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使用使用 ToF 传感器进行距离测量和手势识别的基本原理传感器进行距离测量和手势识别的基本原理
很多应用需要在不接触实际物体的情况下,感测物体的存在或距离。这种接近感应需求催生了众多竞争性解决
方案,包括光学飞行时间 (ToF) 传感器。虽然这些传感器非常精确,但其成本一直非常昂贵,并且实施复杂;
不过最近的解决方案已经显著简化了此类技术的使用。
很多应用需要在不接触实际物体的情况下,感测物体的存在或距离。这种接近感应需求催生了众多竞争性解决方案,包括光学
飞行时间 (ToF)传感器。虽然这些传感器非常精确,但其成本一直非常昂贵,并且实施复杂;不过最近的解决方案已经显著简
化了此类技术的使用。
使用接近感应的产品列表包括相机自动对焦系统、机器人和无人机、各种浴室装置,以及自动门的门禁传感器。这里只是举了
几个例子,此类产品列表还在不断扩大。竞争性的接近感应技术首先是简单的红外线和超声波传感器,再逐渐发展到更复杂的
传感器系统,例如使用神经网络的立体视频摄像机。
所有这些技术都存在局限性,并且可能需要人工智能来实施复杂任务,例如自主驾驶车辆的对象识别和跟踪,但对于分配纸巾
和肥皂这样的任务,这些技术又显得大材小用了。设计人员面临着不断缩紧的预算和日益紧迫的设计时间窗口,他们需要最大
程度地减少成本、空间和设计时间。
一种替代型接近感应解决方案是 ToF 传感器。它们通过测量光子从传感器发射到物体并反射回来的往返时间,测量与目标物
体之间的距离。截止目前,一直是很难以低成本快速地实施 ToF 设计,但新一代高度集成的低成本 ToF 传感器让我们能够将
高度精确的非接触式感应技术带入低成本设计中。
本文将讨论包括 ToF 传感器在内的距离测量技术在各种距离感测和手势识别应用中的演进和使用情况。接着,本文将描述
ToF 传感器技术的工作原理,最后还将介绍一些最新的解决方案及其入门使用方法。
早期的接近传感器
1972 年推出的宝丽来 SX-70 即拍即得相机采用了众多创新技术,其中包括一种三反光学设计折叠了扁平的 Fresnel 镜头、一
个扁平 6 伏电池内置在即时胶片封装中,以及一个十次使用的 Flash Bar 闪光灯。但是,宝丽来在 SX-70 中引入的一种影响
最大的技术莫过于 Sonar 自动对焦系统。这种系统最初出现在 1978 年推出的宝丽来 SONAR OneStep 相机中(图 1)。
SONAR 自动对焦系统采用了创新的超声波传感器,既可用于发射超声波测距脉冲,又可用于接收反射的超声波能量。
图 1:宝丽来 SONAR OneStep SX-70 相机采用了超声波传感器(相机顶部的大金色圆圈)来实现自动对焦测距。(图片来
源:维基百科)
SONAR 的超声波传感器取得了极大成功,宝丽来为该传感器设立了专门业务,直至今日,宝丽来超声波自动对焦传感器仍然
有着巨大影响。例如,价格低廉的SparkFunSEN-13959HRC-SR04 超声波测距模块是一款距离传感器,采用单独的传输和接
收传感器(图 2)。该传感器可由Arduino开发板直接驱动。其测距范围在 2 至 400 厘米 (cm) 之间,能够进行无接触的近距离
测量,最小分辨率为 3 毫米 (mm)。
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x_jiali
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