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來源：DigiKey 作者：Bill Schweber 人們普遍以為，技術(shù)的進(jìn)步是一條直線，一目了然，半導(dǎo)體行業(yè)公布的未來五年或十年工藝技術(shù)和節(jié)點(diǎn)縮小“路線圖”強(qiáng)化了這種觀念，好像這一切都可以根據(jù)過去的發(fā)展軌跡輕易推算出來。 然而，在許多情況下，技術(shù)進(jìn)步的實(shí)際過程并非如此。任何在 1947 年研究真空管技術(shù)并預(yù)測其近期和中期未來的人，肯定想不到晶體管這樣顛覆性的發(fā)明會誕生。同樣，在 20 世紀(jì) 50 年代初研究晶體管和電路的預(yù)測者，也不會想到 50 年代末期會出現(xiàn)集成電路。 技術(shù)進(jìn)步不僅僅源于這種顛覆性、革命性且通常不可預(yù)見的事件。相反，在很多情況下，技術(shù)進(jìn)步是因?yàn)橐粋�領(lǐng)域的從業(yè)者看到、借鑒并利用了其他不相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展成果。例如，固態(tài)工藝技術(shù)的許多進(jìn)步之所以可能，是因?yàn)槿藗兡軌颢@得高純度的基本元素和化合物，以及為太空望遠(yuǎn)鏡開發(fā)的先進(jìn)光學(xué)技術(shù)。 跨領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展可以實(shí)現(xiàn) 1+1 > 2 的效果，這方面的另一個例子是飛行時間 (ToF) 系統(tǒng)和傳感器，它們對于高級機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 和計(jì)算機(jī)視覺 (CV) 系統(tǒng)越來越重要。 在過去的十年里，ToF 系統(tǒng)的應(yīng)用越來越多。盡管其基本原理早已為人所知，但要付諸實(shí)踐卻困難重重，不切實(shí)際。現(xiàn)在，得益于快速強(qiáng)大的計(jì)算系統(tǒng)以及光電傳感器和可控激光器等基本光學(xué)產(chǎn)品的進(jìn)步，ToF 漸成主流技術(shù)。 什么是 ToF？ 所有 ToF 傳感器都使用光信號（光子）在兩點(diǎn)之間傳播（即從傳感器的發(fā)射器到目標(biāo)，再反射回到傳感器的接收器）所需的時間來測量距離。這類似于雷達(dá)的工作原理，雷達(dá)通過發(fā)射射頻能量并接收反射回來的能量來測定距離和探測物體。ToF 在自主駕駛車輛和智能視覺機(jī)器人領(lǐng)域的運(yùn)用，加速了 ToF 技術(shù)的進(jìn)步和成熟。 ToF 有兩種形式：直接和間接（圖 1）。直接 ToF 傳感器發(fā)出僅持續(xù)幾納秒的短光脈沖，然后測量其中一些光返回所需的時間。相比之下，間接 ToF 傳感器發(fā)出連續(xù)的調(diào)制光，并測量反射光的相位，以計(jì)算到目標(biāo)的距離。選擇使用哪一種取決于具體應(yīng)用。 
圖 1：直接 ToF 傳感器使用短光脈沖和精密時間測量（左）；間接方法使用連續(xù)調(diào)制輸出和相對相位測量（右）。（圖片來源：Terabee/Switzerland） 傳統(tǒng)的非 ToF 相機(jī)只能捕捉二維彩色圖像，每個像素對應(yīng)網(wǎng)格中的一個位置。但是，高精度 ToF 傳感器以接近 1:1 的像素比為傳統(tǒng)照片增加了第三維度。 這些傳感器通過創(chuàng)建“點(diǎn)云”來直觀地以相機(jī)視場的 X、Y、Z 坐標(biāo)表示單個像素。ToF 傳感器甚至可以為視頻增加第三維度，因?yàn)閺淖罨镜囊饬x上來說，視頻是一系列圖像的集合。在這個過程中，它們會創(chuàng)建動態(tài)的三維點(diǎn)云和實(shí)時的深度映射視頻流。 不限于車輛 ToF 的用途并不局限于自主駕駛車輛，如 Banner Engineering 的 ZMX 系列 3D ToF 傳感器所示（圖 2）。ZMX-3DE2500HF 單元采用 850 nm 紅外 (IR) 光源，可以測量和監(jiān)視三維區(qū)域內(nèi)的物體，為生產(chǎn)線上的裝填應(yīng)用提供單傳感器解決方案。該單元能檢測峰高和平均填充水平。
圖 2：ZMX 系列 3D ToF 傳感器可以測量、監(jiān)視、檢測生產(chǎn)線上的峰高和平均填充水平。（圖片來源：Banner Engineering） ZMX 系列具有 60° × 45° 的大視場 (FOV)，分辨率為 272 × 208 像素，距離范圍為 200 至 2500 mm。該傳感器可以檢測任何尺寸、形狀或方向的物品，對于材料、產(chǎn)品或包裝聚集在一個規(guī)定區(qū)域內(nèi)的自動化工業(yè)和生產(chǎn)應(yīng)用，它是理想的工具。另一個有意義的特性是，其完全獨(dú)立自足，不需要單獨(dú)的控制器或 PC。只需要定義幾項(xiàng)設(shè)置，可在幾分鐘內(nèi)完成部署。物理連接也很簡單，只需要連接一條電源線和一條以太網(wǎng)線。 ZMX 系列傳感器可用于： · 監(jiān)視自動化系統(tǒng)中從滑道或傳送帶收集物品的容器中的物品。結(jié)合數(shù)字成像和數(shù)千個激光測量點(diǎn)，它可以檢探測三維區(qū)域內(nèi)的物體。 例如，將一個箱子放在某個位置來收集若干小的長方形盒子，箱子里面的盒子會堆積起來，形成一個形狀不可預(yù)測的堆垛。為了準(zhǔn)確判斷箱子何時填滿，傳感器解決方案必須能夠檢測箱子全部區(qū)域上的填充高度變化。 · 識別物體的最大高度，無論最高點(diǎn)可能在感測區(qū)域內(nèi)的什么位置。這也有助于計(jì)算填充體積。單個 3D 傳感器可以出色地確保容器填充量一致，防止過量裝填，跟蹤填充率，以及微調(diào)處理速度。 · 簡化應(yīng)用，不再需要多個單點(diǎn)傳感器。單個 3D 傳感器更易于安裝和跟蹤，性能更可靠。當(dāng)測量一堆不同形狀的物體時，傳統(tǒng)的單點(diǎn)技術(shù)可能不可靠。 例如，單個激光器可能照射到兩個物體之間的間隙，因而指示填充水平處于低位，或者超聲波傳感器的信號可能被角度或形狀奇特的物體反射到接收范圍之外，因而根本沒有讀數(shù)（圖 3）。相比之下，一個位于中央的 ZMX 傳感器可以完整覆蓋檢測區(qū)域的所有三個維度。
圖 3：超聲波傳感器可能會被目標(biāo)處的間隙或異常反射誤導(dǎo)（左）；相比之下，ToF 系統(tǒng)提供完整的三維區(qū)域覆蓋（右）。（圖片來源：Banner Engineering） 然后是設(shè)置簡單 這些單元只有兩個連接器和一些有用的 LED 指示燈，因此物理互連非常簡單。一個是用于以太網(wǎng)的 M8 母頭連接器，另一個是承載直流電源（12 VDC 至 30 VDC）并提供兩個數(shù)字 I/O 通道的 M8 公頭圓形連接器（圖 4）。
圖 4：ZMX 系列傳感器單元提供用戶友好的 LED 指示燈，并通過兩個 M8 圓形連接器輕松實(shí)現(xiàn)互連。（圖片來源：Banner Engineering） 雖然電氣連接足夠簡單，但對于位置和區(qū)域傳感器來說，難點(diǎn)之一是設(shè)置，要讓它們看到需要看到的地方：不多也不少。 幸運(yùn)的是，ZMX 系列使這種設(shè)置相對容易。Banner 3D Configuration 軟件顯示了設(shè)置和微調(diào)傳感器參數(shù)以及所有連接和 I/O 設(shè)置所需的信息（圖 5）。
圖 5：功能強(qiáng)大的可視化 Banner 3D Configuration 軟件包簡化了 ZMX 系列的設(shè)置和配置。（圖片來源：Banner Engineering） 此軟件將工作區(qū)分為幾個窗格： 1.圖像 (Image) 窗格參數(shù)包括：縮放；x、y、z 坐標(biāo)；圖像顏色；以及視圖選擇。 2.圖像 (Image) 窗格顯示傳感器捕獲的當(dāng)前圖像。該窗格還可用于在與傳感器斷開連接時顯示先前保存的文件以供查看，保存圖像文件，以及在觸發(fā) (Trigger) 模式設(shè)置為外部 (External) 或軟件 (Software) 時手動觸發(fā)傳感器。 3.連接 (Connection) 窗格用于建立與傳感器的連接。 4.傳感器控制 (Sensor Controls) 窗格控制觸發(fā)模式和照明輸出。 5.填充水平 (Fill Level) 窗格包括感興趣區(qū)域和傳感器控制相關(guān)的選項(xiàng)，以及實(shí)時填充和峰高數(shù)據(jù)。 6.通信 (Communications ) 窗格設(shè)置傳感器的通信協(xié)議和 DHCP 選項(xiàng)。 7.傳感器維護(hù) (Sensor Maintenance) 窗格包括傳感器信息以及更新固件、恢復(fù)默認(rèn)或先前設(shè)置、備份當(dāng)前傳感器設(shè)置的選項(xiàng)。 總結(jié) 在實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境中，要穩(wěn)定而準(zhǔn)確地檢測、測量、監(jiān)視三維區(qū)域內(nèi)的物體以測出峰高和平均填充水平，通常困難重重。Banner Engineering 的 ZMX 系列 3D ToF 傳感器采用了光學(xué) ToF 硬件技術(shù)的最新創(chuàng)新成果和軟件算法，有效解決了上述問題，能夠更加容易地提供穩(wěn)定可靠的結(jié)果。它還有一個圖形化配置工具，極大地簡化了設(shè)置、安裝和實(shí)際使用。 |
