飞行时间传感器：技术原理与多元应用

如果你对飞行时间不了解，别担心，你来对地方了。

飞行时间一词几乎就是字面意思，只不过飞行的对象是波长为940纳米，肉眼完全不可见的“光子”。

我们发出一束激光；光子撞击某个物体并反弹回来。当光子反弹回来时，我们停止计时，获得光飞行时长，借此确定物体与我们之间的距离（以毫米为单位）。这项技术被称为光飞行时间距离测量（flight sense），该技术功耗相对较低，远远低于相机。

飞行时间的概念很简单，您只需要使用一个小模块便可轻松将这个“简单”的技术应用在您的方案中。而这个模块本身并不简单，不仅仅是一片封装在塑料容器中的芯片，还包括了一些光学元件。

典型的飞行时间模块通常采用以下结构：

首先，由VCSEL激光器发射波长为940纳米完全不可见的红外光，该红外光具有1级安全认证。

发出去的光子经由Tx镜头扩散出去，击中物体后反射回来，进入器件的接收端，穿过单光子雪崩二极管阵列（SPAD receiver），以达到计算光子飞行时间而精确测距。激光发射器与接收器两者之间，有一个完整的SOC系统，它可以完美控制发射激光并收集（integration）反射回来的光子并加以计算处理实现精确测距。

一旦测距完成，触发中断通知主系统测距任务已完成，主系统就可以通过I2C或者SPI接口读取测距结果了，所有的功能在激光器件模块中完成。

应用场景

意法半导体目前主推的飞行时间传感器包括VL53L5CX、L7CX和L8CX三款，我们将在另外的文章中分析他们的技术异同和各自优势。现在让我们看看他们主要的使用场景。

手势识别

你可以使用ST的任何一款多区飞行时间传感器实现这一功能。通过每一瞬间记录你手的位置，微控制器就能确定手势的运动轨迹，并以20HZ的频率，上报精确的手势检测结果。

这对于恒温器而言非常方便。您只需轻轻敲击或滑动，便能进行控制。挥挥手，就能开启或者改变一个功能。您还可以使用手势控制服务机器人、智能音箱，甚至在AR中操作。

手势指令也可以用于安保，当探测到靠近者并使用手势时，将触发相应功能，比如挥一挥手，电梯门便打开。想象一下，当机器人和其他设备都能通过手势控制，那将多么酷炫！无需触摸任何东西，不仅更卫生，而且更安全。

观看一下，当同事举起手做出各自手势时，计算机通过AI技术来识别他的手势。传感器本身并不执行此项工作，传感器提供距离、信号强度、环境光强度，测距状态等信息给人工智能算法，而这一算法则能识别各种手势，如大拇指朝上、大拇指朝下以及双大拇指朝上等。

这确实是一个聪明的应用，一旦您意识到它的能力，就可以无限延伸到其他场景中。

存在探测 Presence Detection

节能：您可以利用传感器探测是否有人站在物体前方。以恒温器为例，您可以通过检测到无人使用时不给小型LCD屏幕供电来节省大量能量（尽管本身能耗已较低）。只要有人站在前方，小屏幕便会亮起并开始接受指令。

安全：这种功能也可应用于自动提款机，不仅能够节约能源（仅在屏幕前有人时亮屏），还能提高安全性。例如，在用户输入密码时，传感器可以看到用户肩后是否有可疑人员偷窥。

便捷：将检测对象转为车辆时，当你驶入停车场时能获知附近停车位的数量将非常有用。

此外，还有许多其他应用，例如体育或游戏计分，无需摇晃门把手即可确定厕所门内是否有人等等。

只用一个传感器就能实现6大功能：

1. 悬崖预测———探测到悬崖/边缘就会停下来转弯。

2. 地面感应———地面材质检测，帮助机器人决定清理范围以及清理模式。

3. 小物体检测———智能避障

4. 碰撞回避———避障

5. 板顶检测（Ceiling detection）————确定机器人是否能够自如穿梭而不被卡住。

6. 辅助安全返回充电桩（Safe docking assist）

如果同时采用多个传感器，可以巧妙地实现定位和追踪墙面等各种功能。

液位监测 Liquid Level Monitoring

液位监测是非常常见的应用领域，通常液体监测的难点在于凡是垂直入射到水中的光子，大部分会立即返回，而其他光子则会在水中反弹射、散射，导致测量结果往往不准确。我们采取的应对之策则是观察返回信号的强度。

图1

图2

请注意中间图形中用深红色圈起来的部分，图1中的5006表示该区域的光子返回强度超过其他区域。

图2中77号绿色图形表示与液体的距离，其他数字都比较随机，只有高信号强度的数字比较接近，才能准确确定测量区域。其他数字都只是随机噪声。

但这个应用不局限于L5CX、L7CX或L8CX，而是取决于你想用哪个传感器，您的水箱有多大以及其他各种因素。总有一种传感器可以满足你的使用场景。

这个传感器不具有侵入性，体积小，可以节省时间和金钱，并且与计算机连接，可以运行数据。

内容物管理/计数 content management

在一个垃圾车里装上飞行时间传感器，当测量到垃圾桶装满再开走垃圾车，时间刚刚好。如果在卡车上安装足够多的飞行时间传感器，就能知道后备箱里的剩余空间，是否有东西移动或移位。

当然，如果将L5换成L7，就可以进一步扩大光照范围，使用的传感器数量也会减少。

其他应用可以大到在仓库中，俯视货架上的商店，查看货架库存，统计进出数量；小到在咖啡机上检测咖啡杯是否就位等等。

目前意法半导体的ToF传感器已经更新到第4代，我们的测量范围从10厘米逐渐延伸至4米。我们还在持续拓展，继续变强。我们已经售出8万套评估套件，400多个设备已经进入市场，这还不包括应用了这项技术的数不清的手机