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

Capa 1

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.

Figura 1
Figura 1: Tempo entre avistarmos um raio e seu som nos permite saber a que distancia estamos.

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.

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

Figura 2
Figura 2: 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.

Figura 3
Figura 3: Funcionamento do Time-of-Flight

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.

Figura 4
Figura 4: Campo de visão configurável

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.

Figura 5
Figura 5: Esquema de ligação

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.

Figura 6
Figura 6: Download da biblioteca na IDE Arduino

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

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

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WAGNER FERREIRA
WAGNER DE SOUZA FERREIRA
16/03/2021 21:43

Boa noite!!! Como consigo configurar o campo de visão preciso diminuir o campo de visão.

WAGNER FERREIRA
WAGNER FERREIRA
10/03/2021 21:42

Bos Noite estou desenvolvendo um programa com sensor laser de 4m porem
preciso limitar o angulo de visão como consigo alterar o valor pré-definido não onde e como fazer. Estou precisando que este sensor trabalhe dentro de um tubo de 10cm de diametro. Desde já obrigado.

WAGNER FERREIRA
WAGNER DE SOUZA FERREIRA
Reply to  Manoel Francisco Lemos
11/03/2021 20:45

Manuel Boa Noite…
Mas como eu consigo fazer isso eu não sei onde alterar esta matriz para 4×4, vc pode me ajudar desde já obrigado fico no aguardo.

Cleuson
Cleuson
09/03/2021 17:33

Boa tarde, é possível fazer medições em ambiente outdoor com este sensor? vou precisar medir alturas de plantas em locais com a presença de luz solar.
Grato.

Reginaldo Assis
Reginaldo
14/11/2020 08:17

Bom dia, meu caro!
você poderia elaborar um artigo no qual usássemos esse sensor para fazermos o escaneamento de um objeto que girasse e obtivéssemos suas coordenadas 3D num software como o Blender que é gratuito e muito bom por sinal, tal qual ocorreu em filmes de ficção científica. Fica a dica!

Reginaldo Assis
Reginaldo
15/10/2020 13:29

Parabéns, pela matéria!
Montei medidor ultrassônico, que já é legal, imagine com esse módulo utilizando o Laser!

Djan Rosário
Djan
13/10/2020 09:51

O esquema da figura 5 não estaria errado, uma vez que o sensor está ligado nos pinos de analog in do Arduino Uno (A4 e A5), quando deveria ser conectado aos pinos SCL e SDA da placa?

Lahis Almeida
Lahis Almeida
09/10/2020 19:34

Parabéns pelo texto! Ele seria apropriado para medir distâncias dentro de ambientes fechados (potes, tanques, etc) ?

Pedro Henrique Bertoleti
Pedro Bertoleti
Membro
09/10/2020 00:58

Artigo muito legal!

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