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第4章 案例分析2：正点原子STM32 VL53L0X激光测距（淘宝）
激光，英文名称为Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（简称LASER），意思为原子受激辐射的光，故称激光，激光的产生原理，是原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级，再从高能级回落到低能级的时候，所释放的能量以光子的形式放出，被引诱（激发）出来的光子束（激光）。
激光与普通光源相比，具有单色性、高亮度、方向性等优势，被广泛应用于工业生产和科研实验等各个领域，激光测距便是其中应用较为广泛的一项技术。
激光测距（laser distance measuring）是以激光器作为光源进行测距。
根据激光工作的方式分为连续激光器和脉冲激光器。
氦氖、氩离子、氪镉等气体激光器工作于连续输出状态，用于相位式激光测距；
双异质砷化镓半导体激光器，用于红外测距；
红宝石、钕玻璃等固体激光器，用于脉冲式激光测距。
激光测距仪由于激光的单色性好、方向性强等特点，加上电子线路半导体化集成化，与光电测距仪相比，不仅可以日夜作业、而且能提高测距精度。
激光测距技术是一项非接触式的工业测量技术，与传统的接触式测距技术相比具有以下的特点：
（1）激光测距时，无需与测量表面进行接触，物体的表面不会产生形变
（2）激光测距时被测物体表面不会发生磨损，降低了额外的损失
（3）在很多特殊的环境下，没有条件用常规测量工具接触测量，只能使用激光测距技术
（1）手持激光测距仪
测量距离一般在200米内，精度在2mm左右。
这是使用范围最广的激光测距仪。在功能上除能测量距离外，一般还能计算测量物体的体积。
（2）望远镜式激光测距仪
测量距离一般在600-3000米左右，这类测距仪测量距离比较远，但精度相对较低，精度一般在1米左右。
主要应用范围为野外长距离测量。
（3）工业激光测距仪
测量距离在0.5-3000米左右，精度在50mm以内，300米外要加设反光板，部分产品还能在测距的同时测速。
主要应用于位置控制（如车辆和船舶）；定位起重机；装卸和搬运设备；飞机测量（测高仪）；冶金过程控制；测量不宜接近的物体（如管灌装物、管道、集装箱），以及水位测量。
典型的传感器有LDM301、LDM4x。
世界上第一台激光器，是由美国休斯飞机公司的科学家梅曼于1960年，首先研制成功的。美国军方很快就在此基础上开展了对军用激光装置的研究。1961年，第一台军用激光测距仪通过了美国军方论证试验，对此后激光测距仪很快就进入了实用联合体。
激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一，因而被广泛用于地形测量，战场测量，坦克，飞机，舰艇和火炮对目标的测距，测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等。它是提高坦克、飞机、舰艇和火炮精度的重要技术装备。
由于激光测距仪价格不断下调，工业上也逐渐开始使用激光测距仪。
国内外出现了一批新型的具有测距快、体积小、性能可靠等优点的微型测距仪，可以广泛应用于工业测控、矿山、港口等领域。
激光测距是利用激光对目标的距离进行准确测定(又称激光测距)的仪器。
激光测距仪在工作时，向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。
通常精密测距需要全反射棱镜配合，而房屋量测用的测距仪，直接以光滑的墙面反射测量，主要是因为距离比较近，光反射回来的信号强度够大。
与此可以知道，一定要垂直，否则返回信号过于微弱将无法得到精确距离。
通常也是可以的，实际工程中会采用薄塑料板作为反射面以解决漫反射严重的问题。
激光测距仪精度可达到1毫米误差，适合各种高精度测量用途。
激光测距目前主要的测量方法有：激光脉冲测距、激光相位测距、激光三角法测距等，不同的测量方法对应不同常用的测量范围和精度。
激光脉冲测距：主要应用于远距离测距，测量距离在km级以上，精度较低，一般是米级精度；
激光相位测距：适用于中长距测量，常用测量范围包括50米、150米、300米、以及500米不等，精度较高，一般是毫米级精度；
激光三角法测距：则一般用于短距离（常见测量范围在2米以内），高精度的测距任务，一般精度能达到微米级，但测量距离较为限制。
2.3 激光测距技术的原理
（1）激光脉冲测距离
激光脉冲测距法工作时，先由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号，并将其转化为相应的电信号。通过测量光脉冲往返待测点的时间，乘以光速并除以2，计算出被测目标的距离，计算公式如下：
D=ct/2
D:测量点A、B间的距离，c：光速，t：光脉冲往返AB两点间1次所需时间，
（2）激光相位测距
激光相位测距的原理，是将一低频调制信号对发射激光的光强进行调制, 利用测定“调制光波”往返于被测距离的相位差, 间接求得待测距离D。 其距离的一般计算公式为:
其中，Փ：调制光在距离为 2D 上的相位差, c : 调制光的传播速度, t : 调制光在待测距离往返一次所需要的时间, f : 调制光的频率。
在图 中, A 表示调制光波的发射点, B 表示安置反射器的地点, A′表示所发出的调制光波经反射器反射后的接收地点。AA′两点间的距离即是待测距离D的2倍。 故: Փ =N1 2π+ΔՓ1 , 由于N1并不是一个定值, 所以这可能引起多值解。 为解决这一问题, 我们常采用多个频率的调制信号来测定同一距离。该频率在相位测距中也称为测尺频率，测尺频率的波长称为测尺长度，当被测距离小于测尺长度时, 则不存在多值解，由于测尺长度越大，测量精度就越低，所以出于精度的考虑，我们需要将测尺长度控制在合适的范围内。
（3）激光三角法测距
使一束激光以特定角度照射到待测物体的参考位置上，然后激光在待测物体上会发生散射、漫反射，将光敏传感器件放置在另一特定位置接收经透镜汇聚后的散射光、漫反射光。待测物体发生位移后，再使一束激光以特定角度照射到待测物体的待测位置上，将光敏传感器期间放置在同一特定位置接收此时的散射光、漫反射光，因为待测物体位移前后激光散射漫反射后的光路不同，光敏传感器件上光斑中心位置也不同，将前后两次光斑中心位置代入几何三角关系中，从而计算出物体的位移距离。
精度：1m，适合远距离测量。
分辨率：1mm
测量精度：1.6% ~ 7%, 如果是1m距离的误差在1.6mm~7mm。
实时性：串口或I2C读，因此是mm级别
代码：嵌入式软件和上位机软件的源代码、
外部主机有两种方法获取距离信息：
VL53L0X 是 ToF 激光测距传感器，利用飞行时间（ToF）原理，通过光子的飞行来回时间与光速的计算，实现测距应用。
正点原子的STM32F103ZET6精英版。
VL53L0X 传感器提供了 3 种测量模式，单次测量，连续测量，定时测量。
（1） Single ranging（单次测量） ，
在该模式下只触发执行一次测距测量，测量结束后，VL53L0X 传感器会返回待机状态，等待下一次触发。
（2） Continuous ranging（连续测量） ，
在该模式下会以连续的方式执行测距测量。一旦测量结束，下一次测量就会立即启动，用户必须停止测距才能返回到待机状态，最后的一次测量在停止前完成。
（3） Timed ranging（定时测量）
在该模式下会以连续的方式执行测距测量。测量结束后，在用户定义的延迟时间之后，才会启动下一次测量。用户必须停止测距才能返回到待机状态，最后的一次测量在停机前完成。
注意：
针对不同的精度模式，测量时间也是有所区别的，测量精度越高，需要的测量时间越长。
（1）测量时间最快为高速模式：只需 20ms 内就可以采样一次，但精度确存在有±5%的误差范围。
（2）长距离精度模式下：测距距离能达到 2m，测量时间在 33ms 内，但测量时需在黑暗条件（无红外线）的环境下。
（3）高精度模式：3%误差，但需要较长的时间200ms。
所以在实际的应用中，需根据当前的要求去选择合适的精度模式，以达到最佳的测量效果。
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