מד טווח מבוסס זמן מעוף (Time-of-Flight) של לייזר אינפרה-אדום מבטיח מדידה של מרחקים עד 40 מטרים בקצב מהיר ובדיוק של כ-1%. איך עובדים איתו ומה הוא נותן?
בעולם המייקרים המתחילים, אחד המודולים המוכרים ביותר (לא רק למדידת למרחק, אלא בכלל) הוא ה-HC-SR04, חיישן הטווח האולטרסוני הזול. הוא מודד באמינות סבירה מרחקים מסנטימטרים ספורים עד כ-3.5 מטרים, ורגיש מאוד לגודל, זווית ומרקם המטרה. מה עושים כשצריך חיישנים אמינים יותר ולטווח גדול יותר?
עדיין בתחום האולטרסוני, אפשר למצוא מודולים יקרים עם "שופר" מותאם במיוחד, דומה לנחיר פליטה של רקטה, שמצר את אלומת גלי הקול ומגדיל את הטווח עד עשרה מטרים ואפילו יותר. מודולים כאלה עדיין רגישים מאוד למאפיינים הפיזיים של המטרה, וכיוון שהם מתבססים על מהירות הקול באוויר, ככל שהטווח גדל כך גם קצב הדגימה המרבי יורד, עד למקסימום של דגימות ספורות בשנייה. בשביל משימות מאתגרות יותר אנחנו צריכים לעבור לטכנולוגיה אחרת.
מודולי LiDAR (כמו RADAR, רק עם Light במקום Radio) מתבססים על הארת המטרה בקרן לייזר, בדרך כלל בתדר אינפרה-אדום, ומדידת זמן המעוף שלה לשם ובחזרה. בהתחשב בכך שכל סנטימטר מרחק מתבטא בתוספת של כ-0.07 מיליארדיות (!) השנייה בלבד, האלקטרוניקה בפנים חייבת להיות מדויקת מאוד – אם כי ישנם מבחר טריקים הנדסיים ואופטיים שמאפשרים לבצע את המדידה במחיר שעוד יכול להיחשב סביר. למשל, המודול LiDAR-Lite v3HP שבתמונה למעלה, שהטווח המוצהר שלו הוא 40 מטרים, עולה כ-150 דולר במקור.
כדי להשיג אותו בישראל, אגב, צריך להתאמץ. כיוון שמדובר במוצר לייזר – אף על פי שהוא בעוצמה נמוכה Class 1, שיש לו אישורי תקינה בארה"ב ושהוא לא בתדר אור נראה – המכס דורש רשיון יבוא מראש, ויותר מדי בירוקרטיה בשביל המייקר החובב. צריך למצוא יבואן שכבר הכניס את המודול לארץ, או שמסוגל להתמודד עם המכס. אחת האופציות היא להזמין את המודול דרך digikey.co.il (לא אתר-האם הבינלאומי digikey.com !) ולשים לב שהתשלום הוא שקלי ולא דולרי. בסכומים כאלה המשלוח הוא חינם, והם מטפלים בנושא רשיון היבוא, אז צריך רק להיפרד מכ-660 ש"ח "בלבד".
תקשורת ונתונים
למודול הזה יש שני סוגי פלט – בפרוטוקול I2C (ניתן לשנות את כתובת ברירת המחדל שהיא 0x62) ובפלט PWM. למרבה הנוחות, היצרן (Garmin) מספק גם ספריית LiDAR לארדואינו. כדי להפעיל את המודול צריך רק לחבר או להלחים את החוטים שלו (הוא מגיע עם צמה של חוטים צבעוניים גמישים שקצותיהם חשופים), להוסיף קבל גדול (לפחות 680 מיקרופאראד) לאספקת מתח של 5V ולתת לו פקודה באחד מהפרוטוקולים להתחיל למדוד. מצלמות דיגיטליות ללא פילטרים טובים, שקולטות גם אור אינפרה-אדום, יכולות לראות את הלייזר שנפלט מהמודול בעת פעילותו:
פונקציות המדידה בספרייה לארדואינו מחזירות את המרחק למטרה כמספר שלם, בסנטימטרים. זה הפתיע אותי כי ציפיתי לרזולוציה גבוהה יותר, ומסתבר שההגבלה היא לא ברמת הקוד אלא ברמת המודול עצמו, שכנראה ממצע ומעגל מספר מדידות. גם פלט ה-PWM, שבו כל 10 מיקרו-שניות של "HIGH" מייצגות סנטימטר אחד למטרה, ראיתי שאורכי האותות משתנים בקפיצות של 10us, כלומר רזולוציה של סנטימטר. זה מה יש. אם עובדים דרך I2C, אפשר לשלוח למודול גם פקודות מתקדמות לשינוי קצב הדגימה, בהתאם לטווח הצפוי ולרמת השגיאות הנסבלת ביישום הספציפי.
כשמושכים אחד מהחוטים ("Power Enable") למתח האדמה, המודול עובר למצב שינה חסכוני עם צריכה של כ-60-70 מיקרואמפר. שחרור של החוט מהאדמה מעיר את המודול, וכעבור כ-22 מילישניות (לפי המפרט) הוא מוכן לבצע מדידות. בזמן שהוא ממתין לפקודות הצריכה שלו היא בסביבות 61mA, ובזמן מדידות בפועל היא יכולה לעלות עד 85mA בהתאם למרחק מהמטרה, ומן הסתם טמפרטורה סביבתית ופרמטרים דומים נוספים. הנה גרף הזרם שה-Joulescope שלי הפיק בעת מדידות מרחק רציפות:
בבדיקות חובבניות למדי מחוץ לבית (אור שמש בהיר של בוקר, אך לא ישירות על החיישן או המטרה) הגעתי לתוצאות יציבות עד כ-30 מטרים, ואז נאלצתי לעצור פשוט כי נגמרו לי המטרות המתאימות או שכבר לא יכולתי לכוון אליהן כמו שצריך "לפי העין". בתנאים נוחים יותר, ייתכן בהחלט שהמודול היה מגיע רחוק יותר. מה שלא יכולתי לבדוק בתנאים כאלה הוא דיוק המדידה כשהמודול עצמו בתנועה. זה יצטרך לחכות לבדיקות מבוקרות ומתקדמות יותר.
לסיכום ביניים, לפחות עד שאאסוף מידע מדויק יותר בשטח: זהו מוצר יקר שבהחלט לא קונים בשביל הכיף וההתנסות נטו, אבל כן אפשר להתחיל לעבוד איתו בקלות ולקבל תוצאות מדידה משביעות רצון בצריכת חשמל סבירה. חוץ מזה, ממילא אין הרבה אופציות אחרות בשוק למדידה של טווחים כאלה…
מגניב