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來(lái)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(lái)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(guò)去的發(fā)展軌跡輕易推算出來(lái)。 然而，在許多情況下，技術(shù)進(jìn)步的實(shí)際過(guò)程并非如此。任何在 1947 年研究真空管技術(shù)并預(yù)測(cè)其近期和中期未來(lái)的人，肯定想不到晶體管這樣顛覆性的發(fā)明會(huì)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(cè)者，也不會(huì)想到 50 年代末期會(huì)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(jiàn)的事件。相反，在很多情況下，技術(shù)進(jìn)步是因?yàn)橐粋�(gè)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(gè)例子是飛行時(shí)間 (ToF) 系統(tǒng)和傳感器，它們對(duì)于高級(jí)機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 和計(jì)算機(jī)視覺(jué) (CV) 系統(tǒng)越來(lái)越重要。 在過(guò)去的十年里，ToF 系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)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?gòu)?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(hào)（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(shí)間來(lái)測(cè)量距離。這類似于雷達(dá)的工作原理，雷達(dá)通過(guò)發(fā)射射頻能量并接收反射回來(lái)的能量來(lái)測(cè)定距離和探測(cè)物體。ToF 在自主駕駛車輛和智能視覺(jué)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(cè)量其中一些光返回所需的時(shí)間。相比之下，間接 ToF 傳感器發(fā)出連續(xù)的調(diào)制光，并測(cè)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(shí)間測(cè)量（左）；間接方法使用連續(xù)調(diào)制輸出和相對(duì)相位測(cè)量（右）。（圖片來(lái)源：Terabee/Switzerland） 傳統(tǒng)的非 ToF 相機(jī)只能捕捉二維彩色圖像，每個(gè)像素對(duì)應(yīng)網(wǎng)格中的一個(gè)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(guò)創(chuàng)建“點(diǎn)云”來(lái)直觀地以相機(jī)視場(chǎng)的 X、Y、Z 坐標(biāo)表示單個(gè)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(lái)說(shuō)，視頻是一系列圖像的集合。在這個(gè)過(guò)程中，它們會(huì)創(chuàng)建動(dòng)態(tài)的三維點(diǎn)云和實(shí)時(shí)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(cè)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(cè)峰高和平均填充水平。
圖 2：ZMX 系列 3D ToF 傳感器可以測(cè)量、監(jiān)視、檢測(cè)生產(chǎn)線上的峰高和平均填充水平。（圖片來(lái)源：Banner Engineering） ZMX 系列具有 60° × 45° 的大視場(chǎng) (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(cè)任何尺寸、形狀或方向的物品，對(duì)于材料、產(chǎn)品或包裝聚集在一個(gè)規(guī)定區(qū)域內(nèi)的自動(dòng)化工業(yè)和生產(chǎn)應(yīng)用，它是理想的工具。另一個(gè)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(jiǎn)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(dòng)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(gè)激光測(cè)量點(diǎn)，它可以檢探測(cè)三維區(qū)域內(nèi)的物體。 例如，將一個(gè)箱子放在某個(gè)位置來(lái)收集若干小的長(zhǎng)方形盒子，箱子里面的盒子會(huì)堆積起來(lái)，形成一個(gè)形狀不可預(yù)測(cè)的堆垛。為了準(zhǔn)確判斷箱子何時(shí)填滿，傳感器解決方案必須能夠檢測(cè)箱子全部區(qū)域上的填充高度變化。 · 識(shí)別物體的最大高度，無(wú)論最高點(diǎn)可能在感測(cè)區(qū)域內(nèi)的什么位置。這也有助于計(jì)算填充體積。單個(gè) 3D 傳感器可以出色地確保容器填充量一致，防止過(guò)量裝填，跟蹤填充率，以及微調(diào)處理速度。 · 簡(jiǎn)化應(yīng)用，不再需要多個(gè)單點(diǎn)傳感器。單個(gè) 3D 傳感器更易于安裝和跟蹤，性能更可靠。當(dāng)測(cè)量一堆不同形狀的物體時(shí)，傳統(tǒng)的單點(diǎn)技術(shù)可能不可靠。 例如，單個(gè)激光器可能照射到兩個(gè)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(hào)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(méi)有讀數(shù)（圖 3）。相比之下，一個(gè)位于中央的 ZMX 傳感器可以完整覆蓋檢測(cè)區(qū)域的所有三個(gè)維度。
圖 3：超聲波傳感器可能會(huì)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(lái)源：Banner Engineering） 然后是設(shè)置簡(jiǎn)單 這些單元只有兩個(gè)連接器和一些有用的 LED 指示燈，因此物理互連非常簡(jiǎn)單。一個(gè)是用于以太網(wǎng)的 M8 母頭連接器，另一個(gè)是承載直流電源（12 VDC 至 30 VDC）并提供兩個(gè)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(guò)兩個(gè) M8 圓形連接器輕松實(shí)現(xiàn)互連。（圖片來(lái)源：Banner Engineering） 雖然電氣連接足夠簡(jiǎn)單，但對(duì)于位置和區(qū)域傳感器來(lái)說(shuō)，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(duì)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(jiǎn)化了 ZMX 系列的設(shè)置和配置。（圖片來(lái)源：Banner Engineering） 此軟件將工作區(qū)分為幾個(gè)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(shí)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(shí)手動(dòng)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(shí)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(cè)、測(cè)量、監(jiān)視三維區(qū)域內(nèi)的物體以測(cè)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(wèn)題，能夠更加容易地提供穩(wěn)定可靠的結(jié)果。它還有一個(gè)圖形化配置工具，極大地簡(jiǎn)化了設(shè)置、安裝和實(shí)際使用。 |
