ToF kamera (angl. time of flight – skrydžio laikas) yra 3D kamera, kuri gylį matuoja pagal tai, kiek laiko šviesa keliauja iki objekto ir atgal. Vienu kadru ji gauna visos scenos gylio žemėlapį, todėl gerai tinka didelėms zonoms, krūvoms ir dideliems objektams. Šiame straipsnyje – kaip ToF kamera veikia, kur jos stipriosios ir silpnosios pusės ir kaip ją naudojame su robotu.
Kaip veikia skrydžio laiko (ToF) kamera
Kamera turi savo šviesos šaltinį, dažniausiai infraraudonųjų spindulių. Šviesa apšviečia sceną, atsispindi nuo objektų ir grįžta į jutiklį. Kiekvienas jutiklio pikselis nustato, kiek laiko užtruko šviesos kelionė, ir iš to apskaičiuoja atstumą. Rezultatas – gylio žemėlapis, kuriame kiekvienas pikselis turi atstumo reikšmę, o jį perskaičiavus gaunamas taškų debesis.
Kadangi kamera pati apšviečia sceną, jai nereikia projektoriaus su raštu ar antros kameros, kaip struktūrinės šviesos ar stereoregos sistemoms. Visų technologijų palyginimą rasite straipsnyje 3D mašininis matymas pramonėje.
Privalumai
- Greitis. Visa scena užfiksuojama vienu metu, gaunamas nuolatinis gylio vaizdų srautas.
- Visa scena iš karto. Viena kamera apima didelį plotą – pavyzdžiui, visą krūvą ant rampos.
- Atsparumas. Pramoniniai modeliai turi tvirtą korpusą ir apsaugą nuo dulkių bei drėgmės.
- Paprastas montavimas. Vienas kompaktiškas įrenginys, nereikia derinti projektoriaus ir kamerų tarpusavio padėties.
Ribos
- Mažesnė raiška. ToF jutikliai turi gerokai mažiau taškų nei struktūrinės šviesos skeneriai.
- Tikslumas milimetrų–centimetrų lygio. Smulkiems matavimams, kur reikia dešimtųjų milimetro dalių, geriau tinka struktūrinė šviesa – žr. Photoneo PhoXi ir MotionCam-3D.
- Gylio triukšmas. Pavienis kadras turi pastebimą triukšmą, ypač ant tamsių paviršių ir objektų kraštuose.
- Atspindžiai. Blizgūs paviršiai gali atspindėti šviesą ne atgal į kamerą arba per kelis paviršius, todėl atsiranda trūkstamų ar klaidingų taškų. Plačiau – Blizgių paviršių 3D skenavimas.
Pavyzdys: Basler blaze-101
Viena iš ToF kamerų, su kuriomis dirbame, – Basler blaze-101. Pagal gamintojo ir platintojo duomenis:
- gylio raiška – VGA (640 × 480);
- 30 kadrų per sekundę;
- 940 nm bangos ilgio šviesa;
- GigE sąsaja, IP67 korpusas;
- regėjimo laukas – 67° × 51°;
- milimetrų lygio tikslumas (platintojas nurodo apie ±5 mm);
- darbinis atstumas – iki maždaug 10 m.
Tokie parametrai tinka, kai reikia stebėti didelę zoną iš kelių metrų aukščio ir rasti objektus, kurių dydis matuojamas dešimtimis centimetrų ar metrais.
Mūsų projektas: rąstų paėmimas iš krūvos
Šiuo metu paleidžiame medienos apdirbimo celę, kurioje KUKA KR 60-3 robotas su KR C4 valdikliu ima rąstus iš krūvos ant rampos ir paduoda juos storuoju galu į priekį į staklių padavimo volus. Staklės gamina kuolus ir stulpus. Rąstai yra 2600–3300 mm ilgio ir maždaug 100–130 mm skersmens.
Kaip veikia matymo dalis
- Virš krūvos sumontuota Basler blaze-101 ToF kamera fiksuoja visą rampą.
- Kompiuteryje (Python) sudaromas 3D aukščio žemėlapis.
- Mūsų sukurtas 3D detektorius randa rąstus, įvertina kiekvieno ašį, ilgį ir galus. Papildomai nuotraukose rąstai segmentuojami dirbtinio intelekto modeliu SAM.
- Paėmimo taisyklės parenka, kurį rąstą ir kurioje vietoje imti.
- Koordinatės perduodamos robotui per EthernetKRL, roboto programa parašyta KRL moduliais.
Griebtuvą valdo dvi Delta ASDA-A2 servopavaros per CANopen; abi pavaros startuoja 0 ± 2 ms tikslumu, o suspaudimas ar atleidimas trunka apie 0,22–0,25 s. Operatoriaus pultas veikia vietiniame tinkle, operatorius bet kada gali pristabdyti darbą. Laikomės principo „AI siūlo, sauga leidžia“: judesį visada leidžia saugos grandinė, o ne neuroninis tinklas.
Kaip sumažinome gylio triukšmą
Vienas ToF kadras rąstų paviršiui aprašyti yra per daug triukšmingas. Todėl sujungiame kelis kadrus: bandymų stende, sulieję 20 kadrų, gavome apie 0,8–1,3 mm gylio triukšmą. Palyginti su maždaug 100–130 mm rąsto skersmeniu, toks triukšmas yra mažas. Kadrus galima sulieti, nes krūva fotografavimo metu stovi vietoje.
Kada rinktis ToF kamerą
- Reikia apimti didelę zoną: krūvą, padėklą, konteinerį, didelius objektus.
- Objektai dideli, o milimetrų ar centimetrų tikslumo pakanka.
- Svarbus greitis ir paprastas, atsparus įrenginys.
Jei reikia submilimetrinio tikslumo ar smulkių detalių formos, geriau tinka struktūrinės šviesos skeneriai.
Išbandykite su savo objektais
Mes daugiausia dėmesio skiriame mašininiam matymui, ypač 3D, ir dirbame tiek su ToF kameromis, tiek su Photoneo skeneriais. Projektus pradedame bandymu su jūsų tikrais objektais, kad prieš didesnes investicijas būtų aišku, kokią technologiją rinktis. Daugiau – mašininio matymo paslaugose; susisiekti galite per kontaktus.