TOF 的原理與本質

TOF（Time of Flight，飛行時間）是一種通過測量信號（通常是光）在空間中傳播時間來計算距離的技術。其本質是利用 “距離 = 速度 × 時間” 的物理公式：通過發射信號（如激光、紅外光），記錄信號到達目標并反射回接收器的時間差（Δt），再結合信號傳播速度（如光速 c），計算出發射器到目標的距離（d = c × Δt / 2，除以 2 是因為信號往返一次）。

1. 工作原理分類

TOF 技術根據信號測量方式可分為兩類，核心差異在于如何計算 “時間差”：

• 直接 TOF（dTOF）：
  直接測量光脈沖從發射到接收的時間間隔。原理：發射極短的光脈沖（如納秒級激光），接收器通過高精度計時器記錄脈沖發出和返回的時刻，直接計算 Δt。
  特點：精度高（毫米級），但對計時電路要求極高（需納秒級精度），適合中長距離測量（如 10 米以上）。

• 間接 TOF（iTOF）：
  通過測量調制光的相位差間接計算時間。原理：發射被高頻信號（如 10MHz）調制的連續光（如紅外光），接收器檢測反射光與發射光的相位差（Δφ），利用 Δt = Δφ/(2πf)（f 為調制頻率）換算時間。
  特點：電路實現簡單，成本低，適合短距離（如 10 米以內），廣泛用于消費電子。

2. 核心參數

• 量程：可測量的最大距離（如 0.1m~2m、0.5m~10m），不同場景需求差異大（如手機人臉識別只需 0.3m 內，無人機避障可能需要 50m）。
• 精度：測量值與真實值的偏差（如 ±1% FS、±3mm），直接影響應用可靠性（如工業檢測需高精度）。
• 刷新率（幀率）：每秒輸出距離數據的次數（如 30Hz、100Hz），高刷新率適合快速移動場景（如機器人避障）。
• 視場角（FOV）：可檢測的空間角度范圍（如 25°×25°），小視場角適合點測距，大視場角可同時檢測多個目標（如 3D 成像）。
• 抗干擾性：對環境光（如陽光）、反射率差異（如黑色物體反射弱）的抵抗能力，影響復雜環境下的穩定性。

TOF 的使用場景

TOF 的核心價值是快速、精確地獲取距離信息，甚至通過陣列化實現 3D 空間感知，因此應用場景廣泛：

1. 消費電子：

   • 智能手機：人臉識別（判斷用戶與屏幕距離，防止誤觸）、相機對焦（快速測距輔助對焦）、手勢控制（通過 3D 深度感知識別手勢）。
   • 平板電腦 / 筆記本：自動調節屏幕亮度（根據用戶距離調整）、防窺模式（檢測多人觀看時模糊屏幕）。

2. 機器人與無人機：

   • 避障：實時測量與障礙物的距離，觸發減速或轉向（如掃地機器人避開家具、無人機避開樹木）。
   • 導航：結合距離數據構建環境地圖，實現自主定位（SLAM 技術）。

3. 工業與倉儲：

   • 流水線檢測：測量產品尺寸、判斷是否缺件（如飲料瓶液位檢測）。
   • 倉儲物流：無人機或 AGV（自動導引車）定位貨架位置、測量貨物堆疊高度。

4. AR/VR 與安防：

   • AR/VR：通過 3D 深度感知構建真實空間的數字模型，讓虛擬物體與現實環境自然交互（如虛擬家具放置在真實房間）。
   • 安防監控：檢測異常行為（如有人翻越圍墻）、人數統計（通過深度信息區分人體）。

5. 汽車與交通：

   • 自動駕駛：短距離 TOF 用于檢測車輛周圍障礙物（如行人、其他車輛），輔助緊急制動。
   • 智能停車：測量車位大小與車輛距離，輔助自動泊車。

常用的 TOF 模塊

TOF 模塊根據應用場景可分為 “單點測距” 和 “3D 成像” 兩類，以下是常用型號：

ESP32 驅動 VL53L0X TOF 模塊的代碼示例

VL53L0X 是 ST 推出的低成本單點 TOF 模塊（iTOF），適合入門級測距項目，以下代碼演示如何在 ESP32 上通過 I2C 讀取其距離數據。

硬件連接

• VCC → ESP32 的 3.3V（VL53L0X 僅支持 3.3V，接 5V 會燒壞）
• GND → ESP32 的 GND
• SCL → ESP32 的 GPIO22（默認 I2C SCL）
• SDA → ESP32 的 GPIO21（默認 I2C SDA）
• XSHUT → 可選（用于模塊復位，可不接或接 ESP32 GPIO，此處簡化不接）

代碼實現（使用 Adafruit_VL53L0X 庫）

ESP32讀取VL53L0X TOF模塊距離數據

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_VL53L0X.h>// 創建VL53L0X對象
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模塊Serial.println("初始化VL53L0X TOF模塊...");if (!lox.begin()) {Serial.println("初始化失敗！請檢查接線或模塊是否正常");while (1); // 初始化失敗則死循環}Serial.println("VL53L0X初始化成功，開始測距...");
}void loop() {VL53L0X_RangingMeasurementData_t measure;// 觸發一次測距lox.rangingTest(&measure, false); // false表示不打印調試信息// 檢查測量是否有效if (measure.RangeStatus != VL53L0X_ERROR_NONE) {Serial.print("測距錯誤，狀態碼：");Serial.println(measure.RangeStatus);} else {// 輸出距離（單位：毫米）Serial.print("距離：");Serial.print(measure.RangeMilliMeter);Serial.println(" mm");}delay(500); // 每500ms測一次
}

代碼說明

1. 庫依賴：使用Adafruit_VL53L0X庫簡化模塊操作，需在 Arduino IDE 中通過 “庫管理器” 安裝（搜索 “Adafruit VL53L0X”）。
2. 初始化：通過lox.begin()初始化模塊，失敗則提示錯誤（常見原因：接線錯誤、模塊損壞、I2C 地址沖突）。
3. 測距過程：lox.rangingTest()觸發測距，結果存儲在measure結構體中，包括距離值（RangeMilliMeter）和狀態碼（RangeStatus）。
4. 狀態碼說明：VL53L0X_ERROR_NONE表示測量有效；其他值（如VL53L0X_ERROR_OUT_OF_RANGE）表示超出量程或異常。

進階優化

• 調整測距模式：VL53L0X 支持 “短距離高精度”（默認，0.05~1.3m）和 “長距離”（0.5~2m）模式，可通過setMeasurementTimingBudget()修改測量時間（時間越長精度越高，刷新率越低）。
• 抗干擾處理：對連續多次測量結果取平均值，過濾突發誤差（如環境光干擾導致的跳變）。
• 多模塊組網：若需多個 VL53L0X，可通過 XSHUT 引腳單獨控制每個模塊的復位，修改 I2C 地址（默認 0x29）避免沖突。

TOF 與其他測距技術的對比

TOF 憑借 “高精度 + 高速度” 的優勢，正在逐步替代傳統測距技術，成為主流的距離感知方案。