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ToF傳感技術突破 抗高光干擾3D檢測

Omron
「B5L系列」採用了創新的光學設計,即便陽光照射下,也能在廣闊的環境內穩定捕捉3D距離信息。

新科技速遞

近年3D Time of Flight(ToF)飛躍發展,廠商推出以ToF技術各種方案,近期有廠商令ToF於戶外操作,加上更加耐用,有望取代消費級機器人的激光雷達(LiDAR),加快研發和降低成本。

3D ToF工作原理是測量光信號在傳感器和物體之間的傳播時間,光在發出後抵達該物件,並反射回來,ToF模組感測器接收後,以計算「光的飛行時間」,光速已知前提下,可得到距離資料,以時鐘作高精確的測量。

以往機器人面對複雜的應用場景,3D視覺模組能夠準確地檢測周圍環境,以避開人、障礙物和不平整的表面,實現機械或設備自主運行。然而,傳統消費機器人混合採用了攝像頭和2D LiDAR,探測範圍有限,還要加上多個傳感器組合,結構複雜但是ToF也容易受強光干擾,室外應用受限制。

LiDAR正應用在自動駕駛和探測用途,本港智慧燈柱亦擬利用LiDAR,以避開私隱等問題。近期iPhone 12 Pro也加入LiDAR感應器,蒐集3D訊息。

3D ToF
3D ToF傳感器可取代LiDAR,取代LiDAR,也可取代深度鏡頭,在升降機內點算人數,並可分析行為,如偵察跌倒和呼吸,不過最大應用場景可能是在戶外的AMR機器人。

ToF有望起飛

LiDAR和ToF以光來測量,LiDAR以極快速的脈衝激光測量目標距離,並通過連續波(Continuous-wave systems),發射一串連續的光束,頻率穩定變化,不受其他光或陽光干擾。LiDAR可探測公里以外的物件,精度以亞厘米級計算。連續波的ToF則只能量度短距離,室外也易受干擾。

LiDAR量度的分辨率較低,而且價格高,近年消費級產品包括手機傳感多以ToF鏡頭。

ToF可創建視場內物體深度映射,開發數碼視覺。近年趨勢預測顯示ToF產品即將爆發,其中以德州儀器和ADI的ToF,開發出多種產品。

美國ADI曾推出3D ToF幫助固定的機器人(Automated Guided Vehicle,AGV)鎖定目標物件,獲得物件的深度距離等資訊。近期ADI與Microsoft簽訂合作,通過Microsoft Azure Kinect技術建立3D影像應用,HoloLens也使用大量ToF技術。

B5L
B5L的獨特電路設計和散熱設計,可等效連續運行5年長壽命優,每秒最多可拍攝20幀,內置了溫度補償等設計。

ToF加持AMR機器人

自主運行的自主機器人(Autonomous Mobile Robot,AMR)開始取代AGV機器人,AMR的要求更高,用於智慧工廠和物流等工業應用,也安裝於公共設施、醫院、車站以及商場等。

AMR的自主活動,除了可運送物料等簡單任務,具機械手臂等AMR還可執行高級任務,如組件組裝等。

香港人熟悉的日本京都歐姆龍(Omron)株式會社,在港銷售不少健康產品;包括血壓計、電子磅、電動牙刷、治療器等,歐姆龍也研發工業自動化控制、電子元器件、汽車電子等產品,包括了AMR,HD-1500的AMR承重多達1500公斤,掌握領先傳感技術。全球歐姆龍有36,000名員工,營業額8,600億日元。歐姆龍紐約上市,近半年股價亦不斷攀升。

Arrow
Arrow推出的3D ToF評估工具套裝,幫助工程師運用ADI的3D ToF技術加速原型製作和產品開發,ADI的3D ToF也開始應用在機器人和自動駕駛。

戶外應用3D TOF

歐姆龍宣佈的嵌入式3D TOF傳感器模組「B5L系列」3D傳感器,對環境光有極高的抗擾度和耐用,有望降低AMR設計難度和成本,應用在更多環境。「B5L系列」具有抗同源光干擾功能(最多同時操作17台)可讓多設備同時操作。

B5L的3D傳感器可取代LiDAR,0.5m至4.0m近距離條件下實時測量大範圍內的人或物體的距離。採用ToF檢測原理,結合光學設計,即使陽光直射下,也能實現穩定檢測,解決了ToF室外操作難題,抗擾度確保穩定檢測性能,即使明亮陽光下也不會飽和,精確檢測與對象物的距離。

這款模組的B5L系列探測精度為+/-2%(探測距離為2M時),針對設備嵌入進行了優化,具有等效連續運行5年長壽命優勢。此外,內置了溫度補償等設計,無需在設計階段進行各種補償處理,使其更容易嵌入各種應用中的自主機器人及其他設備。

「B5L系列」不僅可應用於各種AMR,還可用於在廣闊區域內監測人流,取代以紅外線或者鏡頭,同時確保人員隱私,例如護理監控等。歐姆龍的B5L系列可應用在戶外,更為產品設計加入不少可能性。

Arrow Electronics也推出了ADI 3D飛行時間評估工具套裝,讓工程師研發產品,並與Hubble Connected及中文大學合作採用ADI的3D ToF針對健康護理產品設計。Arrow 也展示透過3D ToF控制無人機等應用場景亦具備抗干擾能力。

嵌入式3D TOF傳感器模組「B5L系列」定於9月1日在日本,10月1日全球發售。

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