Среди решений, направленных на повышение безопасности машин и технологических линий, относительно недавно появились интеллектуальные 3D-датчики для мобильных машин.
Что это такое и что он дает пользователю?
Рассмотрим эту технологию на примере PMD 3D-датчика IFM Electronic.
Технология PMD (Photonic Mixture Device) с измерением времени пролета (ToF) позволяет устройству сканировать все изображение за один цикл, благодаря чему перемещение любых объектов перед движущейся машиной не является проблемой, как в случае использования линейных сканеров.
Это заставляет датчик передавать до 50 отсканированных кадров в секунду. Минимальное время реакции датчика на событие составляет 40 мс, что важно в случае возникновения случайных событий, например таких, как внезапное вторжение человека в рабочую зону машины.
Датчик предназначен для работы на мобильных машинах, поэтому требования к конструкции и устойчивости к внешним условиям очень жесткие — например, степень защиты IP67, устойчивость к ударам и вибрациям или возможность работы при низких и высоких температурах.
Что такое TOF
Время пролета или TOF (от англ. time-of-flight) — метод, используемый для оценки расстояний тел путем вычисления времени, прошедшего между испусканием и приемом инфракрасного светового луча.
Сегодня он используется в устройствах получения изображений, таких как сканеры или камеры. Таким образом, можно получать изображения в 3D.
3D датчики включают в себя линзу и ПЗС-матрицу, которая способна измерять глубину с помощью TOF в каждом пикселе матрицы.
Все эти пиксели по отдельности фиксируют интенсивность, амплитуду и фазу инфракрасного импульса. Если у нас есть собственные значения камеры (фокусное расстояние, искажения и т. д.), можно вычислить эти 3D-координаты.
Времяпролетная (Time-of-Flight, ToF) камера
Камеры с датчиками PMD (фотонные смесители) - это 3D-датчики сTOF.
Чтобы найти расстояние, на котором находится точка в пространстве, применяя TOF, мы должны получить время прохождения инфракрасного луча туда и обратно вместе со скоростью света c (300 000 000 м/с): точность TOF с помощью 3D-съемки зависит от точности, с которой мы измеряем время (свету требуется 3,3 пикосекунды, чтобы пройти 1 мм).
Сканирование поля зрения выполняется точка за точкой со скоростью от 5000 до 10000 измеренных точек в секунду. Он способен проводить измерения на расстоянии до 200 метров с погрешностью около 6 мм.
Каковы особенности PMD 3D-датчика IFM Electronic?
Анализируемая область освещается модулированным инфракрасным светом, невидимым для человеческого глаза. Лучи отражаются от объектов, с которыми они сталкиваются, а затем считываются и анализируются датчиком PMD.
Датчик имеет соединение с инфракрасным излучателем. Каждый полученный пиксель определяет расстояние от отражаемой точки. Определение происходит на основе фазового сдвига между переданным и принятым сигналом.
Активное подавление фона эффективно защищает от воздействия внешнего освещения. Это означает, что 3D-датчик PMD можно использовать при ярком солнечном свете с интенсивностью света до 120 клк. Кроме того, датчик IFM Electronic имеет рабочий диапазон до 35 метров, а для отражающих объектов может достигать 50 метров.
Вычисления выполняются очень мощным процессором, подключенным к датчику. Данные возвращаются через CAN или Ethernet. Параметризация осуществляется программным обеспечением, работающим под Windows.
Готовые к использованию функциональные блоки в среде CoDeSys могут облегчить интеграцию в систему управления машиной.
Благодаря тому, что датчик не имеет движущихся частей, он не подвержен износу в условиях сильных ударов и механических ударов. Рабочая температура устройства составляет от –40°C до 85°C.
Технология PMD обеспечивает высокую степень повторяемости считываемых данных даже в сложных условиях освещения.
Связь осуществляется через интерфейс CAN с использованием протоколов CANopen и J1939 (стандарт, который уже много лет присутствует в мобильных машинах и транспортных средствах).
Диагностические функции датчика и преобразователя постоянно анализируют правильность работы устройства. Датчик также помогает контролировать работу людей внутри машины.
Расстояния от обнаруженных объектов, а также их размеры и положение доступны в выбранной системе координат. Использование нескольких датчиков, сканирующих одно и то же пространство, не является проблемой. Датчик обнаруживает только излученные им волны, а остальные от других датчиков игнорируются.
3D датчик PMD более чувствителен к отражающим элементам, дающим более сильный сигнал, благодаря чему такие элементы можно легко обнаружить. Хорошим примером являются светоотражающие жилеты, которые носят люди, работающие на машине. Таким образом, датчик может быть или не быть чувствительным к людям в светоотражающих жилетах.
Каково применение рассматриваемого 3D-сенсора в мобильных машинах?
Во-первых, предотвращение столкновений. Он позволяет автоматически распознавать до 20 движущихся или неподвижных объектов внутри работающей машины.
Вероятность столкновения рассчитывается на постоянной основе путем анализа скорости, траектории движения и постоянных параметров, таких как тормозной путь. Затем эта информация отправляется в систему управления машиной по CAN или Ethernet. Эта информация может быть передана водителю и может остановить или не остановить его.
Важно отметить, что система управления машиной получает обработанные данные с информацией об обнаруженных объектах, как далеко они находятся от машины, каковы их размеры и т.д.
Пользователю нужно только в начале выбрать режим работы датчика и на что ему следует обратить внимание. Это могут быть разные виды деятельности.
Во-первых, это отслеживание пути: регулируемая опорная точка позволяет, например, определять границы и автоматически корректировать движущееся транспортное средство. Другое дело — дистанционный мониторинг.
Для определения расстояния можно определить десятки отдельных полей, расстояние до которых необходимо отслеживать. Благодаря такому анализу задняя часть машины может быть дополнена автоматическими функциями или дополнительной помощью в случае движения машины задним ходом.
Транспортное средство, которое движется задним ходом к месту погрузки, может быть проинформировано о расстоянии, на которое оно может вернуться, а также о возможных опасностях, таких как выступающие элементы или нежелательные лица.
Следующей опцией является следование по пути — высокоразвитый алгоритм обнаружения линейных контуров, позволяющий пользователю машины выбирать путь, по которому должно следовать транспортное средство.
Датчик также может контролировать определенную область. Благодаря обнаружению до 20 объектов, а также классификации того, движется ли объект или стоит на месте, 3D-датчик предоставляет множество возможностей для анализа того, что происходит в определенной области.
Широкий спектр применения интеллектуального 3D-датчика делает его универсальным и востребованным везде, где важна безопасность работающих машин и устройств.
В целом эта технология очень полезна при создании автоматизированных автомобилей без водителей для обнаружения пешеходов и близлежащих объектов во избежание столкновений. Почувствовав окружающую среду, автомобиль способен распознать опасность и замедлить или даже изменить свой курс.
Кроме этого, благодаря технологии PMD роботы могут быть спроектированы так, чтобы они могли действовать и принимать решения в соответствии с реальной, часто быстро меняющейся окружающей средой. Если на пути есть препятствие, робот может решить, как его избежать или даже распознать человека или объект с помощью системы технического зрения и начать взаимодействовать с ними.