利用先进的 3D 飞行时间传感器测量生产过程中的峰高和填充水平

作者：Bill Schweber

人们普遍以为，技术的进步是一条直线，一目了然，半导体行业公布的未来五年或十年工艺技术和节点缩小“路线图”强化了这种观念，好像这一切都可以根据过去的发展轨迹轻易推算出来。

然而，在许多情况下，技术进步的实际过程并非如此。任何在 1947 年研究真空管技术并预测其近期和中期未来的人，肯定想不到晶体管这样颠覆性的发明会诞生。同样，在 20 世纪 50 年代初研究晶体管和电路的预测者，也不会想到 50 年代末期会出现集成电路。

技术进步不仅仅源于这种颠覆性、革命性且通常不可预见的事件。相反，在很多情况下，技术进步是因为一个领域的从业者看到、借鉴并利用了其他不相关领域的发展成果。例如，固态工艺技术的许多进步之所以可能，是因为人们能够获得高纯度的基本元素和化合物，以及为太空望远镜开发的先进光学技术。

跨领域的创新发展可以实现 1+1 > 2 的效果，这方面的另一个例子是飞行时间 (ToF) 系统和传感器，它们对于高级机器学习 (ML) 和计算机视觉 (CV) 系统越来越重要。

在过去的十年里，ToF 系统的应用越来越多。尽管其基本原理早已为人所知，但要付诸实践却困难重重，不切实际。现在，得益于快速强大的计算系统以及光电传感器和可控激光器等基本光学产品的进步，ToF 渐成主流技术。

什么是 ToF？

所有 ToF 传感器都使用光信号（光子）在两点之间传播（即从传感器的发射器到目标，再反射回到传感器的接收器）所需的时间来测量距离。这类似于雷达的工作原理，雷达通过发射射频能量并接收反射回来的能量来测定距离和探测物体。ToF 在自主驾驶车辆和智能视觉机器人领域的运用，加速了 ToF 技术的进步和成熟。

ToF 有两种形式：直接和间接（图 1）。直接 ToF 传感器发出仅持续几纳秒的短光脉冲，然后测量其中一些光返回所需的时间。相比之下，间接 ToF 传感器发出连续的调制光，并测量反射光的相位，以计算到目标的距离。选择使用哪一种取决于具体应用。

图 1：直接 ToF 传感器使用短光脉冲和精密时间测量（左）；间接方法使用连续调制输出和相对相位测量（右）。（图片来源：Terabee/Switzerland）

传统的非 ToF 相机只能捕捉二维彩色图像，每个像素对应网格中的一个位置。但是，高精度 ToF 传感器以接近 1:1 的像素比为传统照片增加了第三维度。

这些传感器通过创建“点云”来直观地以相机视场的 X、Y、Z 坐标表示单个像素。ToF 传感器甚至可以为视频增加第三维度，因为从最基本的意义上来说，视频是一系列图像的集合。在这个过程中，它们会创建动态的三维点云和实时的深度映射视频流。

不限于车辆

ToF 的用途并不局限于自主驾驶车辆，如 Banner Engineering 的 ZMX 系列 3D ToF 传感器所示（图 2）。ZMX-3DE2500HF 单元采用 850 nm 红外 (IR) 光源，可以测量和监视三维区域内的物体，为生产线上的装填应用提供单传感器解决方案。该单元能检测峰高和平均填充水平。

图 2：ZMX 系列 3D ToF 传感器可以测量、监视、检测生产线上的峰高和平均填充水平。（图片来源：Banner Engineering）

ZMX 系列具有 60° × 45° 的大视场 (FOV)，分辨率为 272 × 208 像素，距离范围为 200 至 2500 mm。该传感器可以检测任何尺寸、形状或方向的物品，对于材料、产品或包装聚集在一个规定区域内的自动化工业和生产应用，它是理想的工具。另一个有意义的特性是，其完全独立自足，不需要单独的控制器或 PC。只需要定义几项设置，可在几分钟内完成部署。物理连接也很简单，只需要连接一条电源线和一条以太网线。

ZMX 系列传感器可用于：

· 监视自动化系统中从滑道或传送带收集物品的容器中的物品。结合数字成像和数千个激光测量点，它可以检探测三维区域内的物体。

例如，将一个箱子放在某个位置来收集若干小的长方形盒子，箱子里面的盒子会堆积起来，形成一个形状不可预测的堆垛。为了准确判断箱子何时填满，传感器解决方案必须能够检测箱子全部区域上的填充高度变化。

· 识别物体的最大高度，无论最高点可能在感测区域内的什么位置。这也有助于计算填充体积。单个 3D 传感器可以出色地确保容器填充量一致，防止过量装填，跟踪填充率，以及微调处理速度。

· 简化应用，不再需要多个单点传感器。单个 3D 传感器更易于安装和跟踪，性能更可靠。当测量一堆不同形状的物体时，传统的单点技术可能不可靠。

例如，单个激光器可能照射到两个物体之间的间隙，因而指示填充水平处于低位，或者超声波传感器的信号可能被角度或形状奇特的物体反射到接收范围之外，因而根本没有读数（图 3）。相比之下，一个位于中央的 ZMX 传感器可以完整覆盖检测区域的所有三个维度。

图 3：超声波传感器可能会被目标处的间隙或异常反射误导（左）；相比之下，ToF 系统提供完整的三维区域覆盖（右）。（图片来源：Banner Engineering）

然后是设置简单

这些单元只有两个连接器和一些有用的 LED 指示灯，因此物理互连非常简单。一个是用于以太网的 M8 母头连接器，另一个是承载直流电源（12 VDC 至 30 VDC）并提供两个数字 I/O 通道的 M8 公头圆形连接器（图 4）。

图 4：ZMX 系列传感器单元提供用户友好的 LED 指示灯，并通过两个 M8 圆形连接器轻松实现互连。（图片来源：Banner Engineering）

虽然电气连接足够简单，但对于位置和区域传感器来说，难点之一是设置，要让它们看到需要看到的地方：不多也不少。

幸运的是，ZMX 系列使这种设置相对容易。Banner 3D Configuration 软件显示了设置和微调传感器参数以及所有连接和 I/O 设置所需的信息（图 5）。

图 5：功能强大的可视化 Banner 3D Configuration 软件包简化了 ZMX 系列的设置和配置。（图片来源：Banner Engineering）

此软件将工作区分为几个窗格：

1.图像 (Image) 窗格参数包括：缩放；x、y、z 坐标；图像颜色；以及视图选择。

2.图像 (Image) 窗格显示传感器捕获的当前图像。该窗格还可用于在与传感器断开连接时显示先前保存的文件以供查看，保存图像文件，以及在触发 (Trigger) 模式设置为外部 (External) 或软件 (Software) 时手动触发传感器。

3.连接 (Connection) 窗格用于建立与传感器的连接。

4.传感器控制 (Sensor Controls) 窗格控制触发模式和照明输出。

5.填充水平 (Fill Level) 窗格包括感兴趣区域和传感器控制相关的选项，以及实时填充和峰高数据。

6.通信 (Communications ) 窗格设置传感器的通信协议和 DHCP 选项。

7.传感器维护 (Sensor Maintenance) 窗格包括传感器信息以及更新固件、恢复默认或先前设置、备份当前传感器设置的选项。

总结

在实际的生产环境中，要稳定而准确地检测、测量、监视三维区域内的物体以测出峰高和平均填充水平，通常困难重重。Banner Engineering 的 ZMX 系列 3D ToF 传感器采用了光学 ToF 硬件技术的最新创新成果和软件算法，有效解决了上述问题，能够更加容易地提供稳定可靠的结果。它还有一个图形化配置工具，极大地简化了设置、安装和实际使用。