2024艾迈斯欧司朗竞赛 - 基于TMF8821的dToF传感器完成平面角度计算
1. 项目简介
项目背景
随着智能感知技术的快速发展，直接飞行时间（dToF）传感器凭借其高精度、抗干扰和低功耗等特性，在工业自动化、增强现实、智能家居等领域展现出巨大潜力。为探索dToF技术的创新应用场景，艾迈斯欧司朗联合硬禾科技发起本次竞赛，旨在通过开放硬件平台激发参赛的创造力，推动dToF技术的实际落地。
本次竞赛主要采用TMF8821 dToF传感器模块， 该模块是基于TMF8821传感器设计的一款直接飞行时间（dToF）传感器。
通过 TMF8821 dToF传感器 与 树莓派RP2040游戏机 的板卡组合，实现以下目标：
- 测算板卡与目标平面之间的 实时夹角（角度值）
- 计算板卡到平面的 垂直最小距离
- 输出可视化结果（显示屏/串口）
2. 硬件设备介绍
RP2040 Game Kit是基于树莓派RP2040的嵌入式系统学习平台，USB Type-C供电，采用RP2040作为主控，支持MicroPython、C/C++编程，性能强大。
板上功能：
- 240*240分辨率的彩色IPS LCD，SPI接口，控制器为ST7789
- 四向摇杆 + 2个轻触按键 + 一个三轴姿态传感器MMA7660用做输入控制
- 板上外扩2MB Flash，预刷MicroPython的UF2固件
- 一个红外接收管 + 一个红外发射管
- 一个三轴姿态传感器MMA7660
- 一个蜂鸣器
- 双排16Pin连接器，有SPI、I2C以及2路模拟信号输入
该平台可作为电赛的控制、显示接口平台，搭配传感器、模拟电路外还可以完成更多创意项目。
dToF模块：
dToF模块是基于 TMF8821 设计的直接飞行时间 （dToF） 传感器模块，TMF8821采用单个模块化封装，带有相关的 VCSEL（垂直腔面发射激光器）。dToF 设备基于 SPAD、TDC 和直方图技术，可实现 5000 mm 的检测范围。由于它的镜头位于 SPAD 上，它支持 3x3、4x4 和 3x6 多区域输出数据以及宽广的、动态可调的视野。VCSEL 上方的封装内的多透镜阵列 （MLA） 拓宽了 FoI（照明场）。原始数据的所有处理都在片上进行，TMF8821在其 I2C 接口上提供距离信息和置信度值。
TMF8821特点
- 具有高灵敏度SPAD检测的Direct ToF技术
- 4x4 可配置的多区域配置，具有多目标检测功能
- 可调视野（最大63°对角线）
- 快速时间数字转换器（TDC）架构
- 亚纳秒级光脉冲
- 10 – 5000mm 距离感应 @30Hz
- 片上直方图处理
- 940nm VCSEL 1类人眼安全
- 高性能片上阳光阻隔滤波器和算法
- 小型模块化OLGA 2.0mm x 4.6mm x 1.4mm封装
3 项目方案：
本项目主要采用基于树莓派RP2040的嵌入式系统学习平台MCU作为主控制，系统平台使用micropython平台，根据TMF882x数据手册和驱动文档实现TMF8821模型的固件加载与驱动，同时实现角度计算与距离计算函数，根据TMF8821采集到距离数据计算与平面夹角，并在LCD显示屏上驱动显示。
系统项目方案框图如下图所示：
4 模块功能实现：
4.1 环境配置
（1）thonny。安装过程具体可参考 https://class.eetree.cn/live_pc/l_60fe7f4fe4b0a27d0e360f74
（2）硬禾学堂2022寒假在家练：基于树莓派RP2040的嵌入式系统学习平台，相关内容可参考https://www.eetree.cn/project/detail/698
4.2 算法原理：
相关角度推导主要基于下图几何原理，先根据a, b和 a,b边夹角求得C，再二次使用余弦定理根据三条边求得b边所对应的角度phi, 再根据正弦定理求得最小距离D和 直度三角型求的theta .
数学模型：余弦定理
公式原型：
c² = a² + b² - 2ab·cosθ
θ = arccos( (a² + b² - c²)/(2ab) )
代码实现逻辑：
# 算法实现流程图
[传感器数据] → [选择有效边a,b] → [计算第三边c] → [计算夹角θ] → [最小距离换算]
代码实现：
def get_third_edge(a, b, angle_degrees):
# 将角度转换为弧度制
angle_radians = math.radians(angle_degrees) # [[1, 2, 4, 7, 8, 9, 10, 14, 17, 18]]
# 应用余弦定理公式计算第三边
c = math.sqrt(a**2 + b**2 - 2*a*b*math.cos(angle_radians))
return c
def find_angle(a, b, c):
"""
根据余弦定理计算a和b两边之间的夹角
参数：
a, b - 已知两边长度
c - 已知第三边长度
返回值：
角度值(单位：度)，保留两位小数
"""
# 验证输入有效性
if a <= 0 or b <= 0 or c <= 0:
raise ValueError("所有边长必须大于0")
# 验证三角形成立条件
sides = sorted([a, b, c])
if sides[-1] >= sides[0] + sides[1]:
raise ValueError("无法构成有效三角形")
# 计算余弦值并处理浮点误差
cos_theta = (a**2 + b**2 - c**2) / (2 * a * b)
cos_theta = max(min(cos_theta, 1.0), -1.0) # 限制在[-1,1]范围内
# 计算角度并转换单位
angle_rad = math.acos(cos_theta)
return round(math.degrees(angle_rad), 2)
def caculate_angel(center_edge, y, angle_degrees=32/2.):
plane_edge = get_third_edge(center_edge, y, angle_degrees)
# 计算角度
phi = find_angle(center_edge, plane_edge, y)
mini_dis = math.sin(math.radians(phi)) * center_edge
theta = 90 - phi
return theta, mini_dis
4.3 TMF8821驱动：
TMF8821传感器驱动库主要基于https://github.com/stocyr/SourdoughMonitor的circuitPython驱动库进行了移植， 由于circuitPython相关函数与micropython函数并不相同，因此，基于micropython相关接口对 原circuitPython项目驱动库函数进行了改写，主要改写了如下函数：_read_byte， _read_bytes(self, address: int, length: int)_write_byte(self, address: int, data: int) ，_write_bytes(self, address: int, data)等，详细如下代码所示：
def _read_byte(self, address: int) -> int:
# Read and return a byte from the specified register address.
# with self._device as i2c:
# result = bytearray(1)
# i2c.write_then_readinto(bytes([address]), result)
data = self._device.readfrom_mem(TOF8821_SLAVE_I2C_ADDR, address, 1)
return data[0]
def _read_bytes(self, address: int, length: int) -> bytes:
# Read and return multiple bytes from the specified register address.
# result = bytearray(1)
# i2c.write_then_readinto(bytes([address]), result)
data = self._device.readfrom_mem(TOF8821_SLAVE_I2C_ADDR, address, length)
return data
def _write_byte(self, address: int, data: int) -> None:
# Write 1 byte of data from the specified 8-bit register address.
self._device.writeto_mem(TOF8821_SLAVE_I2C_ADDR, address, bytes((data,)))
def _write_bytes(self, address: int, data) -> None:
# Write multiple bytes of data from the specified 8-bit register address.
if type(data) is list:
self._device.writeto_mem(TOF8821_SLAVE_I2C_ADDR, address, bytes(data))
elif type(data) is bytes:
self._device.writeto_mem(TOF8821_SLAVE_I2C_ADDR, address, data)
4.4 主程序计算与显示 相关代码：
主程序主要实现 传感器实例化加载，加载相关配置与固件，可视化显示结果等相关功能，详细代码如下：
from micropython import const
from machine import Pin, I2C, UART
from utime import ticks_ms, ticks_add, ticks_diff, sleep_ms
from TOF8821.tmf8821 import TMF8821
from TOF8821.config import sc
from test.fonts import vga2_8x8 as font1
from test.fonts import vga1_16x32 as font2
import random
import framebuf
from machine import Pin, SPI, ADC,PWM
import time, math,array
import uos
import test.st7789 as st7789
from utils import get_third_edge, find_angle, caculate_angel
sc.iterations = 3.5e6
sc.period_ms = 1 # as small as possible for repeated measurements
sc.spad_map = '3x3_normal_mode'
tof = TMF8821(sc)
print("tmf8821 is ready...")
tof.write_configuration()
print('Starting measurements...')
tof.start_measurements()
st7789_res = 0
st7789_dc = 1
disp_width = 240
disp_height = 240
CENTER_Y = int(disp_width/2)
CENTER_X = int(disp_height/2)
spi_sck=Pin(2)
spi_tx=Pin(3)
spi0=SPI(0,baudrate=4000000, phase=1, polarity=1, sck=spi_sck, mosi=spi_tx)
display = st7789.ST7789(spi0, disp_width, disp_width,
reset=machine.Pin(st7789_res, machine.Pin.OUT),
dc=machine.Pin(st7789_dc, machine.Pin.OUT),
xstart=0, ystart=0, rotation=0)
display.fill(st7789.BLACK)
display.text(font2, "EETREE", 10, 10)
display.text(font2, "www.eetree.cn", 10, 40)
while True:
measurement = tof.wait_for_measurement(timeout_ms=500)
distances = [m for m in measurement.distances]
theta, min_distance = caculate_angel(distances[4], distances[7])
display.text(font2, "Angle:"+"%.2f" %(theta) , 10, 70, color=st7789.MAGENTA)
display.text(font2, "MinDis:"+"%.2f" %(min_distance) , 10, 110, color=st7789.MAGENTA)
sleep_ms(60)
5 功能演示：
由于是动态效果，这里只能放一个截图：
6 项目小结：
本次参与艾迈斯欧司朗与硬禾科技联合主办的2024 dToF传感器光电设计竞赛，通过理论实践相结合的方式，系统性地深化了对TMF8821 dToF传感器技术优势的认知。该传感器展现出稳定的光脉冲特性，印证了其在工业检测、智能交互等领域的广阔应用前景，其开创性的应用潜力为创新开发提供了广阔空间。
在开发过程中，笔者曾尝试实现基于角度感知的空间鼠标原型，通过融合dToF测距数据与姿态传感器信息构建三维交互模型。由于运动预测算法的精度限制，暂未达到预期效果。期待未来通过改进卡尔曼滤波算法进一步提升系统稳定性，也衷心期盼业界能持续举办此类促进技术落地的优质赛事。
starry-m
Jahg
胖头鱼