传感模块：MATEKSYS Optical Flow & LIDAR 3901-L0X

Posted 2022-12-12 lida2003

传感模块：MATEKSYS Optical Flow & LIDAR 3901-L0X

• 1. 模块介绍
• 2. 规格参数
• 3. 使用方法
• • Step1: 接线方式
  • Step2: 安装方式
  • Step3: 使用范围
• 4. 存在问题(思考)
• • 4.1 MATEKSYS 3901-L0X 输出协议格式？
  • • 4.1.1 支持光流计协议(CXOF)
    • 4.1.2 支持光流计+激光测距协议(UPFLOW)
  • 4.2 iNav & ArduPilot使用该模块存在什么问题?
  • 4.3 如何合理的匹配飞控固件?
  • 4.4 关于“Sonar connection (Trig & Echo) has not been implemented”的问题?
• 5. iNV - MSP Sensor Protocol (突破)
• 6. 参考资料

这里主要针对模块使用过程中遇到的问题做一些整理和总结。

1. 模块介绍

详见: MATEKSYS Optical Flow & LIDAR 3901-L0X

其主要硬件构成：

1. PMW3901 Optical Flow Sensor --> SPI
2. VL53L0X Lidar Sensor --> I2C
3. STM32L051/STM32F051 --> TTL(UART)

2. 规格参数

PMW3901

Field of view: 42 degree
Working range: > 80 mm
Minimum Illumination: >60Lux

VL53L0X

Field of view: 27 degree
Working range: 20 mm ~ 2000 mm

模块参数

Input voltage: 4.5~5.5V
Power Consumption: 40mA
Size: 3612mm (F051 version) 2g
Size: 3613mm (L051 version) 2g

3. 使用方法

根据官网描述和规格分析，我们大致可以知道该模块的使用步骤如下：

Step1: 接线方式

传感模块：Tx/Rx/GND/VCC与飞控对应引脚相接

Step2: 安装方式

1. 光流计安装方向与机头保持一直，且安装在航模底部。
2. 激光测距距离地面高度保持20mm以上。
   

Step3: 使用范围

鉴于以下细节规格：

光流计 > 80 mm
激光测距 20 mm ~ 2000 mm
气压计 10cm以内存在气垫效应

整体上要做到定点定高的悬停功能存在以下局限：

1. 激光测距使能：20mm ~ 80mm ==》VL53L0X定高稳定，定位漂移
2. 激光测距使能：80mm ~ 2000mm ==》VL53L0X定高稳定，定位稳定
3. 激光测距使能：> 2000mm ==》Baro定高，定位稳定
4. 激光测距【不】使能：< 80mm ==》Baro定高，定位漂移
5. 激光测距【不】使能：> 80mm ==》Baro定高，定位稳定

4. 存在问题(思考)

基于使用，以及传感应用逻辑，有以下问题：

4.1 MATEKSYS 3901-L0X 输出协议格式？

4.1.1 支持光流计协议(CXOF)

  +---------------------------+
  |      header (0xFE)        |
  +---------------------------+
  |number of data bytes (0x04)|
  +---------------------------+
  |     x-motion high byte    |
  +---------------------------+
  |     x-motion low byte     |
  +---------------------------+
  |     y-motion high byte    |
  +---------------------------+
  |     y-motion low byte     |
  +---------------------------+
  |         checksum          |
  +---------------------------+
  |      surface quality      |
  +---------------------------+
  |       footer (0xAA)       |
  +---------------------------+

4.1.2 支持光流计+激光测距协议(UPFLOW)

  +------------------------------+
  |   up  header 1 (0xFE)        |
  +------------------------------+
  |   up  header 2 (0x0A)        |
  +------------------------------+
  |  flow_x_integral low byte    |
  +------------------------------+
  |  flow_x_integral high byte   |
  +------------------------------+
  |  flow_y_integral low byte    |
  +------------------------------+
  |  flow_y_integral high byte   |
  +------------------------------+
  |integration_timespan low byte |
  +------------------------------+
  |integration_timespan high byte|
  +------------------------------+
  |     distance_z low byte      |
  +------------------------------+
  |     distance_z high byte     |
  +------------------------------+
  |     optical flow valid       |
  +------------------------------+
  |    distance credibility      |
  +------------------------------+
  |            XOR               |
  +------------------------------+
  |        footer (0x55)         |
  +------------------------------+

4.2 iNav & ArduPilot使用该模块存在什么问题?

目前从协议格式及代码角度，CXOF & UPFLOW协议不兼容。

从兼容性角度看：

Ardupilot代码中，直接支持CXOF & CXOF协议。
iNav代码中，尚未支持UPFLOW协议

4.3 如何合理的匹配飞控固件?

从光流和测距传感类型支持广度角度看：

1. Ardupilot生态支持的的更好，支持UPFLOW
2. 而iNav在测距传感主要停留在直接使用I2C的测距芯片：srf10 tof10120 us42 vl5310x vl5311x，虽然benewake串行协议，但是价格相对略贵。
3. MATEK 3901-L0X在官网介绍中，也提示如果VL5310x 使能，则可以使用2米以下的定高功能，详见官网或者下面截图。
4. 关于VL5310x使能的硬件配置分析（不确定，因为可能还会与嵌入式软件和硬件设计有关）

鉴于上述情况，如果iNav希望使用MATEK 3901-L0X模块，就需要硬件上确认如何使能VL53L0X 芯片，并通过I2C将数据传输到飞控上。

注：VL53L0X 可能与STM32L051/STM32F051连接，至于STM32是否固件上操做I2C控制该芯片，完全取决于软硬件的使能方法。该信息从官网资料上看，并未给出。

该模块使用的参考视频详见：Beginners Guide To Optical Flow Sensor with LIDAR on Drone | MATEKSYS 3901-L0X Optical Flow & LIDAR

4.4 关于“Sonar connection (Trig & Echo) has not been implemented”的问题?

估计是指MATEKSYS 3901-L0X模块，尚没有支持外接声呐测距功能。

现实情况：

1. MATEKSYS 3901-L0X本身是具有激光测距（20mm ~ 2000mm）的VL53L0X Lidar传感器；
2. 通常飞控板子都是集成了一个气压计芯片；
3. 声呐精度相对于激光测距来说不够精准（通常来说：激光mm级别，声呐cm级别）；

初步分析：

1. 【猜测】该模块期望解决定高（低空）+ 定位
2. 【使用】根据规格总结的使用范围与猜测期望解决问题一致
3. 【需求】户外飞行定高定位：通常在GPS+Baro传感融合，效果良好（开阔场地）
4. 【需求】户外飞行RTH功能：除了GPS返航，主要是一个自动精准降落，VL53L0X Lidar能够比较好的处理在2米以下高度精准性
5. 【猜测】该模块补充声呐硬件接口，怀疑希望做数据融合应对低空的各种场景，比如：水面/复杂地形

不知道是什么原因导致MATEK最后没有将该模块以完整功能投入市场。市场需求（购买力），数据融合效果，技术问题，还是其他问题。虽然硬件接口上都遗留了产品规划的一些构思，但是在实际开发和产品化阶段，停留在现在的情况。

5. iNV - MSP Sensor Protocol (突破)

之前主要是BF代码看的多点，而且拿到了一份upixels的光流激光二合一协议手册，总是纠结在CXOF和UPFLOW上。

上面的这个角度去看问题，确实会就在iNav在使用MATEK 模块会遇到一些实际问题。

最终，还是仔细看了MATEK官网给出的一个信息，支持MSPV2格式通信协议。

按照上述角度，可以非常清晰的看清传感数据逻辑流程：

PMW3901 Optical Flow Sensor  --- SPI  ---+
                                         |
                                         +--->   STM32L051/STM32F051 --- TTL(UART/MSP Sensor Protocol)  ---> Flight Control
                                         |
VL53L0X Lidar Sensor         --- I2C  ---+

6. 参考资料

【1】Multiwii Serial Protocol Version 2
【2】BetaFlight模块设计之三十二：MSP协议模块分析