7  Distanzmessung

Zusammenfassung

Distanzmessungen sind essentiell im Bereich der Geomatik. Unterschiedliche Messverfahren ermöglichen Distanzmessungen unter anderem Time-of-Flight Sensoren, die in dieser Übung praktisch genutzt und getestet werden.

Einführung

Ziel dieser Übung ist es Distanzmessungen mit dem VL53L5CX Sensor kennen zu lernen und die Sensordaten auszulesen und testen. Der VL53L5CX ist ein 8x8 Time of Flight (ToF) Array Sensor, der über eine I2C Schnittstelle mit dem Raspberry Pi verbunden wird und einer Python Library angesteuert werden kann.

Unterlagen: E04_Distanzmessung.zip

Vorbereitung

• Schaut folgende von Video von Adafruit Industries zur Funktionsweise des VL53L5CX Sensors an: EYE ON NPI - ST VL53L5CX Time-of-Flight Ranging Sensor
• Studiere das Datenblatt zum VL53L5CX (STMicroelectronics, 2021), sowie die Application Note (STMicroelectronics, 2023)
  • In welchen Temperaturbereichen kann der Sensor eingesetzt werden?
  • Welches ist die höchste Abtastrate für die Distanzfeldmessungen?
  • Was sind Anwendungsgebiete für diesen Sensor?

Unterlagen
Produkt	VL53L5CX Breakout
Datenblatt	VL53L5CX
GitHub	vl53l5cx-python

VL53L5CX 8x8 Time of Flight (ToF) Array Sensor

Der VL53L5CX ist hochentwickelter Distanzsensor mit einer 8x8-Multizonenmessung und einem großen Sichtfeld, ideal für Roboter und fortschrittliche Bewegungserkennung. Der mit die Entfernung mit Time of Flight (ToF), also mit der Laufzeit von Licht, indem er einen Infrarotlaser mit geringer Leisten auf ein Ziel schickt und die Zeit misst, die das Licht benötigt, um zurückzukehren.

Dieser Sensor hat eine hohe Genauigkeit und Abtastfrequenz (bis zu 60 Hz) und einen großen Erfassungsbereich (von 2 cm bis 4 m). Besonders interessant ist, dass der Sensor nicht nur eine Messung durchführt, sondern eine 8x8 Matrix mit Messwerten zurückgibt. Das bedeutet, das Bewegungen aus bestimmten Richtungen erkannt werden können oder der Sensor benutzt werden kann um Kollisionen zu vermeiden oder Objekte zu verfolgen ohne dass mehrere Sensoren benötigt werden.

VL53L5CX 8x8 Time of Flight (ToF) Array Sensor Breakout

• 8x8 Multizone readings
• Distance 2cm - 4m
• I2C interface, with address: 0x52
• Python, C Library

Abb. 7.1: links: VL53L5CX Breakout von Pimoroni, rechts: schematische Darstellung TOF Moduls Quelle: STMicroelectronics (2023)

Übungsaufbau

• Schliesse den Raspberry Pi an Monitor, Keyboard und Maus an oder verbinde Dich mit diesem über SSH (und SFTP).
• Erstelle auf dem Raspberry Pi im Documents Ordner einen neuen Ordner VL53L5CX, in welchem Du Änderungen und neue Dateien für diese Übung speichern kannst.
• Schliesse den Sensor VL53L5CX an den Raspberry Pi über die Breakout Garden I2C Schnittstelle korrekt an (siehe E01 Luftqualität), so dass die Beschriftung der Anschlüsse am Sensor und bei der Schnittstelle übereinstimmen.
• Kontrolliere mit dem Befehl i2cdetect -y 1 ob der Raspberry Pi mit dem Sensor verbunden ist. Der Sensor sollte auf der Adresse 0x29 erkannt werden.
• Aktiviere die virtuelle Environment von Python mit source ~/.env/bin/activate und kontrolliere, ob die Libraries vl53l5cx_ctypes und st7789 installiert sind mit python -c "import st7789" und python -c "import vl53l5cx_ctypes". Bei einer Fehlermeldung muss die jeweilige fehlende Library in der aktivierten virtuellen Environment mit pip install st7789 oder pip install vl53l5cx_ctypes installiert werden.

Wechsle in den Ordner Documents und kopiere mit folgenden Befehlen die Library auf Deinen Raspberry Pi.

cd Documents
git clone https://github.com/pimoroni/vl53l5cx-python
cd vl53l5cx-python/examples

Aufgabe 1: Distanzmessung Konsole

Teste das Beispiel test.py im Ordner examples. Dieses Beispiel liest die Werte der 8x8 Time of Flight Messung aus mit Werten zu motion, distance, reflectance und status aus.

Das Script startet langsam, da die Library jeweils die Firmware beim Starten lädt.

Startet das Script mit python test.py. Mit Ctrl+C kann das Script wieder gestopppt werden. Die Ausgabe sollte in etwa so aussehen (gekürzt):

python3 test.py 
Uploading firmware, please wait...
Done!
[[  36   26 2356  543]
 [  38   62 1943 3847]
 [  27   68  530 6744]
 [  14   18   66  458]] [[1254  308  406 2042  365  377  314  237]
 [1275  351  397  413  404  403  354  228]
 [1297  357  375  432  427  422  391  241]
 [1250  348  385  389  415  437  398  315]
 [1273  358  358  385  405  429  400  363]
 [1238  336 2240  368  424  417  379  336]
 [1262  226 2215  180  188  218  202  190]
 [ 108  110  113  117  116  120  120  124]] [[23  1  2 30 11  8 27 41]
 [16  1  3  4  4 17 43 35]
 [23  1  2  6  5 21 58 32]
 [21  1  2  4  6 32 62 52]
 [27  1  3  5  9 36 65 71]
 [27  1 59  5 16 47 52 46]
 [26  1 39  6  9 20 20 21]
 [13 13 14 14 15 16 17 20]] [[False False False  True False False  True  True]
 [ True False False False False  True  True  True]
 [ True False False False False  True  True  True]
 [ True False False False False  True  True  True]
 [ True False False False False  True  True  True]
 [ True False  True False  True  True  True  True]
 [ True False False  True  True  True  True  True]
 [ True  True  True  True  True  True  True  True]]

Folgendes Code Snippet zeigt eine gekürzte Version des test.py Python Beispiels für die Ausgabe der Distanzmatrix.

import time
import numpy
import vl53l5cx_ctypes as vl53l5cx
from vl53l5cx_ctypes import STATUS_RANGE_VALID, STATUS_RANGE_VALID_LARGE_PULSE

print("Uploading firmware, please wait...")                                      
1vl53 = vl53l5cx.VL53L5CX()
print("Done!")                                                                   
2vl53.set_resolution(8 * 8)
vl53.enable_motion_indicator(8 * 8)
# vl53.set_integration_time_ms(50)
# Enable motion indication at 8x8 resolution
vl53.enable_motion_indicator(8 * 8)
# Default motion distance is quite far, set a sensible range
# eg: 40cm to 1.4m
vl53.set_motion_distance(400, 1400)
3vl53.start_ranging()

while True:
    if vl53.data_ready():
4        data = vl53.get_data()
        # 2d array of motion data (always 4x4?)
        motion = numpy.flipud(numpy.array(data.motion_indicator.motion[0:16]).reshape((4, 4)))
        # 2d array of distance
        distance = numpy.flipud(numpy.array(data.distance_mm).reshape((8, 8)))
        # 2d array of reflectance
        reflectance = numpy.flipud(numpy.array(data.reflectance).reshape((8, 8)))
        # 2d array of good ranging data
        status = numpy.isin(numpy.flipud(numpy.array(data.target_status).reshape((8, 8))), (STATUS_RANGE_VALID, STATUS_RANGE_VALID_LARGE_PULSE))
        print(motion, distance, reflectance, status)
    time.sleep(0.1)

1

Sensor initialisieren und Firmware laden

2

Sensor konfigurieren (Auflösung, Bewegungserkennung, Messbereich)

3

Messung initialisieren

4

Warten 0.1 Sekunden (damit die Ausgabe nicht zu schnell ist)

Übung 7.1 Bewegungsmessung

• Führe das Beispiel test.py aus und beobachte die Messwerte.
• Führe unterschiedliche Tests durch, indem Du ein Objekt vor den Sensor hältst und bewegst.
• Vergleiche die Messwerte und kontrolliere die gemessenen Distanzen.
• Untersuche die einzelnen Matrizen und versuche die Bedeutung der einzelnen Werte zu verstehen.

Aufgabe 2: Distanzmessung mit LCD Bildschirm

Folgende Aufgabe nutzt den 1.54” LCD Bildschirm mit einer 240x240 Pixel Auflösung. Die Library vl53l5cx_ctypes enthält mehrere Beispiele, die die Distanzmatrizen für die Distanz-, Bewegungs- und Reflektanzmessung auf dem Bildschirm anzeigen. Die Beispiele sind im Ordner examples zu finden.

Abb. 7.2: Aufbau der Versuchsanordnung für die Distanzmessung mit dem LCD Bildschirm montiert im dem hinteren SPI Slot

Vorbereitung

• Kontrolliert mit python -c "import st7789" ob die Library st7789 installiert ist. Testet auch, ob die Bibliotheken numpy und matplotlib installiert sind und installiert diese ansonsten mit sudo apt install python3-matplotlib python3-numpy.
• Kontrolliere, ob der Raspberry Pi den Breakout Garden HAT mit den 2 SPI Anschlüssen und 4 I2C Anschlüssen bestückt ist (Abb. 7.2).
• Montiere den Bildschirm im hinteren SPI Slot des Breakout Garden HATs wie in Abb. 7.2, da er sonst die Messung des VL53L5CX Sensors verdeckt.

Führt nun folgende Scripts aus und beobachtet die Ausgabe auf dem LCD Bildschirm. Auch hier braucht es etwas Geduld, da die Firmware beim Starten geladen wird.

• python distance_240x240_lcd.py
• python motion_240x240_lcd.py
• python reflectance_240x240_lcd.py
• python object_tracking.py

Übung 7.2 Distanzmessung

• Führe die Beispiele aus und beobachte die Ausgabe auf dem LCD Bildschirm.
• Untersuche die einzelnen Matrizen und versuche die Bedeutung der einzelnen Werte zu verstehen.
• Führe unterschiedliche Tests durch, indem Du ein Objekt vor den Sensor hälst und bewegst.
• Was passiert wenn Du ein Objekt vor den Sensor hältst? Ist die Form erkennbar?
• Was passiert wenn Du ein Objekt vor den Sensor hältst und bewegst?
• Studiere den Code der Beispiele und versuche die Funktionsweise zu verstehen.
• Überlege Dir Anwendungsfälle für diesen Sensor allgemein und im speziellen für die Geomatik.

STMicroelectronics. (2021). VL53L5CX - Datasheet - Time-of-Flight 8x8 Multizone Ranging Sensor with Wide Field of View.

STMicroelectronics. (2023). Description of the Fields of View of STMicroelectronics’ Time-of-Flight Sensors.