اتصال سنسور لایدار TFMini-S LiDAR به آردوینو

خودروی خودران بزرگ‌ترین هدیه فناوری به تمدن بشری از زمان تولد اینترنت است. تنها مسئله زمان است تا این خودروها جاده‌ها را کاملاً در اختیار بگیرند.

برای اینکه یک خودروی خودران بتواند با موفقیت در مسیر حرکت کند، باید از اجسام فیزیکی اطراف خود آگاه باشد. این قابلیت به لطف سنسور LiDAR چرخان که روی سقف خودرو نصب می‌شود فراهم شده است؛ این سنسور نمایی سه‌بعدی از مسیر اطراف خودرو تولید می‌کند.

یکی از سنسورهای LiDAR کم‌هزینه و درعین‌حال دقیق که به‌طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد، ماژول TFMini-S است. این سنسور با طراحی کوچک، عملکرد بسیار خوبی در اندازه‌گیری فواصل با دقت بالا دارد.

در این آموزش، نحوه‌ی راه‌اندازی و اتصال ماژول TFMini-S به برد آردوینو جهت انجام اندازه‌گیری فاصله با دقت بالا آموزش داده خواهد شد. پیش از آن، شناخت اصول پایه‌ای فناوری LiDAR کمک می‌کند تا بهتر با عملکرد سیستم آشنا شوید.

LiDAR چیست و چگونه کار می‌کند؟

کلمه LiDAR ترکیبی از دو واژه‌ی “Light” و “RADAR” است یا به عبارتی مخفف “Light Detection And Ranging”. LiDAR مشابه رادار عمل می‌کند با این تفاوت که به‌جای امواج رادیویی از نور (لیزر) استفاده می‌نماید.

در اصل، LiDAR با شلیک یک پرتو لیزر به سمت یک جسم کار می‌کند. این پرتو پس از برخورد با جسم، به سمت سنسور بازمی‌گردد. با اندازه‌گیری مدت‌زمانی که طول می‌کشد تا نور به سنسور بازگردد، فاصله تا جسم تخمین زده می‌شود. البته این فاصله بسته به شرایط محیطی و میزان بازتابندگی سطح جسم ممکن است متفاوت باشد.

با چرخش یا جاروب سنسور LiDAR، می‌توان نقشه‌ای سه‌بعدی از محیط اطراف به‌سرعت ایجاد کرد. معمولاً خروجی این پردازش به‌صورت “ابر نقطه‌ای” (Point Cloud) نمایش داده می‌شود تا درک بهتری از اطلاعات دریافتی از سنسور فراهم گردد.

تاریخچه مختصر LiDAR

LiDAR تکنولوژی جدیدی نیست؛ در واقع، بلافاصله پس از توسعه لیزر، مفهوم اولیه آن شکل گرفت. نخستین مطالعات مستند در رابطه با LiDAR به سال 1963 بازمی‌گردد. اما به دلیل هزینه بالای تجهیزات لیزری، این فناوری تا مدت‌ها فقط در اختیار سازمان‌های نظامی و دولتی بود.

با این حال، کاهش چشمگیر قیمت‌ها در سال‌های اخیر باعث شده است که علاقه‌مندان و توسعه‌دهندگان مستقل نیز بتوانند از این فناوری در پروژه‌های شخصی استفاده کنند.

معرفی TFMini-S

ماژول TFMini-S یک سنسور LiDAR دقیق و تک‌نقطه‌ای از نوع ToF (Time of Flight) است که توسط شرکت Benewake (واقع در پکن) تولید شده است. این ماژول گزینه‌ای عالی برای افزودن قابلیت اندازه‌گیری فاصله مبتنی بر لیزر با دقت بالا به انواع پروژه‌های رباتیک و تعاملی به شمار می‌رود.

با اندازه‌ای معادل یک فلش USB، ماژول TFMini-S امکان استفاده از فناوری LiDAR را در پروژه‌هایی فراهم می‌کند که قبلاً به سنسورهای کوچک‌تری مانند سری GP از سنسورهای مادون قرمز SHARP محدود بودند.

ماژول TFMini-S قادر است فاصله اشیاء را از ۱۰ سانتی‌متر تا ۱۲ متر اندازه‌گیری کند.

علاوه بر قیمت پایین، اندازه کوچک و برد زیاد، این سنسور دارای دقت بالاتری در اندازه‌گیری فاصله است:

• ±6 سانتی‌متر تا فاصله 6 متر
• ±1 درصد برای فواصل بیشتر از 6 متر

محدوده تشخیص مؤثر

مانند تمامی سنسورهای LiDAR، محدوده تشخیص مؤثر TFMini-S به عوامل محیطی مانند نور، شرایط آب و هوایی و بازتابندگی جسم هدف بستگی دارد.

نمودار زیر محدوده عملکرد این سنسور را در شرایط مختلف نشان می‌دهد:

• فاصله 0 تا 10 سانتی‌متر محدوده کور سنسور است و داده‌های دریافتی در این بازه غیرقابل‌اعتماد هستند.
• در شرایط محیطی شدید (مانند نور شدید خورشید در ظهر تابستان با شدت روشنایی حدود 100,000 لوکس) و با هدف تیره (بازتابندگی 10 درصد)، محدوده عملکرد سنسور بین 0.1 تا 3 متر خواهد بود.
• در نور معمولی خورشید با شدت روشنایی حدود 70,000 لوکس، محدوده عملکرد 0.1 تا 7 متر است.
• در محیط داخلی یا نور کم محیطی، سنسور TFMini-S می‌تواند در محدوده 0.1 تا 12 متر با دقت بالا عمل کند.

رابط‌های ارتباطی

ماژول TFMini-S به‌صورت پیش‌فرض از طریق رابط UART با نرخ 115200 بیت بر ثانیه ارتباط برقرار می‌کند. برای برقراری ارتباط از طریق I2C نیز می‌توان با ارسال دستورات مناسب، حالت کاری آن را تغییر داد.

فرکانس اندازه‌گیری

بر اساس دیتاشیت، این سنسور می‌تواند تا 1000 اندازه‌گیری در ثانیه انجام دهد (مقدار پیش‌فرض 100 است). این مقدار قابل تنظیم است.

توجه داشته باشید که با افزایش فرکانس خروجی، دقت اندازه‌گیری کاهش می‌یابد. بنابراین، باید بسته به نیاز پروژه، فرکانس را انتخاب کنید.

ولتاژ ورودی و مصرف برق

طبق مشخصات فنی، TFMini-S با ولتاژ 5 ولت تغذیه می‌شود و جریان مصرفی آن در حالت معمولی حدود 140 میلی‌آمپر و در اوج تا 200 میلی‌آمپر می‌رسد.

در تست‌های عملی، جریان مصرفی سنسور حدود 70 میلی‌آمپر بوده است. بنابراین اگر از آردوینو 5 ولتی به همراه مبدل سطح منطقی استفاده کنید، مجموع جریان مصرفی سیستم حدود 100 میلی‌آمپر خواهد بود. در نتیجه، می‌توان آن را مستقیماً از طریق پورت USB (5V/500mA) تغذیه کرد.

نکته مهم: این سنسور فاقد حفاظت در برابر افزایش ولتاژ است. بنابراین نوسانات ولتاژ منبع تغذیه نباید بیشتر از ±0.1V باشد.

سطوح منطقی ورودی/خروجی

اگرچه این سنسور با ولتاژ 5 ولت تغذیه می‌شود، اما پایه‌های I/O آن با منطق 3.3 ولت کار می‌کنند. بنابراین، هنگام استفاده از میکروکنترلر 5 ولتی، توصیه می‌شود از مبدل سطح ولتاژ (Logic Level Converter) استفاده شود.

با این حال، در حالت فقط خواندن (UART Mode)، استفاده از مبدل سطح منطقی ضروری نیست؛ زیرا خروجی‌های 3.3 ولتی همچنان برای میکروکنترلرهای 5 ولتی قابل شناسایی هستند.

مشخصات فنی

• محدوده تشخیص: 10 سانتی‌متر تا 12 متر
• دقت اندازه‌گیری: ±6cm تا 6m، و ±1% در فواصل بیشتر
• رزولوشن: 1 سانتی‌متر
• ولتاژ ورودی: 5V
• سطح منطقی UART: 3.3V
• جریان مصرفی: میانگین 140mA، حداکثر 800mA
• فرکانس تشخیص: از 1 تا 1000 اندازه‌گیری در ثانیه (قابل تنظیم)
• طول‌موج نور: 850nm
• زاویه دید: 2.3 درجه
• رابط‌های ارتباطی: UART و I2C
• نرخ انتقال دیتا: 115200 بیت بر ثانیه

برای اطلاعات دقیق‌تر می‌توانید به دیتاشیت رسمی سنسور TFMini-S مراجعه نمایید.

پین های سنسور لایدار TFMini-S

سنسور TFMini-S دارای چهار پایه به شرح زیر است:

• GND: پایه زمین
• VCC: پایه تغذیه. فقط به منبع 5V متصل شود
• RXD/SDA: در حالت UART برای ارسال داده به سنسور و در حالت I2C برای ارسال/دریافت داده استفاده می‌شود (سطح منطقی 3.3V)
• TXD/SCL: در حالت UART برای ارسال داده از سنسور به میکروکنترلر و در حالت I2C به‌عنوان پین ساعت (Clock) عمل می‌کند (سطح منطقی 3.3V)

اتصال سنسور TFMini-S به آردوینو

اتصال این سنسور به آردوینو بسیار ساده است و فقط به چهار سیم نیاز دارد:

1. سیم قرمز (VCC) سنسور را به پایه 5V آردوینو متصل کنید.
2. سیم مشکی (GND) سنسور را به پایه GND آردوینو وصل کنید.
3. سیم سفید (RXD/SDA) را به پایه دیجیتال 3 آردوینو متصل کنید.
4. سیم سبز (TXD/SCL) را به پایه دیجیتال 2 آردوینو وصل کنید. (در این پروژه از UART نرم‌افزاری استفاده می‌شود)

کد نمونه آردوینو برای سنسور LiDAR

حالا که همه چیز را وصل کردیم، بیایید یک طرح ساده برای نشان دادن قابلیت‌های حسگر TFMini-S اجرا کنیم. کد کامل در فایل دانلودی انتهای صفحه قرار داده شده است.

پس از آپلود کد، مانیتور سریال خود را باز کنید و نرخ انتقال داده را روی 9600 بیت بر ثانیه تنظیم کنید. سعی کنید سنسور را به سمت اشیاء اطراف خود بگیرید. باید ببینید که فاصله اندازه‌گیری شده شروع به پخش شدن می‌کند.

اگر هیچ اطلاعاتی نمایش داده نمی‌شود، مطمئن شوید که TFmini-S به درستی متصل شده است؛ وقتی روشن است، باید یک چراغ قرمز در داخل لنز فرستنده از روبرو قابل مشاهده باشد.

نرم‌افزار TFMini

نرم‌افزار TFMini ابزاری قدرتمند برای آزمایش حسگرهای TFMini است. این ابزار رایگان است، اما فقط در پلتفرم ویندوز قابل استفاده است.

می‌توانید این برنامه را از وب‌سایت رسمی Benewake دانلود کنید.

برای استفاده از نرم‌افزار TFMini، TFMini-S خود را با استفاده از مبدل USB به TTL به رایانه شخصی خود متصل کنید. فقط مطمئن شوید که 5 ولت برای VCC فراهم می‌کنید.

خود نرم‌افزار به صورت یک بسته RAR پورتابل ارائه می‌شود. آن را دانلود کنید و در پوشه دلخواه خود استخراج کنید. سپس فایل WINCC_TF.exe را اجرا کنید.

برنامه مطابق شکل زیر شروع به کار خواهد کرد.

بخش تنظیمات را پیدا کنید و TFMiniS را برای نوع محصول انتخاب کنید. سپس، پورت COM که TFMini-S به آن متصل است را انتخاب کنید. در نهایت، دکمه Connect را فشار دهید.

پس از اتصال دستگاه، برنامه شروع به نمایش شکل موج فاصله بر حسب زمان در بخش «نمودار خط زمان» می‌کند. در زیر، بخش «داده‌های زمان واقعی» فاصله فعلی (Dist)، تعداد نقاط داده مؤثر در ثانیه (Effective Points) و قدرت سیگنال (Strength) را نمایش می‌دهد.

برای دانلود فایل ها باید حساب کاربری داشته باشید ثبت نام / ورود