嵌入式硬件篇---Tof

TOF 的原理与本质

TOF（Time of Flight，飞行时间）是一种通过测量信号（通常是光）在空间中传播时间来计算距离的技术。其本质是利用 “距离 = 速度 × 时间” 的物理公式：通过发射信号（如激光、红外光），记录信号到达目标并反射回接收器的时间差（Δt），再结合信号传播速度（如光速 c），计算出发射器到目标的距离（d = c × Δt / 2，除以 2 是因为信号往返一次）。

1. 工作原理分类

TOF 技术根据信号测量方式可分为两类，核心差异在于如何计算 “时间差”：

• 直接 TOF（dTOF）：
  直接测量光脉冲从发射到接收的时间间隔。原理：发射极短的光脉冲（如纳秒级激光），接收器通过高精度计时器记录脉冲发出和返回的时刻，直接计算 Δt。
  特点：精度高（毫米级），但对计时电路要求极高（需纳秒级精度），适合中长距离测量（如 10 米以上）。

• 间接 TOF（iTOF）：
  通过测量调制光的相位差间接计算时间。原理：发射被高频信号（如 10MHz）调制的连续光（如红外光），接收器检测反射光与发射光的相位差（Δφ），利用 Δt = Δφ/(2πf)（f 为调制频率）换算时间。
  特点：电路实现简单，成本低，适合短距离（如 10 米以内），广泛用于消费电子。

2. 核心参数

• 量程：可测量的最大距离（如 0.1m~2m、0.5m~10m），不同场景需求差异大（如手机人脸识别只需 0.3m 内，无人机避障可能需要 50m）。
• 精度：测量值与真实值的偏差（如 ±1% FS、±3mm），直接影响应用可靠性（如工业检测需高精度）。
• 刷新率（帧率）：每秒输出距离数据的次数（如 30Hz、100Hz），高刷新率适合快速移动场景（如机器人避障）。
• 视场角（FOV）：可检测的空间角度范围（如 25°×25°），小视场角适合点测距，大视场角可同时检测多个目标（如 3D 成像）。
• 抗干扰性：对环境光（如阳光）、反射率差异（如黑色物体反射弱）的抵抗能力，影响复杂环境下的稳定性。

TOF 的使用场景

TOF 的核心价值是快速、精确地获取距离信息，甚至通过阵列化实现 3D 空间感知，因此应用场景广泛：

1. 消费电子：

   • 智能手机：人脸识别（判断用户与屏幕距离，防止误触）、相机对焦（快速测距辅助对焦）、手势控制（通过 3D 深度感知识别手势）。
   • 平板电脑 / 笔记本：自动调节屏幕亮度（根据用户距离调整）、防窥模式（检测多人观看时模糊屏幕）。

2. 机器人与无人机：

   • 避障：实时测量与障碍物的距离，触发减速或转向（如扫地机器人避开家具、无人机避开树木）。
   • 导航：结合距离数据构建环境地图，实现自主定位（SLAM 技术）。

3. 工业与仓储：

   • 流水线检测：测量产品尺寸、判断是否缺件（如饮料瓶液位检测）。
   • 仓储物流：无人机或 AGV（自动导引车）定位货架位置、测量货物堆叠高度。

4. AR/VR 与安防：

   • AR/VR：通过 3D 深度感知构建真实空间的数字模型，让虚拟物体与现实环境自然交互（如虚拟家具放置在真实房间）。
   • 安防监控：检测异常行为（如有人翻越围墙）、人数统计（通过深度信息区分人体）。

5. 汽车与交通：

   • 自动驾驶：短距离 TOF 用于检测车辆周围障碍物（如行人、其他车辆），辅助紧急制动。
   • 智能停车：测量车位大小与车辆距离，辅助自动泊车。

常用的 TOF 模块

TOF 模块根据应用场景可分为 “单点测距” 和 “3D 成像” 两类，以下是常用型号：

ESP32 驱动 VL53L0X TOF 模块的代码示例

VL53L0X 是 ST 推出的低成本单点 TOF 模块（iTOF），适合入门级测距项目，以下代码演示如何在 ESP32 上通过 I2C 读取其距离数据。

硬件连接

• VCC → ESP32 的 3.3V（VL53L0X 仅支持 3.3V，接 5V 会烧坏）
• GND → ESP32 的 GND
• SCL → ESP32 的 GPIO22（默认 I2C SCL）
• SDA → ESP32 的 GPIO21（默认 I2C SDA）
• XSHUT → 可选（用于模块复位，可不接或接 ESP32 GPIO，此处简化不接）

代码实现（使用 Adafruit_VL53L0X 库）

ESP32读取VL53L0X TOF模块距离数据

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_VL53L0X.h>

// 创建VL53L0X对象
Adafruit_VL53L0X lox = Adafruit_VL53L0X();

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Wire.begin(21, 22); // 初始化I2C（SDA=GPIO21, SCL=GPIO22）

  // 初始化VL53L0X模块
  Serial.println("初始化VL53L0X TOF模块...");
  if (!lox.begin()) {
    Serial.println("初始化失败！请检查接线或模块是否正常");
    while (1); // 初始化失败则死循环
  }
  Serial.println("VL53L0X初始化成功，开始测距...");
}

void loop() {
  VL53L0X_RangingMeasurementData_t measure;
  
  // 触发一次测距
  lox.rangingTest(&measure, false); // false表示不打印调试信息

  // 检查测量是否有效
  if (measure.RangeStatus != VL53L0X_ERROR_NONE) {
    Serial.print("测距错误，状态码：");
    Serial.println(measure.RangeStatus);
  } else {
    // 输出距离（单位：毫米）
    Serial.print("距离：");
    Serial.print(measure.RangeMilliMeter);
    Serial.println(" mm");
  }

  delay(500); // 每500ms测一次
}

代码说明

1. 库依赖：使用Adafruit_VL53L0X库简化模块操作，需在 Arduino IDE 中通过 “库管理器” 安装（搜索 “Adafruit VL53L0X”）。
2. 初始化：通过lox.begin()初始化模块，失败则提示错误（常见原因：接线错误、模块损坏、I2C 地址冲突）。
3. 测距过程：lox.rangingTest()触发测距，结果存储在measure结构体中，包括距离值（RangeMilliMeter）和状态码（RangeStatus）。
4. 状态码说明：VL53L0X_ERROR_NONE表示测量有效；其他值（如VL53L0X_ERROR_OUT_OF_RANGE）表示超出量程或异常。

进阶优化

• 调整测距模式：VL53L0X 支持 “短距离高精度”（默认，0.05~1.3m）和 “长距离”（0.5~2m）模式，可通过setMeasurementTimingBudget()修改测量时间（时间越长精度越高，刷新率越低）。
• 抗干扰处理：对连续多次测量结果取平均值，过滤突发误差（如环境光干扰导致的跳变）。
• 多模块组网：若需多个 VL53L0X，可通过 XSHUT 引脚单独控制每个模块的复位，修改 I2C 地址（默认 0x29）避免冲突。

TOF 与其他测距技术的对比

TOF 凭借 “高精度 + 高速度” 的优势，正在逐步替代传统测距技术，成为主流的距离感知方案。