Sensores infrarrojos y de tiempo de vuelo láser

01 · Punto de partida

Distancia con luz

En el tema 17 medimos distancias con el eco del sonido. Funcionaba bien con superficies duras y a bastantes metros, pero tenía tres limitaciones que molestan en muchos proyectos: un haz ancho (un cono de 15° o más), una zona ciega de 2 cm y una respuesta lenta (60 ms entre mediciones, con la velocidad del sonido como límite físico). La luz no tiene esos problemas: se concentra en un haz fino, viaja un millón de veces más rápido y permite sensores pequeños con respuesta de decenas de milisegundos o menos. Su costo es otro: el resultado depende de cuánta luz refleja el objeto y de cuánta luz ajena hay en el ambiente.

El tema recorre las dos técnicas ópticas más comunes. La triangulación (Sharp GP2Y0A) mide el ángulo con que vuelve un haz infrarrojo y lo convierte en una tensión analógica de curva no lineal. El tiempo de vuelo (VL53L0X) mide directamente el tiempo que tarda un pulso láser en ir y volver, y entrega la distancia en milímetros por I2C.

02 · Principio

La triangulación del Sharp

Un sensor Sharp GP2Y0A tiene un LED infrarrojo que emite un haz angosto, una lente y un detector sensible a la posición (PSD) a una distancia fija del emisor, llamada base B. El haz sale paralelo, rebota en el objeto y vuelve en un ángulo que depende de la distancia: cuanto más lejos el objeto, más paralelo regresa y más cerca del eje cae el punto luminoso sobre el detector. Por geometría simple de triángulos semejantes, la posición x del punto en el detector es:

donde f es la distancia focal de la lente y d la distancia al objeto. La posición del punto es inversamente proporcional a la distancia. El circuito interno convierte esa posición en una tensión, de modo que la salida del sensor es, aproximadamente, V ≈ a / (d + b) + c: una hipérbola, no una recta. Las hojas de datos de Sharp lo grafican como una recta contra el inverso de la distancia, que es la forma de linealizarlo.

Las propiedades principales de un GP2Y0A21YK0F, el modelo más conocido (los otros de la familia cambian el rango):

• Rango útil: de 10 a 80 cm. Otros modelos: GP2Y0A41 (4 a 30 cm), GP2Y0A02 (20 a 150 cm), GP2Y0A710 (100 a 550 cm).
• Salida: tensión analógica de unos 2,7 V a 10 cm hasta unos 0,4 V a 80 cm, que se lee con el ADC.
• Alimentación: 4,5 a 5,5 V, con un consumo de unos 30 mA y picos al emitir.
• Período de actualización: unos 38 ms (±10 ms): la salida se actualiza a esa cadencia, no más rápido.
• Haz angosto: mucho más fino que el de un ultrasónico, ideal para detectar un objeto concreto.

03 · Del voltaje a los centímetros

Leer y linealizar un Sharp

Usaremos un modelo ilustrativo de la curva de un GP2Y0A21, de la forma que sugiere su hoja de datos: V = 0,1 + 27,5 / (d + 0,42) para d de 10 a 80 cm. Los valores son aproximados; la curva real de tu ejemplar hay que medirla (tema 5). Invirtiéndola:

La última columna es la consecuencia práctica de la forma hiperbólica: la resolución es muy buena cerca y empeora con el cuadrado de la distancia. Derivando la fórmula, un paso del ADC (4,9 mV) equivale a (d + 0,42)² / 27,5 × 0,00489 cm. A 80 cm, un solo escalón del ADC vale más de un centímetro, y el ruido de unos milivolts de la salida se traduce en un par de centímetros de incertidumbre. Un Sharp es excelente para distancias cortas y mediocre al final de su rango.

// Modelo ilustrativo del GP2Y0A21: sustituir A, B y C por los de la curva medida del ejemplar
const float A = 27.5, B = 0.42, C = 0.1;     // d = A / (V - C) - B

float distanciaSharp() {
    int cuentas = analogRead(A0);
    float volts = cuentas * 5.0 / 1023.0;
    if (volts <= C + 0.2) return NAN;          // casi sin señal: más allá de 80 cm
    float d = A / (volts - C) - B;
    if (d > 80.0) return NAN;                  // fuera del rango útil
    if (d < 10.0) return NAN;                  // por debajo del mínimo la curva se invierte: no se confía
    return d;
}

El código rechaza lo que cae fuera de 10 a 80 cm, pero no puede detectar el objeto a 5 cm que se hace pasar por uno a 20 cm; eso es un problema de montaje. Para usar el sensor con comodidad hay tres cuidados prácticos:

• Desacople fuerte: el sensor consume pulsos de corriente al emitir. Un capacitor de 10 µF entre Vcc y GND junto al sensor evita que el ruido de la alimentación llegue a la salida.
• Filtrado: la salida tiene ruido de decenas de milivolts. Una mediana de 3 a 5 lecturas y un filtro exponencial (tema 5) la estabilizan. No tiene sentido leer más de una vez cada 38 ms.
• Referencia del ADC estable: como la salida es absoluta (no ratiométrica), una alimentación que varía altera la lectura. Se usa una referencia propia (tema 10).

04 · Contar el tiempo de la luz

El tiempo de vuelo láser

Los sensores de tiempo de vuelo (time of flight, ToF) emiten un pulso de luz y miden cuánto tarda en volver: la misma idea del ultrasonido, con luz. La diferencia es de escala. La luz viaja a 299 792 458 m/s, de modo que un objeto a 1,2 m devuelve el pulso en solo 8 ns. Y para resolver 1 mm hay que distinguir diferencias de 6,7 picosegundos (2 mm de recorrido de ida y vuelta / velocidad de la luz). Ningún microcontrolador cronometra eso; lo hace el propio sensor con un circuito dedicado.

El VL53L0X de STMicroelectronics integra todo en un encapsulado de 4,4 × 2,4 mm: un láser de emisión vertical (VCSEL) de 940 nm, una matriz de detectores de fotones individuales (SPAD), la electrónica de cronometraje y un procesador que calcula la distancia a partir de la distribución de los fotones recibidos. Entrega el resultado por I2C. Sus datos principales, de la hoja del fabricante:

Una familia relacionada, el VL53L1X, llega a unos 4 m y permite elegir la zona del detector que se usa (region of interest) para estrechar el haz. El principio y la programación son similares.

05 · Programa

Programar el VL53L0X

El protocolo de bajo nivel del VL53L0X es complejo (cientos de registros de calibración que se cargan al iniciar), por lo que se lo usa casi siempre con una biblioteca del fabricante o de terceros, como la de Pololu. La lectura en modo continuo, sin bloquear el programa más de lo necesario, tiene esta forma:

#include <Wire.h>
#include <VL53L0X.h>

VL53L0X sensor;

void setup() {
    Wire.begin();
    sensor.setTimeout(500);                   // para no quedar esperando si el sensor no contesta
    if (!sensor.init()) {
        // el sensor no respondió: cableado, dirección o alimentación
    }
    sensor.startContinuous(33);               // una medición cada 33 ms
}

void loop() {
    uint16_t mm = sensor.readRangeContinuousMillimeters();
    if (sensor.timeoutOccurred()) {
        // el sensor dejó de responder: tratar como falla
    } else if (mm >= 8190) {
        // «sin objeto»: el sensor devuelve 8190 o 8191 cuando no hay blanco válido
    } else {
        // mm es una distancia en milímetros
    }
}

Observá los tres resultados posibles, que el programa debe distinguir: una distancia válida, un valor de fuera de rango (8190 mm o similar: no hay objeto o está demasiado lejos o es demasiado oscuro) y un tiempo de espera agotado (el sensor ni siquiera contesta). Confundirlos es el error más común: tratar 8190 como una distancia de 8 metros o el cero de un fallo del bus como un objeto pegado.

Perfiles de medición

El tiempo de medición se negocia con el alcance y la precisión. La biblioteca permite ajustar el presupuesto de tiempo (más tiempo, más fotones, menos ruido) y los períodos del pulso láser:

En la biblioteca de Pololu se cambian con setMeasurementTimingBudget(...) (en microsegundos), setSignalRateLimit(...) y setVcselPulsePeriod(...). El criterio de elección es el de siempre: más tiempo y más fotones reducen el ruido; más velocidad lo aumentan.

Varios sensores en el mismo bus

Todos los VL53L0X salen de fábrica con la misma dirección (0x29), así que dos en el mismo bus chocarían. La solución es el pin XSHUT, que reinicia cada sensor: se los mantiene todos en reinicio, se libera uno, se le asigna una dirección nueva por software y se sigue con el siguiente.

const uint8_t XSHUT[2] = {4, 5};
VL53L0X sensores[2];

void iniciarSensores() {
    for (uint8_t i = 0; i < 2; i++) {          // todos en reinicio: ninguno responde en 0x29
        pinMode(XSHUT[i], OUTPUT);
        digitalWrite(XSHUT[i], LOW);
    }
    for (uint8_t i = 0; i < 2; i++) {
        pinMode(XSHUT[i], INPUT);               // se libera el reinicio del sensor i (el módulo tiene pull-up)
        delay(10);
        sensores[i].setTimeout(500);
        sensores[i].init();
        sensores[i].setAddress(0x30 + i);       // dirección propia; los demás siguen en reinicio
        sensores[i].startContinuous(50);
    }
}

La dirección se pierde al apagarse el sensor: el procedimiento se repite en cada arranque. Es una idea general: cuando varios dispositivos idénticos comparten un bus, se los habilita de a uno en el arranque para asignarles identidades distintas.

06 · Lo que la luz no perdona

Superficies, luz y geometría

Los sensores ópticos reciben una cantidad de luz que depende del objeto, y de esa cantidad depende la medición:

• Reflectividad. Un blanco devuelve la mayor parte de la luz (alrededor del 90 %); un gris, la mitad; un negro mate, solo el 5 a 10 %. En un ToF el alcance cae de forma notable con el color: un objeto negro puede medirse a la mitad de la distancia, o menos, que uno blanco. En un Sharp, la lectura cambia algo con el color (el fabricante indica una dispersión de pocos centímetros), pero mucho menos que en otros sensores ópticos.
• Superficies brillantes y espejos. Una superficie especular refleja el haz en una sola dirección: si no es perpendicular, el haz se aleja y no regresa. El vidrio transparente se atraviesa y mide lo que hay detrás.
• Luz ambiente. El sol y las lámparas incandescentes emiten mucho infrarrojo cercano que ocupa los detectores y reduce el alcance de un ToF a una fracción de su valor en interior. Al aire libre el VL53L0X pierde buena parte de su alcance.
• Cubierta del sensor. Si el sensor está detrás de una ventana, parte de la luz se refleja en ella y llega al detector como un objeto «a cero distancia» (diafonía, crosstalk). Los ToF incluyen una calibración para compensarlo, pero la ventana debe estar muy cerca del sensor, limpia y ser transparente al infrarrojo.
• Campo de visión. A 1 m, un cono de 25° cubre un círculo de unos 44 cm. Un objeto pequeño en un fondo más lejano puede promediarse con él y entregar una distancia intermedia que no corresponde a nada.
• Interferencia entre sensores. Dos ToF que apuntan al mismo lugar pueden interferirse; se los dispara por separado o se los orienta de modo que no se vean.

Frente a esto, el ultrasonido tiene las debilidades opuestas: el color y la transparencia no le importan, pero sí la blandura y la inclinación. En las aplicaciones difíciles se combinan los dos.

07 · Elegir

Comparación y elección

Criterios prácticos: HC-SR04 para alcances largos y objetos de color cualquiera en interiores; VL53L0X para distancias de pocos metros con alta resolución y un haz fino, en ambientes con luz controlada; Sharp cuando se quiere una respuesta analógica rápida a distancias cortas, a costa de linealizar y proteger el mínimo. Un robot serio suele combinar un ultrasónico (largo alcance, robusto al color) con ToF (detalle cercano).

08 · Analogía con programación

La curva del Sharp y los tiempos de la luz

Probemos tres piezas de lógica. Primero, el modelo ilustrativo del Sharp con su inversión, la ambigüedad bajo 10 cm y cómo crece el escalón de distancia con el cuadrado de la distancia. Segundo, los tiempos de la luz: cuánto tarda el pulso en ir y volver y qué resolución temporal hace falta para un milímetro. Tercero, la interpretación de los resultados posibles de un ToF (válido, fuera de rango y falla).

def sharp_v(d):
    """Modelo ilustrativo de un GP2Y0A21: V = 0,1 + 27,5 / (d + 0,42) a partir de 10 cm."""
    if d >= 10:
        return 0.1 + 27.5 / (d + 0.42)
    return sharp_v(10) * d / 10                  # bajo el mínimo la tensión baja en vez de subir


def sharp_d(v):
    return 27.5 / (v - 0.1) - 0.42


print("real  tensión  cuentas  calculada  error")
for d in (5, 10, 15, 20, 40, 60, 80):
    v = sharp_v(d)
    cuentas = round(v / 5 * 1023)
    calculada = sharp_d(cuentas * 5 / 1023)
    print(f"{d:4d}  {v:6.3f}  {cuentas:7d}  {calculada:9.1f}  {calculada - d:+6.1f}")

print()
for d in (20, 40, 80):
    escalon = (d + 0.42) ** 2 / 27.5 * 5 / 1023
    print(f"resolución a {d:2d} cm: {escalon:.3f} cm por cuenta del ADC")

# ---- Tiempo de vuelo de la luz ----
C = 299_792_458
print()
for d in (0.1, 1.2, 2.0):
    print(f"objeto a {d:3.1f} m: ida y vuelta en {2 * d / C * 1e9:6.3f} ns")
print(f"1 mm de distancia = {2e-3 / C * 1e12:.2f} ps de tiempo de vuelo")


def interpretar(mm, tiempo_agotado=False):
    if tiempo_agotado:
        return "FALLA: el sensor no responde"
    if mm >= 8190:
        return "sin objeto en el alcance"
    return f"distancia válida: {mm} mm"


print()
for caso in ((350, False), (8190, False), (0, True)):
    print(interpretar(*caso))

Resultado: el modelo se invierte bien de 10 a 80 cm (errores de 0,5 cm como máximo a 80 cm). Un objeto a 5 cm entrega 1,37 V y el programa calcula 21,3 cm: un error de +16 cm, el punto ciego engañoso. El escalón del ADC vale 0,07 cm a 20 cm, 0,29 cm a 40 cm y 1,15 cm a 80 cm. El pulso de luz tarda 8,0 ns en recorrer 1,2 m (ida y vuelta) y 1 mm equivale a 6,67 ps. Probá cambiar el 27.5 de la curva y mirá cómo se desplazan las distancias calculadas.

El modelo del Sharp es una aproximación; lo importante es la forma de las conclusiones: la resolución se degrada con la distancia y la curva es ambigua bajo el mínimo.

09 · Exploración interactiva

Un Sharp con su curva y un VL53L0X con su alcance

El primer instrumento simula el Sharp con el modelo de la sección 03: elegí la distancia y activá el ruido para ver la tensión, las cuentas, la distancia calculada y el error, incluida la ambigüedad bajo 10 cm. El segundo simula un VL53L0X: elegí el objeto (blanco, gris o negro), la luz ambiente y el perfil de medición, y mirá la lectura, su ruido y el alcance máximo. Los alcances y ruidos del segundo son un modelo ilustrativo, no datos del fabricante.

Recorrido guiado

1. Con el Sharp a 20 cm: 1,45 V, 296 cuentas, 20,0 cm calculados. La resolución local es de 0,07 cm por cuenta. Subí a 80 cm: 0,44 V y 1,15 cm por cuenta. La resolución se degrada con el cuadrado de la distancia.
2. Activá el ruido de 20 mV y medí varias veces a 20 cm (error de pocos milímetros) y a 80 cm (error de varios centímetros). El mismo ruido eléctrico pesa mucho más lejos.
3. Bajá la distancia a 5 cm: el programa calcula unos 21 cm y el estado avisa de que se está por debajo del mínimo. Es la lectura engañosa: un obstáculo inminente que parece lejano.
4. Subí a 95 cm: la tensión llega casi al piso (0,4 V) y el programa lo trata como fuera de rango.
5. En el instrumento 2, con un blanco a 500 mm, luz de interior y perfil por defecto: la lectura es de unos 500 mm, con ruido de pocos milímetros.
6. Cambiá el objeto a negro mate y subí la distancia hasta que el sensor devuelva 8190: el alcance se reduce a menos de la mitad. Pasá a «Sol directo»: se reduce todavía más.
7. Con el objeto negro a la distancia límite, cambiá al perfil «Largo alcance»: vuelve a medir, con más ruido. Con «Alta precisión» el ruido baja, pero tarda 200 ms por medición y el alcance es el normal.
8. Llevá la distancia a 10 mm: aparece el estado «bajo el mínimo»; el sensor no mide con confianza por debajo de unos 30 mm.

10 · Método de trabajo

Cómo elegir y usar un sensor óptico de distancia

1. Definí el rango, la exactitud y la velocidad, y el tipo de objeto: tamaño, color, brillo.
2. Evaluá el entorno de luz: interior, ventana, exterior. Si hay sol, un ToF es poco fiable.
3. Elegí el sensor: Sharp para respuesta analógica rápida y corta; VL53L0X para milímetros a pocos metros; un ultrasónico si el color o la luz son problemas.
4. Protegé el mínimo: en un Sharp, que ningún objeto pueda acercarse por debajo de la distancia mínima; en un ToF, respetá los 30 mm.
5. Linealizá y calibrá con la curva medida de tu ejemplar (tema 5), no con una de otro.
6. Filtrá con una mediana y usá histéresis en las decisiones por umbral.
7. Distinguí siempre tres resultados: distancia válida, sin objeto en el alcance y falla del sensor.
8. Probá con el peor objeto: el más oscuro, el más brillante, bajo la luz más fuerte que habrá en la instalación.
9. Si usás varios ToF, asigná direcciones con XSHUT en cada arranque.

Si las lecturas se disparan al aire libre o con un objeto oscuro, sospechá de la reflectividad y de la luz ambiente; si un Sharp «dice lejos» cuando el objeto está cerca, de la zona bajo el mínimo.

11 · Comprensión

Confusiones frecuentes

12 · Práctica guiada

Predecí antes de comprobar

1. De la tensión a la distancia

Con el modelo d = 27,5/(V − 0,1) − 0,42, un Sharp entrega 1,45 V. ¿A qué distancia está el objeto?

2. Resolución al final del rango

¿Cuántos centímetros equivale un paso del ADC (4,89 mV) a 60 cm con el mismo modelo?

3. La ambigüedad del mínimo

Un Sharp entrega 1,45 V, la misma tensión que a 20 cm. Con el modelo (por debajo de 10 cm, V = 2,74 × d / 10), ¿a qué otra distancia podría estar el objeto? ¿Cómo se evita la confusión?

4. Tiempos de la luz

¿Cuánto tarda el pulso de luz en ir y volver de un objeto a 1,2 m? ¿Qué resolución de tiempo se necesita para distinguir 1 mm?

5. Dos sensores, una dirección

Dos VL53L0X comparten el bus I2C. Describí los pasos del arranque para asignarles las direcciones 0x30 y 0x31.

6. Elegir el sensor

Elegí Sharp, VL53L0X o HC-SR04 para: (a) un robot en exteriores que debe detectar paredes de cualquier color entre 20 y 300 cm; (b) medir la altura de hasta 40 cm de una pila de hojas blancas con ±2 mm, en interior; (c) detectar rápidamente (cada 40 ms) una mano a 10–30 cm con salida analógica.

13 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el tema 19?

Antes de avanzar, calculá la distancia de un Sharp que entrega 0,78 V con el modelo del tema, explicá por qué un objeto a 5 cm puede parecer lejano y decidí cómo tratarías un resultado de 8190 mm de un VL53L0X. Si podés justificar las tres respuestas, tenés los criterios para medir distancias con luz.

En el próximo tema pasamos a la detección de presencia: los sensores PIR y de microondas, con sus tiempos de retardo y sus falsos positivos.