ToF senzor vzdialenosti

Autori:	Matúš Hutár , Matej Kubala
Študijný odbor:	Aplikovaná mechatronika	1. Ing. Letný semester (2019)

Zadanie

• Úlohou je naštudovať princíp senzora ToF ( Time of Flight), presnejšie senzor VL53L1X.
• Vyčítať z neho potrebné dáta na určenie vzdialenosti a následne vytvoriť vizualizačnú aplikáciu.

Hardware

1. Arduino UNO PLUS

• Mikrokontrolér vyvinutý a vyrobený firmou Waveshare, využívajúci ATMEGA328P-AU.
• Výhody oproti klasickému Arduinu UNO sú, že dokáže využívať 5V aj 3V3 logiku.
• Využíva Micro USB konektor namiesto USB B.

Obr. 1: Arduino UNO PLUS

1. ATMEGA328P-AU
2. AMS1117-3.3 : 3.3V voltage regulator
3. NCP1117ST50T3G : 5V voltage regulator
4. FT232RL : USB to UART convertor
5. Arduino interface
6. ICSP interface
7. MICRO USB connector
8. Power output header
9. FT232 pins
10. DC input : 7V ~ 12V
11. Reset button
12. Power indicator
13. Serial port Rx/Tx indicator
14. User LED
15. 500mA fast self-recovery fuse
16. Power configuration
17. Bootloader selection switch

• Rozloženie pinov

2. Time of Flight VL53L1X

VL53L1X je najmodernejším laserovým snímačom, ktorý vylepšuje produktovú radu ST FlightSense ™. Je to najrýchlejší miniatúrny senzor Time of Flight na trhu s presným dosahom do 4 m a rýchlou frekvenciou do 50 Hz.Na rozdiel od bežných IR snímačov využíva najnovšiu technológiu ToF od spoločnosti ST Microelectronics, ktorá umožňuje meranie absolútnej vzdialenosti bez ohľadu na cieľovú farbu a odrazivosť.

• Využitie TOF senzorov:

ToF kamery sa používajú v asistenčných a bezpečnostných funkciách pre pokročilé automobilové aplikácie, ako je aktívna bezpečnosť chodcov, detekcia kolízií. Kamery poskytujú obraz vzdialenosti v reálnom čase a preto je ľahké sledovať pohyby ľudí. To umožňuje nové interakcie so spotrebiteľskými zariadeniami, ako sú televízory, konzoly ako Xbox a Playstastion. Ďalším použitím týchto kamier je oblasť robotiky: Mobilné roboty môžu veľmi rýchlo vybudovať mapu svojho okolia, čo im umožní vyhnúť sa prekážkam alebo sledovať vedúcu osobu. Keďže výpočet vzdialenosti je jednoduchý, používa sa len malý výpočtový výkon.

• Rozloženie pinou a ich vlastnosti

• základné informácie o senzore:

Literatúra:

• Datasheet senzora VL53L1X
• Datasheet ATmega328P

Analýza

V tejto časti popíšete ako idete daný problém riešiť. Uvediete sem aj všetky potrebné technické údaje, ktoré sú potrebné na úspešné vyriešenie projektu. Napríklad:

• popis komunikačnej zbernice (i2c, 1-wire, RS-232 a pod.)
• obrázok zapojenia vývodov použitej súčiastky
• odkaz na katalógový list
• priebehy dôležitých signálov
• este jedna polozka

Popis riešenia

Sem opíšete ako konkrétne ste problém vyriešili. Začnite popisom pripojenia k procesoru (nezabudnite na schému zapojenia!) a zdôraznite ktoré jeho periférie ste pritom využili.

Schéma zapojenia snímača

Súbor:Example.jpg

Pozn.: Názov obrázku musí byť jedinečný, uvedomte si, že Obr1.jpg už pred vami skúsilo nahrať už aspoň 10 študentov.

Algoritmus a program

Algoritmus je rozdelený do niekoľkých krokov. V prvom rade je nutné vyčítať hodnoty vzdialenosti z ToF senzoru a následne ich posielať do počítača po sériovej linke. Táto časť je realizovaná v Arduino, pričom na programovanie sme využili jazyk Wiring v programovacom prostredí Arduino IDE verzie 1.8.8. Druhá časť spočíva v čítaní prichádzajúcich údajov zo sériovej linky a adekvátne zobrazovanie týchto údajov. Táto časť je realizovaná v počítači, pročom na programovanie sme využili jazyk Processing a programovacie prostredie Processing 3.5.3.

Pre lepšie pochopenie komunikačných kanálov uvádzame jednoduchý diagram.

Samtotný program pre Adruino sa skladá z inicializácie objektu senzora a nastavenie potrebných parametrov pre tento objekt a tiež inicializácie I2C a sériovej komunikácie. V nekonečnom cykle sa nachádza vyčítanie hodnoty vzdialenosti zo senzora a posielanie tejto hodnoty po sériovej linke.

VL53L1X sensor;                               // definovanie objektu senzora

void setup()
{
  Serial.begin(115200);                      //inicializacia seriovej komunikacie
  Wire.begin();                              // inicializacia I2C komunikacie
  Wire.setClock(400000);                     // nastavenie frekvencie 400 kHz pre I2C

  if (!sensor.init())                        // inicializacia senzora
  {
    // neuspesna inicializacia sa prejavy chybovym hlasenim
    Serial.println("Failed to detect and initialize sensor!");
    while (1);
  }
  
  sensor.setDistanceMode(VL53L1X::Long);     // nastavenie modu "rozsahu merania"
  sensor.setMeasurementTimingBudget(50000);  // nastavenie casoveho rozostupu merani
  sensor.setAddress(0x29);                   // nastavenie I2C adresy senzora
  sensor.startContinuous(50);                // zacatie merania v intervale kazdych 50 ms
}

void loop()
{
  int x = sensor.read();                    // inicializacia premennej pre uchovanie vycitanej hodnoty (int)
  Serial.println(x);                        // posielanie vycitanej hodnoty cez seriovu linku
}

Programová časť pre zobrazovanie údajov v počítači pozostáva z definovania obrazovky na vykresľovanie a inicializácie sériového portu. Vo funkcii 'serialEvent' sa nachádzajú príkazy, ktoré sa vykonajú vždy, keď sa objaví nová hodnota na sériovom porte. Sú tu príkazy na rozpoznanie prichádzajúcich znakov a prevod týchto znakov na číslo, ktoré reprezentuje prečítanú vzdialenosť zo senzora. Nakoniec sa vo funkcii 'draw' vykresluje aktuálne číslo, teda vzdialenosť, ako aj jeho grafická reprezentácia v podobe polohy bieleho obdĺžnika.

Z uvedeného uvádzame ukážku prevodu znakov na samotné číslo.

void serialEvent(Serial port) {
  count++;                                                  // zvysenie pomocnej hodnoty o 1
  myChar = port.readChar();                                 // vycitanie aktualneho znaku zo serioveho portu
  x=Character.getNumericValue(myChar);                      // zmena char -> int aktualneho znaku
  if (x == -1){                                             // ak prichadzajuci znak nie je ciselna hodnota  (je to napr "/n")
    count = 0;                                              // resetovanie pomocnej premennej
    println(cislo);                                         // vypis cisla do konzoly
    cislo = 0;                                              // vynulovanie cisla
  }
  
  // v tejto podmienke sa z jednotlivych cifier cisla stane samotne cislo
  
  if (count != 0) {
      cislo = cislo+x;
      cislo = cislo*10;
  }
  
  //  v tejto podmienke sa zmapuje aktualna hodnota cisla do intervali 0-1
  //  na nasledne graficke zobrazenie
  
  if ((cislo != 0) && (count == 0)){
    x_maped=map(cislo,0,2200,0,1);
  }
}

Zdrojový kód: tof_arduino.ino a tof_processing.pde

Overenie

Nezabudnite napísať čosi ako užívateľský návod. Z neho by malo byť jasné čo program robí, ako sa prejavuje a aké má užívateľské rozhranie (čo treba stlačiť, čo sa kde zobrazuje). Ak ste namerali nejaké signály, sem s nimi. Ak je výsledkom nejaký údaj na displeji, odfotografujte ho.

Kľúčové slová 'Category', ktoré sú na konci stránky nemeňte.

Späť na zoznam projektov...