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In der Robotik und der maschinellen Bildverarbeitung kommen verschiedene Feedback-Mechanismen zum Einsatz, um die Genauigkeit sicherzustellen. Die Erkennung von dreidimensionalen Räumen mit einigermaßen guter Genauigkeit kann auf verschiedene Weise erfolgen. Bislang wurden optische, akustische und mechanische Erkennungs- und Abtasttechniken mit zufriedenstellendem Erfolg eingesetzt. Für anspruchsvollere Anforderungen gilt es, die ohnehin schon hohe Genauigkeit noch weiter zu steigern. Bei der nächsten Generation von Systemen, die auf Bildverarbeitung basieren, liegt der Schwerpunkt auf einer präziseren Tiefen- und Volumensensorik mit höherer Genauigkeit.

Bewährte Lösungen

Die bisher verwendeten Techniken waren für die gegebenen Aufgaben geeignet. Kostengünstige mechanische Tiefen- oder Oberflächensensoren können so einfach sein wie ein federbelasteter linearer Trimpot oder ein Endschalter.

Im Hinblick auf Präzision haben sich akustische und optische Techniken als zuverlässiger erwiesen, da keine beweglichen Teile erforderlich sind. Für die einfache Abstandserkennung und die präzisere Entfernungsmessung werden optische Abstandssensoren verwendet. So können Entfernungen von weniger als einem Millimeter bis zu 8 Metern als digitales Signal erfasst und das Vorhanden- oder Nichtvorhandensein eines Objekts festgestellt werden.

Aufgrund der kostengünstigen, hochauflösenden modernen Kameras spielen Videoverfahren bei der Entfernungs- und Volumenmessung eine führende Rolle. Doch angesichts neuer Entwicklungen und Anforderungen stehen die Gerätehersteller vor der Herausforderung, extrem leistungsfähige Lösungen anzubieten.

Mehr Nachfrage nach mehr Optionen

Nicht nur Maschinen verlangen nach höherer Genauigkeit. Weltweit hat sich infolge der Pandemie die Notwendigkeit ergeben, Personen und Belegungszahlen an einem bestimmten Ort zu erkennen. Dabei müssen auch die Abstände zwischen Personen berücksichtigt werden – das ist eine relativ neue Anforderung, die häufig erfüllt werden muss. Ein ähnliches Problem, das Aufmerksamkeit erfordert, sind Demenzerkrankungen. In Einrichtungen für betreutes Wohnen ist es von entscheidender Bedeutung, dass ein übergreifendes Computersystem in der Lage ist, den Aufenthaltsort von umherirrenden Personen zu verfolgen.

Auch in der Industrie und in Fertigungsbetrieben können robustere und präzisere Messsysteme zur Erfassung von Entfernungen und Volumen sinnvoll eingesetzt werden. Mit der Weiterentwicklung und Verschmelzung fortschrittlicher Fertigungstechnologien gewinnt die Rückmeldung über Präzision, Position, Richtung, Geschwindigkeit und Tiefe für die Fertigungsmaschinen der nächsten Generation immer mehr an Bedeutung. Bei Fräsmaschinen sind beispielsweise präzise Motoren und Getriebe erforderlich, um Schneid- und Schleifköpfe korrekt zu positionieren. Wird dabei eine Position zu tief angefahren, bricht der Schneidkopf. Ist die Tiefe zu gering, bleibt zu viel Material übrig. Solche Maschinen erreichen mit präziser Abstandsmessung die richtige Position, selbst wenn die Kalibrierung nicht optimal ist. Closed-Loop-Feedback führt zu besseren Ergebnissen. CNC-Maschinen, 3D-Drucker und Laser-/Plasmaschneid- und Schweißgeräte profitieren ebenfalls von der höheren Genauigkeit des Closed-Loop-Feedbacks.

Neueste Innovationen

Analog Devices war auf den wachsenden Bedarf an volumetrischer Erfassung und Messung in vielen Applikationen vorbereitet. Mit dem AD-FXTOF1-EBZ wurde eine spezielle modulare Video-Engine mit integrierter Time of Flight (ToF)-Abstandsmessung entwickelt (Abbildung 1).

Mit einer VGA-Auflösung von 640x480 bei 30 Bildern pro Sekunde lässt sich das Produkt leicht als Peripheriefunktion in eine Host-Applikationssteuerung integrieren. Das Bauelement verfügt über eine zweispurige MIPI-Schnittstelle (Mobile Industry Processor Interface), 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), bei dem die Herstellungskosten durch den Wegfall der rechtwinkligen Emitterkonfiguration gesenkt werden. Dank des optischen 940-nm-Bandpassfilters kann der Laser auch bei schwierigen Lichtverhältnissen eingesetzt werden. Dadurch werden Störungen und Interferenzen von externen Quellen blockiert. Ein Batwing-Diffusor sorgt für eine präzise Empfangsoptik mit einem Sichtfeld von 87 x 67 Grad.

Der Video-Tiefenmesser arbeitet über zwei einstellbare Bereiche. Ein Bereich von 20 cm bis 180 cm und ein Bereich von 50 cm bis 300 cm bieten eine Genauigkeit von 2 %. Notwendig ist eine 5V-2A-Stromversorgung, die für einen Temperaturbereich von -20 ºC bis +75 ºC ausgelegt ist, was das Bauelement robust und unempfindlich macht.

Über die Schnittstelle des SDK-Development Kit kann es mit einem Host-Mikroprozessor, Mikrocontroller oder Einplatinencomputern wie Raspberry Pi oder Nvidia verbunden werden (Abbildung 2). Das SDK bietet auch OpenCV, Open C/C++, Python^®, MATLAB^®, Open3D und RoS Wrapper, die Entwickler zur Vereinfachung der Anwendungsentwicklung nutzen können. Als weitere Anschlussmöglichkeiten stehen USB, Ethernet oder Wi-Fi zur Verfügung, und es sind zudem Referenzdesigns und Stücklisten erhältlich.

Fazit

Durch die Nachfrage nach schneller und präziser Bild- und Abstandserfassung können Entwickler Sensoren, Roboter, Fahrzeuge und Sicherheitssysteme der nächsten Generation entwickeln. Mit dem AD-FXTOF1-EBZ von Analog Devices können Sie schnell und einfach neue Lösungen testen. Durch den zunehmenden Einsatz dieser Technologie in verschiedenen Heim- und Industrieapplikationen werden zukünftig noch höhere Auflösungen, schnellere Bildraten und größere Entfernungen möglich sein.