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融合的机器人接近传感,有技术落伍了吗?

Robot Vision ? 来源:电子发烧友网 ? 作者:李宁远 ? 2022-03-16 07:48 ? 次阅读

接近传感器涉及的范围很广,不管是使用电磁场、光还是声波,都能检测物体的存在。这一类传感也是机器人应用中不可或缺的核心器件。作为一类赋予机器人“感知”的器件,接近传感是机器人走向智能化的关键。

相对于工业机器人与服务机器人,移动机器人中的接近传感应用是最多的。在2015年前后移动机器人刚兴起时,以激光雷达为主,使用IR(红外)技术的接近传感和超声波技术的接近传感为辅是大部分移动机器人厂商的选择。


IR与超声波落伍了吗?

基于简单IR(红外)技术的接近传感器只测量信号强度,并可能受到目标反射率的影响,这相较于现在最先进的技术而言是显得有些功能单一了。但这并不意味着IR接近传感已经落伍了。作为应用最广泛的光电式接近传感,基于IR的传感IC功耗低,体积小,而且功能已经足够成熟,是实现很多基本感应功能性价比最高的选择。

而且随着技术升级,PIR(Passive Infra-Red)技术也大幅提升了红外接近传感的性能。现阶段很多国产红外接近传感中都内置了高精度算法单元,可以自适应当前环境,最远感知距离可以达到二十几米。高精算法单元的加入使得IR传感IC能够有效地区分开检测信号与干扰信号,加强了对目标的感知。

此类芯片内部器件的集成也在丰富,更大性能的运算放大器与运算放大器周边电路的加入让IR传感IC能够对感知信号进行预处理;高精度晶振与屏蔽时间定时器的加入有效抑制了重复误动作。虽然在越来越智能化的机器人中,IR传感不能满足足够智能的感知,但在辅助方向上仍然有着不可替代的高效益。

超声波同样如此,我们仅以移动机器人为例,在行驶过程中对连续透明物体的感知上,超声波接近传感肯定是最理想的选择。得益于超声波传感能感知传播时间的变化,而不是仅仅返回信号。所以在补足机器人感知上超声波同样没有落伍。

同样高性能ToF不同的技术特点


早期的ToF设备由于对频率和精度的要求极高,同时受限于体积和成本,一般都只在工业领域应用。现在在CMOS芯片上实现光脉冲相位的测量已经不是难事,小型模块带来的高性能接近传感能力大大增强了机器感知的能力。

FlightSense

利用ToF实现高性能有很多不同的技术,不同的特点。FlightSense是ST的ToF技术,可以根据所发射光子的反射时间直接测量与目标之间的距离,可实现准确测距,不受目标表面特性的影响。

(图源:ST)


FlightSense结合了ST独特SPAD技术的优势、成熟的自有成像工艺和高产能封装。单光子雪崩二极管(SPAD)阵列和物理红外滤光片,再加上微型可回流封装,该技术加持下的ToF接近传感能够在各种环境照明条件下实现最佳测距性能。ST的FlightSense凭借算法(直接ToF)和巧妙的模块构造,能够通过深度检测视野(FoV)内的不同对象,FoV有高达500 cm +的检测范围。该技术下器件串扰抗扰度超过80 cm,并具有动态污迹补偿功能,是接近性和高性能感知之间很好的一次结合。

3D深度

两种最为常用测量方法连续波(CW)方法和脉冲方法是目前最为常用的,ADI的ToF借助了微软的Azure Kinect技术,基于CCD脉冲拓展了在3D深度上功能。

(图源:ADI)


这种技术带来的最直接的性能提升在分辨率和像素上,即分辨率更高,像素更小。1024(水平)× 1024(垂直)像素阵列加上3.5μm×3.5μm方形像素可以以极高的安全性辅助目前的机器人人机协作。从器件的表现来看,调制频率的升高与噪声的降低对成像功能性能的提升都是很直观的。

深度计算引擎的锦上添花能够以更优的方式使用成像器,发挥器件百分百的性能。三维的深度扫描检测让机器人系统不仅能够感测周围环境,还能够解析环境。深度扫描后的数据可以用于移动机器人的导航路径规划,对环境数据的深度采集与分析是实现高精度高效率机器人移动的前提。目前SLAM是移动机器人最主流的地图构建方法,深度信息能给SLAM提供更便于计算的方法。这是任何做移动机器人厂商都无法拒绝的特色。

机器人多种接近传感融合

红外接近传感在手势识别上领先的感知能力、超声波传感在透明物体上的检测能力、ToF在成像上得天独厚的优势......单一的接近传感赋予了机器人不同的感知能力,多种接近传感的互相融合才能构筑起机器人丰富的感知。

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    OPT3101器件是一种高速,高分辨率AFE,适用于基于飞行时间的连续波接近感应和测距。该器件集成了完整的深度处理管道,包括ADC,时序序列器和数字处理引擎。该器件还具有内置照明驱动器,可覆盖大部分目标应用供电的绝佳器件。 在高环境抑制比下,该器件可支持非常高的环境条件,包括130klux的全日照条件。 时序序列器具有高度可配置性,能够针对特定应用提供功耗与性能之间的折衷。 该器件提供包含相位,振幅和环境测量结果的深度数据。校准子系统支持相位数据校准,从而校准温度和串扰导致的不准确性 特性 接近感应和距离测量 与各种光电二极管和发射极兼容 在15毫不模糊的范围内具有16位距离输出 高达4kHz的采样率 200nA满标量程信号电流 1kHz时具有88dB信号相位动态范围 支持高达200μA的直流环境,60dB的环境抑制(1kHz时) 不依赖于物体反射率的距离测量 通过去混叠技术使距离范围扩展多达75m 由可编程序列发生器提供时序灵活性 自适应HDR节省功耗并扩展距离范围 可配置事件检测和中断输出机制 通过I 2 C接口实现控制和数据传输 集成照明驱动器,具有高达173.6mA的可编程电流控制能力 集成用于校准的温度传感器 内置串扰校...
    发表于 08-17 15:13 ? 666次 阅读

    OPT9221 OPT9221 飞行时间控制器

    The time-of-flight controller (TFC) is a high-performance, 3D time-of-flight (ToF) sensor companion device that computes the depth data from the digitized sensor data. Depth data are output via a programmable complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) parallel interface. In addition to depth data, the TFC provides auxiliary information consisting of amplitude, ambient, and flags for each pixel. This information can be used to implement filters and masks and to dynamically control the system configuration for the intended performance. The TFC supports a wide range of binning and ROI options that help optimize the data throughput that must be handled. The 9-mm × 9-mm NFBGA package enables small form-factor, 3D, ToF systems that can be embedded into a variety of end equipment. 特性 QVGA 3D ToF控制器:最高120 FPS 深度数据: 12位相位 最高12位幅度 最高4位环境 饱和度检测 芯片组接口: 与TI ToF传感器兼容(OPT8241) 输...
    发表于 08-06 17:19 ? 363次 阅读
    OPT9221 OPT9221 飞行时间控制器

    OPT8241 OPT8241 3D 飞行时间传感器

    OPT8241飞行时间(ToF)传感器属于TI 3D ToF图像传感器系列。该器件将ToF感应功能与经优化设计的模数转换器(ADC )和通用可编程定时发生器(TG)相结合。该器件以高达150帧/秒的帧速率(600读出/秒)提供四分之一的视频图形阵列(QVGA 320 x 240)分辨率数据。 内置TG控制复位,调制,读出和数字化序列。例如功率,运动稳健性,信噪比和环境消除)。 特性 成像阵列: 320×240阵列 1/3“光学格式 像素间距:15μm 高达150帧/秒 光学属性: 响应度:850nm时为0.35A /W 解调对比度:50MHz时为45% 解调频率:10MHz至100MHz 输出数据格式: 12位相位相关数据 4位共模(环境) 芯片集接口: 与TI的飞行时间控制器OPT9221兼容 传感器输出接口: CMOS数据接口(50MHz DDR,16通道数据,时钟和帧标记) LVDS: 600Mbps,3个数据对 1LVDS位时钟对,1LVDS采样时钟对 定时发生器(TG): 可编程感兴趣区域(ROI)的寻址引擎 调制控制 抗混叠 主/从同步操作 用于控制的I 2 C从接口 电源: 3.3VI /O,模拟 1.8V模拟,数字,I /O 1.5V解调(典型值) 经优化的光...
    发表于 08-03 17:58 ? 771次 阅读
    OPT8241 OPT8241 3D 飞行时间传感器
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