ممکن است متوجه این موضوع نباشید، اما بطور روزمره با فناوریهایی برخورد کرده اید که بر اساس اصل تایم آو فلایت یا زمان پرواز (ToF) عمل می کنند. این تکنولوژی در پزشکی، خودروسازی و گوشی های هوشمند استفاده می شود. در اینجا مطالبی گردآوری شده تا بدانید این روش چیست، چگونه کار می کند و چگونه می توانید از آن استفاده کنید.
مبانی تایم او فلایت ToF
اصل ToF یا زمان پرواز بر اساس اندازه گیری زمان لازم برای حرکت موج از یک منبع (سنسور زمان پرواز) به یک جسم و بازگشت است. پس از اندازه گیری زمان ارسال، با استفاده از قوانین فیزیک انتشار موج و روابط ریاضی می توان فاصله آن شی را از منبع تعیین کرد. بسته به فناوری، انواع مختلفی از امواج ممکن است در این تکنولوژی مورد استفاده قرار گیرد. اغلب برای این تکنولوژی از نور، لیزر یا التراسونیک استفاده می شود.
از نور برای ثبت تصاویر سه بعدی استفاده می شود. به عنوان مثال در استروئوسکوپی یا دوربین های کینکت (نوعی کنسول بازی کامپیوتری) دو لنز مجزا برای بازآفرینی درک عمق استفاده شده است. نور مادون قرمز اختلال سیگنال کمتر و تشخیص آسان تر از نور طبیعی را فراهم کرده و عملکرد بهتری فراهم می کند. از نور لیزر در مسافت سنجی، اندازه گیری های ماهواره ای و اسکن زمین با استفاده از دوربین های لیدار استفاده می شود. امواج صوتی و التراسونیک دارای برد کمتری بوده و در اندازه گیریهای با فاصله کمتر مثل خودروسازی استفاده می شوند. سنسورهای التراسونیک در حسگر پارک و تشخیص موانع در خودرو و فاصله تا آنها بکار می روند.
مزایای زمان پرواز
- این تکنولوژی کوچک و سبک است: سنسورهای فاصله ToF سبک ترین وزن و کوچکترین اندازه را در این سطح عملکرد فراهم می کنند. از این رو می توان این سنسورها را در رباتهای متحرک، هواپیماهای بدون سرنشین و خودروها استفاده کرد.
- در محدوده های مختلف عمل می کنند: یکی از مزایای برجسته فناوری زمان پرواز این است که در محدوده های مختلف بین چند سانتیمتر تا چند کیلومتر عمل می کند. این فاصله به نوع موج بستگی دارد و بیشترین فواصل مربوط به امواج نوری می باشند. فناوری التراسونیک تا دو یا سه متر برد دارد و لیزر بسته به قدرت آن تا چند کیلومتر نیز برد دارد.
- پردازش کمی در این سیستم لازم است: اصل ToF بر اساس ریاضیات بسیار ساده و الگوریتم‌های نسبتاً ساده است. لذا دستگاه‌های مبتنی بر این فناوری‌های اجزای کمتری دارند و روی پردازنده‌های کوچک‌تر سریع‌تر عمل می‌کنند. این خصوصیت به ویژه در کاربردهایی مانند وسایل نقلیه خودران، ربات‌ها و خطوط تولید مفید می باشد.
- سرعت نمونه برداری در آن بالا است: به همان دلیل فوق سنسورهای ToF قادر به اندازه گیری با سرعت بالا هستند. برای نمونه می توانند 600 قرائت یا بیشتر را در یک ثانیه انجام دهند. بدلیل سرعت نمونه برداری بالا این حسگرها برای کاربردهایی مثل روباتهای متحرک، اتوماسیون هوشمند شهری و مدیریت ترافیک، مناسب هستند.
- در شرایط مختلف عمل می کند: مزیت مهم فناوری ToF این است که در شرایط محیطی مختلف به خوبی عمل می کند. این ویژگی به این خاطر است که ToF یک تکنیک “فعال” است. زیرا منبع آن در خود سنسور است و برای اسکن محیط به منبع نور یا صوت خارجی نیاز ندارد.
معایب زمان پرواز
- ممکن است با امواج محیط تداخل کند: از آنجا که فناوری زمان پرواز تکنیک فعال بوده و به منبع موج خود متکی است، ممکن است منابع موج خارجی در اندازه گیری آن تداخل ایجاد کرده و عملکرد ضعیفی ایجاد کنند.
- انعکاس یا تفرق موج باعث خطای اندازه گیری می شود: عوامل طبیعی مانند سطوح براق یا گوشه‌ها باعث انعکاس یا تفرق موج می شود. این پدیده عملکرد سنسورهای ToF را با مشکل روبرو می کنند. بطور کلی دقت این روش حدود 1٪ فاصله از جسم تخمین زده می شود. بنابراین اگر یک شی در فاصله ۵ متری باشد، ToF با خطای حدود ۵ سانتیمتر فاصله را اندازه می گیرد.
کاربردهای زمان پرواز چیست؟
فناوری های زمان پرواز طیف وسیعی از کاربردها را پوشش داده است. بسیاری از پیشرفت های اخیر در انواع تکنولوژی به لطف این روش و پتانسیل بالقوه آن بوده اند. بنابراین جا دارد که درباره این فناوری مطالعه بیشتری انجام داد و پیگیر نحوه توسعه آن بود. مثالهایی از کاربردهای این تکنولوژی به قرار زیر می باشند.
وسایل نقلیه
از تکنیک تایم او فلایت موج التراسونیک در کنترل وسایل نقلیه خودران استفاده زیادی می شود. برای نمونه جهت تشخیص عابر پیاده و همچنین برای پارک خودرو از این سیستم استفاده می‌شود.
شمارش مردم
با ظهور بیماری کرونا در سال ۱۳۹۹ اصل فاصله گذاری اجتماعی مطرح و شمارش افراد در مکانهای عمومی پیگیری شد. تکنیک تایم او فلایت قادر است تعداد افراد را در محیط بسته تخمین بزند. به این ترتیب ابزارهای مختلفی بر این اساس برای شمارش افراد در فضاهای مختلف توسعه یافتند. بزرگترین مزیت فناوری‌های زمان پرواز برای شمارش افراد این است که از دقت بالا (تا ۹۸٪) اطمینان برخوردار است.
رباتیک
سنسورهای زمان پرواز می توانند در اتوماسیون خطوط مونتاژ استفاده شوند. روباتهای خودران به دید کامپیوتری نیاز دارند و به لطف سرعت پردازش بالا، ToF راه‌حلی عالی برای آن است. برای مثال، با حسگرهای ToF، بازوهای رباتیک می توانند محصولات را در خط مونتاژ جابجا کرده و مرتب کنند.
پزشکی
در تکنیک های مختلف پزشکی بخصوص آنژیوگرافی رزونانس مغناطیسی (MRA)، ToF یک روش بنیادی است. در این روش، خون وارد شده به ناحیه تصویربرداری هنوز اشباع نشده است و با اعمال زمان کوتاه اکو و جبران جریان، سیگنال بسیار قویتری از آن ساطع می شود. به این ترتیب می توان از آن برای تشخیص آنوریسم، گرفتگی یا پارگی رگ استفاده کرد.
گوشی های هوشمند
تلفن های هوشمند از ToF برای بهبود کیفیت عکس ها استفاده می کنند. با این تکنیک گوشی ها عمق تصویر را حس می کنند، و درک بهتری از پس‌زمینه پیدا می کنند. همچنین از آنجایی که این تکنیک در نور کم هم کار می کند، از آن برای عکاسی در شرایطی که نور مطلوب وجود ندارد می توان استفاده کرد. اپلیکیشن هایی وجود دارند که از حسگرهای ToF گوشی برای اندازه گیری فاصله استفاده می کنند.
اندازه گیری جریان مایعات و گازها
سرعت موج التراسونیک به خصوصیات میدانی که موج در آن حرکت می کند بستگی دارد. لذا می توان از تایم او فلایت برای تشخیص محتوای میدان (شامل جامد، مایع یا گاز) استفاده کرد. از طرفی سرعت موج التراسونیک تابعی از سرعت حرکت میدان است. لذا می توان با اندازه گیری سرعت انتشار موج در بالادست و پایین دست جریان، سرعت کل جریان را تخمین زد. این اندازه گیری موازی با جریان یا راستای مشخصی از آن انجام می شود.
اندازه گیری جریان (فلو) با استفاده از زمان پرواز
برای درک بهتر موضوع جزئیات بیشتری را در مورد کاربرد روش تایم آو فلایت در اندازه گیری جریان یا فلومتری ارائه می کنیم. در این روش سرعت جریان مایع یا گاز درون لوله بدون تماس با میدان جریان و از روی لوله اندازه گیری می شود. دو حسگر التراسونیک مطابق شکل در دو نقطه از جداره لوله با زاویه مشخصی نسبت به محور لوله تعبیه می شوند. از روش تایم آو فلایت زمان ارسال موج از بالا دست به پایین دست و بالعکس محاسبه می شود.
در این مثال سیال از چپ به راست در شکل جریان دارد. زاویه نصب سنسور و لوله θ، قطر لوله D و فاصله خطی بین دو سنسور L است. سرعت انتقال موج التراسونیک در محیط گاز c و سرعت گاز v است. محاسبات مربوط به سرعت گاز در شکل ارائه شده است. برای اطلاعات بیشتر به این مقاله مراجعه کنید.
برای محاسبه زمان ها در مرحله اول از تکنیک ToF استفاده می شود. زمان پرواز در فلومتر اولتراسونیک در حد نانوثانیه است. برای اندازه گیری این زمان، پردازنده باید تایمر در حد پیکوثانیه داشته باشد. برای محاسبه ToF پردازنده چندین سیگنال تحریک را از طریق منبع التراسونیک به سمت سنسور گیرنده ارسال می کند. تعداد این سیگنالهای تحریک معمولا بین ۵ تا ۱۵ موج می باشند. فرکانس آنها با فرکانس منبع التراسونیک انطباق دارد. پس از انتشار در محیط، سنسور گیرنده التراسونیک سیگنال اکو ناشی از موج ارسالی را دریافت می کند. شکل زیر سیگنال تحریک فرستنده و سیگنال اکو دریافت شده در سنسور گیرنده را نمایش می دهد. زمان پرواز یا تایم آو فلایت فاصله زمانی بین این دو سیگنال است.
