Programování elektroniky: Pevný titěrný 3D LiDAR za dvě stovky VL53L5CX

Každý, naprosto každý, bastlíř se už setkal s jednoduchým ultrazvukovým dálkoměrem HC-SR04, jehož modul nechybí v žádné startovací sadě a je součástí snad každého seriálu o programování elektroniky pro naprosté začátečníky.

Pokročilejší kutilové, kteří se už dostatečně nabažili měření doby letu ultrazvukových vln k překážce a zpět, později dostanou chuť na něco lepšího. A to už na řadu přicházejí optické dálkoměry, které namísto zvuku používají jako médium mnohem svižnější světlo – zpravidla slaboučký infračervený laser.

K těm nejpopulárnějším optickým dálkoměrům mezi kutily patří laciné moduly s čipy VL53L0X a VL53L1X od STMicroelectronics. S řídícím počítačem komunikují skrze sběrnici I²C, díky laseru jsou při měření mnohem rychlejší než tragicky pomalý zvuk (doba měření výrazně roste se vzdáleností překážky) a na rozdíl od obrovského vysílače a detektoru na HC-SR04 mají také titěrné rozměry. Čipy samotné jsou velké jak zrnko rýže.

Podívejte se, co dnes naprogramujeme v C/C++ na Raspberry Pi a oživíme:

Nový dálkoměr VL53L5CX

Varianty L0X a L1X nicméně už pomalu zastarávají, a proto si dnes ukážeme nejnovější a zatím technologicky nejpokročilejší model z této rodiny jménem VL53L5CX, který se těm předchozím naprosto vymyká.

Laserový dálkoměr VL53L5CX vypadá na první pohled skoro identicky jako jeho předchůdci VL53L0X nebo VL53L1X. Zdání ale klame, tento umí multizónové měření

Společnost STMicroelectronics jej oficiálně představila v říjnu loňského roku, jak už tomu ale v tomto segmentu bývá, v praxi byly všechny patřičné nástroje pro vývoj a první prototypovací moduly hotové a komerčně dostupné až letos v létě. Na všem se jistě podepsala také pandemie a s ní související problémy v dodavatelském řetězci.

Deska VL53L5CX-SATEL z Mouseru

Každopádně, hned jak to šlo, jsem objednal oficiální prototypovací modul VL53L5CX-SATEL, který nabízí třeba americký Mouser. Jedno balení vás aktuálně přijde na něco málo přes čtyři stovky, k tomu ale musíte započítat ještě poštovné z Texasu. Na stranu druhou, v balení vám dorazí rovnou dva moduly, jednotková cena je proto poloviční.

Prototypovací modul VL53L5CX-SATEL. V balení dorazí rovnou dva kusy, takže jedna destička (bez poštovného) vyjde asi na dvě stovky. Horní část lze odštípnout a použít ve finální instalaci na tištěném spoji

Bohužel, modul je kvůli aktuální situaci k dispozici pouze na objednávku, přičemž Mouser hrozí dodáním další várky čipů až někdy v listopadu. V praxi to ale bude možná o něco dříve. Já si v létě počkal měsíc, ačkoliv web vyhrožoval až dodáním kdysi v říjnu. Destičku nabízí také Farnell, i zde ale počítejte s čekací dobou.

Schéma prototypovacího modulu VL53L5CX-SATEL. Deska má dva zdroje napájení. 5V AVDD pro laser a 3V IOVDD pro logiku čipu. PWR_EN je třeba pro spuštění nastavit na 3V. Pro I²C spojení tu máme piny SDA a SCL a na pinu INT se tvoří při každém změření vzdálenosti 100us obdélníkový signál

Dosah 400 centimetrů, rychlost až 60 Hz

No dobrá, takže se na to čeká, někdejší just-in-time a dodání do 36 hodin FedExem je dávno zapomenutou minulostí, ale je vlastně o co stát? Co VL53L5CX nabízí nového? Samotné změření vzdálenosti se ve své podstatě nijak neliší od jeho předchůdců.

To v praxi znamená, že miniaturní a energeticky úsporný laserový zářič VCSEL vyšle sérii 940 nm infračervených pulzů, které se odrazí od překážky, dorazí do detektoru a řídící jednotka podle doby letu spočítá vzdálenost v milimetrech. Dálkoměr je sice rychlejší – až 60 měření za sekundu, nicméně jeho 400cm dosah je v podstatě stejný jako u VL53L1X.

Multizónové měření v 64 regionech matice 8×8

Nový senzor se liší v něčem úplně jiném. Je multizónový! To znamená, že v rámci jednoho (až) 60Hz cyklu nezměří jen jednu vzdálenost, ale může to být rovnou prostorová matice 4×4 bodů (16 vzdáleností), anebo dokonce 8×8 bodů (64 vzdáleností).