Tiefensensoren visualisieren Volumina

Von Jon Gabay für Mouser

Roboter und Bildverarbeitungsgeräte verwenden eine Vielzahl von Feedback-Mechanismen, um die Genauigkeit zu gewährleisten. Es gibt mehrere Möglichkeiten, 3-D-Räume mit einigermaßen guter Genauigkeit zu erkennen. Bislang wurden optische, akustische und mechanische Sicht- und Sensortechniken mit angemessenem Erfolg eingesetzt. Anspruchsvollere Anforderungen zwingen uns dazu, unsere bereits spitzen Bleistifte zu spitzen. Sichtbasierte Designs der nächsten Generation konzentrieren sich auf eine präzisere Tiefen- und Volumenerfassung mit höherer Genauigkeit.

Die bisher angewandten Techniken waren bisher für die anstehenden Probleme in Ordnung. Die kostengünstigsten mechanischen Tiefen- oder Oberflächensensoren können so einfach sein wie ein federbelasteter linearer Trimpot oder ein Endschalter.

Wenn es um Präzision geht, haben sich schalltechnische und optische Verfahren ohne bewegliche Teile als zuverlässiger erwiesen. Optische Entfernungsmessung wird für einfache Näherungserkennung und genauere Entfernungsmessung verwendet. Annäherungen von weniger als einem Millimeter bis zu 8 Metern können als digitales Go/No-Go-Signal wahrgenommen werden, das die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Ziels anzeigt.

Dank der kostengünstigen, hochauflösenden modernen Kamerageneration ist die Videotechnik bei der Entfernungs- und Volumenmessung führend. Design und Anforderungen der nächsten Generation zwingen die Gerätehersteller dazu, Hochleistungslösungen anzubieten.

Zusätzlich zu den Maschinen, die eine höhere Genauigkeit benötigen, entstand in der Welt der Pandemie die Notwendigkeit, Personen und Belegungszahlen an einem bestimmten Ort zu erkennen. Die Abstände zwischen den Personen sind eine relativ neue Anforderung, die viele einhalten müssen. Ein ähnlicher Zustand, der Aufmerksamkeit erfordert, ist der der Demenz. In Einrichtungen des betreuten Wohnens ist die Fähigkeit eines allumfassenden Computersystems zur Verfolgung des Aufenthaltsortes umherziehender Patienten von entscheidender Bedeutung.

Auch Industrie- und Fabrikanwendungen können von den robusteren und genaueren Subsystemen zur Abstands- und Volumenmessung profitieren. Mit dem Fortschritt und der Verschmelzung fortschrittlicher Fertigungstechnologien wird die Rückmeldung über Genauigkeit, Position, Richtung, Geschwindigkeit und Tiefe für die Fertigungsmaschinen der nächsten Generation immer wichtiger. So sind beispielsweise Fräsmaschinen auf präzise Motoren und Getriebe angewiesen, um die Schneid- und Schleifköpfe korrekt zu positionieren. Zu tief, und ein Schneidkopf bricht. Zu oberflächlich, und es bleibt zu viel Material übrig. Diese Geräte treffen den richtigen Punkt mit genauer Entfernungsmessung, selbst wenn die Kalibrierung nicht stimmt. Ein geschlossener Regelkreis führt zu besseren Ergebnissen. CNC-Maschinen, 3-D-Drucker und Laser-/Plasmaschneid- und Schweißmaschinen profitieren ebenfalls von der höheren Genauigkeit des geschlossenen Regelkreises.

Analog Devices hat den wachsenden Bedarf an volumetrischer Erfassung und Messung bei vielen Applikationen vorausgesehen. Die AD-FXTOF1-EBZ ist eine spezielle modulare Video-Engine mit integrierter Time-of-Flight-(ToF)-Abstandsmessung (Abbildung 1).

Abbildung 1: Das modulare 3-D-Sensorik-Entwicklungskit unterstützt verschiedene Applikationen von der Volumenmessung bis hin zur Belegungs- und Aktivitätserkennung. (Quelle: Analog Devices)

Die VGA-Auflösung von 640x480 bei 30 Bildern pro Sekunde ermöglicht eine einfache Integration als Peripheriefunktion in eine Host-Applikation. Es verfügt über eine MIPI-Schnittstelle (Mobile Industry Processor Interface) mit zwei Lanes, die über ein 25- oder 15-poliges Flexkabel mit einem Interposer-Board verbunden werden kann.

Der 940-nm-IR-Laser ist ein augensicherer, oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL), der die Herstellungskosten durch den Wegfall der rechtwinkligen Emitterkonfiguration reduziert. Die Kamera kann auch bei schlechten Lichtverhältnissen eingesetzt werden, unter anderem dank des optischen 940-nm-Bandpassfilters. Dadurch werden Störgeräusche und Interferenzen von externen Quellen blockiert. Ein batwingartiger Diffusor sorgt dafür, dass die Empfangslinse ein präzises Sichtfeld von 87 x 67 Grad hat.

Das Video-Entfernungsmessgerät verfügt über zwei einstellbare Bereiche, in denen es arbeiten kann. In einem Bereich von 20 cm bis 180 cm und einem Bereich von 50 cm bis 300 cm wird eine Genauigkeit von 2 Prozent eingehalten. Es benötigt eine 5 V 2 A Stromversorgung, die für einen Temperaturbereich von -20ºC bis +75ºC ausgelegt ist, was es für die Umwelt ziemlich widerstandsfähig und robust macht.

Die SDK-Schnittstelle im Stil eines Entwicklungskits ermöglicht den Anschluss an einen Host-Mikroprozessor, Mikrocontroller oder Einplatinencomputer wie Raspberry Pi oder Nvidea (Abbildung 2). Das SDK bietet auch OpenCV, Open C/C++, Python^®, MATLAB^®, Open3D und RoS Wrapper, so dass Entwickler diese zur Vereinfachung der Anwendungsentwicklung nutzen können. Zu den Anschlussoptionen gehören USB, Ethernet oder WLAN, und es sind ein Referenzdesign sowie eine Materialliste verfügbar.

Abbildung 2: Die RFPC-Platine für Kamera und Objektiv und die AFE-Platinen für die Bildverarbeitung verwenden IIC-Schnittstellen zur Steuerung und Konfiguration. Operative GPIO- und MIPI-Schnittstellen ermöglichen die Steuerung und den Datenzugriff in Echtzeit. (Quelle: Analog Devices)

Der Bedarf an schneller und präziser Bild- und Entfernungserfassung ermöglicht es den Entwicklern, Sensoren, Roboter, Fahrzeuge und Sicherheitssysteme der nächsten Generation zu entwickeln. Mit dem AD-FXTOF1-EBZ  von Analog Devices können Sie das Wasser schnell und einfach testen. Erwarten Sie eine höhere Auflösung, schnellere Bildraten und größere Entfernungen bei zukünftigen Versionen dieser Technologie, wenn sie in verschiedenen Heim- und Industrieanwendungen eingesetzt wird.