Beleuchtungslösungen für 3D-Roboter Vision

In unserer Einführung in die Grundlagen der 3D-Sensortechnologie haben wir die Kernkonzepte und -techniken besprochen, die es Maschinen ermöglichen, Tiefe zu erkennen. In diesem Anschluss werden wir uns mit einer bestimmten Anwendung der 3D-Sensing – Roboter-Vision – befassen und erfahren, wie Beleuchtungslösungen die Fortschritte in diesem Bereich vorantreiben.

Der Aufstieg der Maschinen

Haushaltsroboter sind kein futuristisches Konzept mehr. Geräte wie Roboter-Staubsauger, Bodenmopper, Fensterreiniger und Grünrasenmäher sind zu alltäglichen Bequemlichkeiten geworden. Im Laufe der Zeit sind sie smarter und anspruchsvoller geworden. Zum Beispiel folgten frühe Roboter-Staubsauger oft zufälligen Pfaden, aber moderne Modelle verwenden fortschrittliche Sensoren, um den Raum abzubilden. Sie reinigen effizienter, indem sie Hindernisse überwinden und jeden Bereich systematisch abdecken.

Dank des schnellen Fortschritts bei künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen entsteht jetzt eine noch leistungsfähigere Generation von Robotern. Diese Roboter werden sich nicht mehr auf einfache Aufgaben beschränken, sondern beginnen, komplexe Aufgaben wie das Falten von Wäscherei, das Zubereiten von Speisen und das Einrichten des Tisches zu übernehmen. Eine der Schlüsseltechnologien, die diese Entwicklung ermöglichen, ist eine verbesserte 3D-Vision.

Roboter-Vision: Ein Schlüssel zu neuen Fähigkeiten

Damit Roboter geschickter und vielseitiger werden können, sind bessere Bildverarbeitungssysteme unerlässlich. Kamerasensoren ermöglichen es Robotern, durch komplexe Umgebungen zu navigieren, Objekte zu erkennen und zu manipulieren und sicher mit Menschen zu interagieren. So muss beispielsweise ein Roboter, der in der Kochküche hilft, in der Lage sein, die Tiefe zu erkennen, um Kollisionen zu vermeiden, Gegenstände genau zu erfassen und in einem 3D-Raum zu arbeiten, wie es ein Mensch tun würde. So wie Menschen auf Stereo-Vision angewiesen sind, um die Welt zu verstehen, benötigen Roboter die gleiche Fähigkeit, um ihre Aufgaben effektiv auszuführen.

Die 3D-Vision ist von entscheidender Bedeutung, da Roboter in einer dreidimensionalen Welt arbeiten müssen – sei es durch ein Haus gehen, Objekte aufnehmen oder mit Menschen und Tieren interagieren. Ohne die Fähigkeit, Tiefe in ihrer Umgebung zu erkennen, wäre ihr Nutzen auf sehr grundlegende Interaktionen beschränkt.

Ansätze für 3D-Roboter-Vision

Es gibt mehrere Möglichkeiten, 3D-Vision in Robotik zu implementieren. Eine Methode ist die Stereo-Vision, bei der zwei Kameras verwendet werden, um die menschliche Tiefenwahrnehmung nachzuahmen. Stereo-Vision-Systeme können jedoch rechenintensiv sein und werden oft durch die Lichtverhältnisse und die Textur der beobachteten Objekte eingeschränkt.

Aus diesem Grund basieren viele Roboter-Vision-Systeme auf effizienteren Techniken wie strukturiertem Licht und Time-of-Flight (ToF)-Sensorik. Beide Methoden verwenden aktive Beleuchtung – typischerweise im Infrarotspektrum – um Tiefeninformationen zuverlässiger und mit weniger Umwelteinschränkungen zu erfassen. Eine detaillierte Erörterung dieser Techniken wurde in unserem Blog „Ein tiefer Blick auf 3D Sensing“ vorgestellt.

Kurz gesagt funktioniert strukturiertes Licht, indem es ein Muster (z. B. ein Gitter oder Punkte) auf die Szene projiziert und misst, wie sich das Muster verformt, wenn es auf Oberflächen trifft. Es ist ideal für Aufgaben mit kurzer Reichweite und hoher Präzision, wie z. B. die Identifizierung kleiner Objekte oder feiner Details. Im Gegensatz dazu ist die ToF-Technologie, die die Zeit misst, die das Licht benötigt, um von Oberflächen zurückzuprallen, vielseitiger. Obwohl es möglicherweise nicht das gleiche Detailniveau wie strukturiertes Licht bietet, kann es sowohl über kurze als auch über große Entfernungen arbeiten, was es besonders gut für die Robotervision geeignet macht.

To F Beleuchtungsoptionen

ToF-Systeme funktionieren in der Regel mit zwei Beleuchtungstypen: Flood-Beleuchtung und Punktprojektion. Die Hochwasserbeleuchtung bietet eine dichte, gleichmäßige Punktwolke, die die gesamte Szene erfasst. Es kann jedoch manchmal unter einem geringeren Signal-Rausch-Verhältnis leiden und ist anfälliger für Multipath-Effekte, bei denen Licht von mehreren Oberflächen reflektiert wird, bevor es den Sensor erreicht. Dies kann seine Genauigkeit über große Entfernungen einschränken.

Andererseits erzeugen Punktprojektoren eine spärliche Punktwolke, bieten aber eine bessere Signal-Rausch-Leistung und höhere Präzision, indem sie die Auswirkungen von Multipfad-Interferenzen reduzieren. Punktprojektoren haben auch tendenziell größere Reichweiten, was sie für größere Flächen oder für die Navigation in komplexen Umgebungen effektiver macht.

Die Vielfalt der möglichen Anwendungen für Roboter ist recht breit. Je nach Anwendung können Roboterentwickler zwischen Flood-Beleuchtung und Punktprojektoren wählen oder in einigen Fällen beides kombinieren. Zum Beispiel die Verwendung von Flood-Beleuchtung zur Erfassung über ein breites Sichtfeld und die Ergänzung dieses Bereichs durch einen Punktprojektor, wenn eine Erfassung über einen erweiterten Bereich erforderlich ist. 

Es ist auch zu beachten, dass der Stromverbrauch für autonome Roboter oft entscheidend ist, da sie zwischen den Aufladesitzungen möglicherweise über lange Zeiträume arbeiten müssen. In diesem Fall können Punktprojektoren aufgrund ihres typischerweise geringeren Stromverbrauchs gegenüber Flood-Beleuchtungen bevorzugt werden. 

Beleuchtungslösungen von Coherent

Jede Roboteranwendung hat einzigartige Herausforderungen, wie z. B. unterschiedliche Lichtintensitäten, unterschiedliche Blickwinkel und die Notwendigkeit, über einen weiten Bereich von Entfernungen effektiv zu arbeiten. Aus diesem Grund bietet Coherent eine Reihe von serienmäßigen Beleuchtungsmodulen an, die sich ideal für Roboter-Vision-Anwendungen eignen. Dazu gehören sowohl Hochwasserbeleuchtung als auch Punktprojektoren, die für eine nahtlose Integration und optimale Leistung entwickelt wurden.

Unsere Flutlichter sind in verschiedenen Leistungsstufen von 4,5 W bis 11 W erhältlich und bieten eine Reihe von Sichtfeldoptionen von 60° x 45° bis 140° x 110°. Sie sind hocheffizient und gewährleisten eine zuverlässige Leistung selbst bei batteriebetriebenen Geräten.

Unsere Punktprojektoren sind gleichermaßen vielseitig und mit verschiedenen Konfigurationen von 67° x 53° und 1.100 Punkten bis hin zu 130° x 110° Grad und 3.000 Punkten erhältlich. Sie bieten kleine Punktgrößen, hohen Kontrast und hervorragende Augensicherheit und eignen sich daher für eine Reihe von Roboteranwendungen.

Alle unsere Beleuchtungsmodule, sowohl Flutlichter als auch Punktprojektoren, sind in oberflächenmontierten Technologiepaketen (SMT) erhältlich. Dieser kompakte Formfaktor macht sie einfach zu integrieren und ist vollständig mit Referenzdesigns von großen ToF-Sensorherstellern kompatibel.

Schlussfolgerung

Mit handelsüblichen SMT-Flood-and-Dot-Projektormodulen von Coherent war es noch nie so einfach, maßgeschneiderte Beleuchtungslösungen für Time-of-Flight-Kameras in Roboter-Vision-Systemen zu entwickeln. Ganz gleich, ob Sie die nächste Generation von Haushaltsrobotern entwickeln oder an fortschrittlichen Anwendungen in den Bereichen Smart Home Automation, Sicherheit oder mobile Geräte arbeiten, unsere Lösungen bieten die Flexibilität und Leistung, die Sie für Ihren Erfolg benötigen.