64區測距輸出資料,來讓AR/VR系統利用測距資料判斷物體移動位置。


生態系統

正由於應用範圍十分多元,因此ToF的生態系統和開發工具就變得十分重要。除ToF產品本身外,ST也提出了一套強大的開發環境,即STM32開放式開發環境,硬體開發工具是功能豐富的STM32 NUCLEO開發板。軟體工具能夠為客戶和開發人員開發ToF應用,而且便利。從客戶角度看,玻璃蓋板也是開發感測器所需的重要工具。蓋板需要正確的ID,並且ID必須具有必要的應用功能,因此,在使用ST ToF解決方案時,蓋板已成為必須考慮的重要因素。ST與特定協力廠商合作開發的一系列蓋板,相關資訊和設計分享對應用開發非常有益。


結語

一般來說,我們會將ST的ToF解決方案本身稱為EVK(Evaluation Kit)。EVK不僅是評估套件,還有配套的可拆分子板,這使得ST的ToF解決方案可以在小型PCB上使用。此外,客戶和設計人員也發現,透過飛線連接感測器板或從官網下載軟體非常方便、省事、省時。因此,它們確實可以協助客戶加速ToF產品的開發速度,並充分發揮ToF的優勢。


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