Sensor de distância a laser – Time-of-Fligth(ToF)

Em suas aventuras no mundo da eletrônica, já deve ter se deparado com um desafio onde era necessário medir a distância de algum objeto para a realização de alguma tarefa.

O conceito do Time-of-Fligth(ToF) consiste em medir o tempo que um sinal gasta transitando entre dois pontos, a fim de estimar a distância entre eles.

Por exemplo, quando avistamos um raio, é possível estimar a distância dele até nós porque o som possui velocidade menor que a luz. Como a velocidade do som no ar é de aproximadamente 340 m/s, cada 1 segundo que se passa entre o raio e o som do trovão equivale a 340 metros de distância. Ou seja, se o som do trovão é ouvido 5 segundos após avistarmos o raio quer dizer que ele estava a 1,7 quilômetros de distância.

Este princípio é utilizado nos sensores ultrassônicos onde o sinal é emitido por um alto-falante e ao atingir um objeto é refletido de volta ao sensor e captado por um microfone. Utilizando a fórmula abaixo estimamos a distância do objeto com base no tempo gasto para o som retornar ao sensor.

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D = V*T/2 (Distância = Velocidade do som no ar * tempo / 2)

Outra forma de medir distância utilizando a técnica ToF é emitir um feixe de raio laser e medir o tempo que a luz gasta para atingir o objeto e retornar ao sensor. 

Parece complexo devido à alta velocidade que a luz se desloca, mas é exatamente a proposta do sensor VL53L1X que é o foco deste artigo.

Sensor VL53L1X

A ST Microelectronics possui uma família de sensores de proximidade que utiliza a tecnologia FlightSense™. Esta tecnologia consiste em um emissor de raio laser infravermelho, invisível aos olhos humanos, e uma matriz de recepção denominada SPAD (Single Photon Avalanche Diode) que detecta o primeiro fóton proveniente da reflexão no objeto, garantindo um bom alcance e confiabilidade.

Com alcance configurável que pode chegar a até 4 metros de distância, é possível realizar 50 medidas por segundo. Ideal para aplicações onde os objetos estejam em movimento.

Uma facilidade deste sensor é que o microcontrolador não precisa ser ocupado para medir o tempo de retorno do feixe de laser, que é uma das fontes de erro na medida dos sensores ultrassónicos. Nesse caso, o próprio sensor faz o registro do tempo e envia para o microcontrolador a distância medida através da comunicação i2c.

Outra característica interessante é que o sensor não possui apenas um receptor, e sim uma matriz de 16×16 diodos receptores. Que possibilita escolher uma região de interesse (ROI – region of interest) a fim de reduzir o campo de visão (FoV – Field of View) de 27 para 15 graus e fazer uma medida mais pontual.

Mão na massa

Hora de utilizar o sensor na prática. Utilizaremos a plataforma Arduino para este exemplo. Inicialmente utilizaremos apenas os pinos de alimentação e comunicação, mas quando você estudar mais a fundo o sensor poderá utilizar os pinos XSHUT para desligar o sensor e economizar energia em aplicações que utilizem bateria, e GPIO1 que pode ser configurado com diversas interrupções. 

Importante: Observe que este sensor é alimentado com 3,3 volt.

No software do Arduino (IDE) baixe a biblioteca para o sensor através do menu Sketch, Incluir Bibliotecas, Gerenciar Bibliotecas. No campo de pesquisa procure por VL53L1X e instale a biblioteca disponibilizada pela Pololu conforme a figura 6.

O código abaixo configura o sensor para medir a uma distância de até 4 metros e escrever no terminal serial a cada 100 milissegundos.

#include <Wire.h>
#include <VL53L1X.h>

VL53L1X sensor;

void setup()
{
  //Inicializa comunicação i2c com clock de 400KHz
  Wire.begin();
  Wire.setClock(400000);

  //Inicializa a comunicação serial para podermos visualizar os dados no terminal serial
  Serial.begin(115200);

  //Inicializa o sensor VL53L1X
  if (!sensor.init())
  {
    Serial.println("Erro: Sensor não encontrado.");
    while(1);
  }

  //COnfigura tempo maximo de resposta do sensor
  sensor.setTimeout(500);
  
  //Configurar o sensor de distancia para o modo de longa distancia para detecção até 4 metros
  sensor.setDistanceMode(VL53L1X::Long);
  
  //Configura o tempo de amostragem do sinal, no caso 50mS (50000uS)
  sensor.setMeasurementTimingBudget(50000);
  
  //Inicializa o modo de operação continua realizando uma medição a cada 100mS
  sensor.startContinuous(100);
}

void loop()
{
  int distancia;
  //Realiza a leitura do sensor e exibe a distancia no terminal serial
  distancia = sensor.read();
  Serial.print("Distancia: ");
  Serial.print(distancia);
  Serial.println("mm");
}

Conclusão

O sensor VL53L1X é uma alternativa a ser considerada aos famosos sensores ultrassônicos de distância, oferecendo alta precisão com grande range de medição. Outras vantagens são seu tamanho reduzido e região de interesse configurável, possibilitando restringir o ponto focal e desenvolver outras aplicações além da medida de distância.

Referências

https://www.st.com/en/imaging-and-photonics-solutions/vl53l1x.html

https://www.pololu.com/product/3415