工業(yè)CMOS圖像傳感器正在發(fā)生怎樣的變化？

隨著 3D 傳感器技術(shù)的進步，制造和物流領(lǐng)域的客戶可以依靠先進的傳感器徹底改變他們的業(yè)務(wù)方式。

隨著 3D 傳感器技術(shù)的進步，它有望在制造和物流等領(lǐng)域形成新的應(yīng)用，從而提高效率、生產(chǎn)力，它能夠準確掃描并快速移動物體。

據(jù)Allied Market Research稱，到 2031 年，全球 3D 傳感器市場預(yù)計將達到 570 億美元，自 2022 年起復(fù)合年增長率為 13%?。該技術(shù)的首次商業(yè)用途是在游戲領(lǐng)域的 3D 成像和檢測，在過去十年中，受智能手機需求以及3D 面部識別解鎖手機功能的推動，消費設(shè)備中的 3D 傳感技術(shù)不斷增加。

最近，需要3D深度傳感技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)擴展到包括制造和物流以及增強現(xiàn)實。3D傳感器技術(shù)帶來的好處包括改進質(zhì)量控制、提高自動化程度、增強安全性和優(yōu)化存儲。例如，該技術(shù)可以在倉庫中使用，以最大限度地利用空間，并使機器人拾取和放置。

本文將探討3D傳感器技術(shù)的一些最新進展，并概述制造業(yè)和物流業(yè)的用例。

?工業(yè) CMOS 圖像傳感器正在發(fā)生怎樣的變化

專為 3D 解決方案設(shè)計的新型 CMOS 圖像傳感器正在出現(xiàn)，代表著工業(yè)應(yīng)用向前邁出了一大步。對于激光輪廓儀，這些傳感器使用最先進的全局快門像素技術(shù)和傳感器架構(gòu)，以矩形傳感器格式提供具有高動態(tài)范圍的超高速傳感器，以滿足應(yīng)用限制。

對于間接飛行時間 (iToF) 系統(tǒng)，這些傳感器嵌入了全新的像素設(shè)計，可實現(xiàn)快速 3D 檢測，無需運動偽影，并且需要結(jié)合iToF技術(shù)特有的關(guān)鍵功能，例如可處理寬距離范圍和寬反射率范圍的高動態(tài)范圍管理。這使得 iToF 成為在復(fù)雜條件和不斷變化的環(huán)境中進行可靠實時決策的理想技術(shù)。隨著 iToF 技術(shù)應(yīng)用于機器人、物流、建筑測繪和智能交通系統(tǒng) (ITS) 等行業(yè)，對 iToF 設(shè)備的需求持續(xù)增長。

自動化和監(jiān)控的增加、機器人技術(shù)的使用以及工業(yè) 4.0 計劃的其他方面正在產(chǎn)生對 3D 成像解決方案的需求，這些解決方案可以在各種具有挑戰(zhàn)性的條件下提供高精度和距離測量。

?工業(yè) 4.0 中 3D 傳感器的新應(yīng)用

根據(jù)麥肯錫公司的定義，工業(yè) 4.0 是制造業(yè)數(shù)字化的下一階段，受到顛覆性趨勢的推動，包括數(shù)據(jù)和連接、分析、人機交互以及機器人技術(shù)改進等顛覆性趨勢。

由于 2D 視覺在復(fù)雜物體識別和尺寸標注的精度和距離測量方面存在局限性，工業(yè) 4.0 的到來增加了對 3D 視覺的需求。此外，3D 成像支持人類與機器人之間的交互。借助 3D 視覺，工廠工人可以通過 3D 監(jiān)控系統(tǒng)來保護工廠工人免受制造車間潛在危險情況的影響，該系統(tǒng)可以區(qū)分人與機器人和其他物體，從而創(chuàng)造一個更安全的環(huán)境。

3D 視覺提高了工廠自動化機器人和機器系統(tǒng)的自主性和有效性，對于更準確的質(zhì)量檢測、逆向工程和物體尺寸標注至關(guān)重要。此外，視覺系統(tǒng)輔助機器人的使用正在增加，需要 3D 視覺來實現(xiàn)更好的遠程引導(dǎo)、障礙物識別和準確的移動。

工廠和倉庫中動態(tài)尺寸標注的兩個具體用例包括大型貨運或貨物尺寸標注以及高速包裹或包裹尺寸標注。

?大件貨物或貨物尺寸測量

動態(tài)尺寸測量涉及捕獲和測量位于傳送帶或移動平臺上的物體或包裝過程。該技術(shù)通常用于物流、倉儲和運輸行業(yè)，以實現(xiàn)尺寸標注過程的自動化并提高效率?；?3D 視覺的系統(tǒng)可以精確測量物體通過系統(tǒng)時的長度、寬度和高度，從而減少對手動測量的需要。

大型貨物/托盤尺寸測量的 3D 傳感器技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用比靜態(tài)站具有顯著的優(yōu)勢。借助實時尺寸標注功能，可以實現(xiàn)更高的效率。通過利用該技術(shù)可以實現(xiàn)高效的碼垛，包括包裝和卡車裝載優(yōu)化。憑借傳感器級先進的片上功能，3D 系統(tǒng)可以在室內(nèi)和室外環(huán)境中無縫協(xié)作，不受任何干擾，同時保持良好的性能水平。這些 3D 傳感器具有高分辨率，可實現(xiàn)大視場和出色的角分辨率，從而完全覆蓋尺寸超過一米的整個托盤。通過消除運動偽影，可以獲得實時可靠的測量結(jié)果，從而節(jié)省時間和成本，并最終提高生產(chǎn)力。此外，先進的 3D 傳感器可以處理廣泛的反射率覆蓋范圍，因此即使對于反射率非常低的材料（如黑色橡膠），也可以保持一致的精度水平。

從這些系統(tǒng)捕獲的尺寸數(shù)據(jù)可用于多種目的，包括貨運和運輸優(yōu)化、倉庫空間管理、自動分揀以及合規(guī)性和文檔記錄，以滿足安全標準或運輸法規(guī)等法規(guī)的要求。

?包裝尺寸測量

高速包裝或包裝尺寸測量是另一個用例，是指以高速自動化方式快速準確地測量包裹或包裹尺寸的過程。先進的 3D 傳感器是專用尺寸測量系統(tǒng)的一部分，用于捕獲包裝的長度、寬度和高度以及其他相關(guān)參數(shù)。在需要快速處理大量包裹的環(huán)境中，該用例的高速應(yīng)用至關(guān)重要。通過自動化尺寸標注過程，減少了手動測量的需要，手動測量既耗時又容易出錯。該技術(shù)可實現(xiàn)更快的吞吐量，提高運營效率，并促進準確的定價、分類和物流規(guī)劃。

對于工業(yè)應(yīng)用，3D 傳感器技術(shù)為高速包裝尺寸測量提供了創(chuàng)新的解決方案。創(chuàng)新的 3D 傳感器技術(shù)通過實現(xiàn)實時尺寸測量超越了靜態(tài)站，從而顯著提高了效率。除了需要符合高速生產(chǎn)線的要求外，這些解決方案還可以應(yīng)對短距離且可擴展的范圍檢測，例如以毫米級精度精確測量兩到四米的距離。即使面對以超過每秒 30 幀的極限速度運行的傳送帶，這些復(fù)雜的傳感器也能消除運動偽影。此外，它們具有廣泛的反射率覆蓋范圍，可容納低反射率材料，同時在整個探測范圍內(nèi)始終保持穩(wěn)定和出色的精度水平。

高速包裝或包裝尺寸測量系統(tǒng)通常應(yīng)用于各個行業(yè)，包括電子商務(wù)、零售、快遞服務(wù)、配送中心和物流中心。它們通常集成到輸送系統(tǒng)或物料搬運設(shè)備中，允許在包裝沿加工線移動時對其尺寸進行測量?？傮w而言，高速包裝/包裝尺寸測量在優(yōu)化物流運營、確保準確的貨運計算以及實現(xiàn)整個供應(yīng)鏈的高效管理方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

?3D 系統(tǒng)需要考慮的 10 個屬性

在考慮工業(yè)應(yīng)用的 3D 系統(tǒng)時，應(yīng)考慮幾個關(guān)鍵的應(yīng)用參數(shù)。以下是一些需要考慮的重要因素：

距離范圍：3D 系統(tǒng)要覆蓋的用例的距離范圍。例如，自主導(dǎo)引車 (AGV) 和自主移動機器人 (AMR) 應(yīng)用通常需要 3D 技術(shù)在較長范圍內(nèi)執(zhí)行，以檢測障礙物并在各種工業(yè)環(huán)境中有效導(dǎo)航，而垃圾箱揀選僅需在短距離范圍。

精度：根據(jù)應(yīng)用所需的精度，3D技術(shù)將比2D更適合，然后，3D傳感器技術(shù)將表征所能達到的精度水平。

分辨率：3D傳感器的分辨率取決于場景中捕獲的細節(jié)水平或待測物體的尺寸。

視場 (FoV)：視場會對選擇的 3D 傳感器分辨率和 3D 系統(tǒng)設(shè)計產(chǎn)生影響。

速度：快速 3D 檢測需要在沒有運動偽影的情況下進行，以避免錯誤的距離測量。并非所有 3D 技術(shù)都能以合理的速度提供 3D 測量或能夠應(yīng)對高速移動的物體。

反射率：您的 3D 系統(tǒng)需要處理的最小和最大反射率是多少？例如，在工業(yè)應(yīng)用中，覆蓋的反射率范圍可能很寬，從 2% 到 98%，3D 系統(tǒng)應(yīng)該在該范圍的極限范圍內(nèi)提供足夠好的精度，并且需要保持穩(wěn)定的水平。

室外操作：在某些應(yīng)用中，3D 系統(tǒng)需要在室內(nèi)和室外操作，所選擇的 3D 技術(shù)應(yīng)該對環(huán)境光具有魯棒性，同時保持良好的性能水平。

對各種場景的適應(yīng)性：并非所有 3D 技術(shù)都適合在多種且不斷變化的操作條件（光線、范圍、室內(nèi)/室外、精度……）下工作，特別是在需要逐幀進行時。

易于集成和操作：將 3D 系統(tǒng)集成到最終系統(tǒng)中需要付出什么努力？校準和制造工作量是多少？3D 系統(tǒng)是否需要特定的設(shè)置才能在工廠或倉庫中正常運行？所有問題都需要考慮，并將直接影響您的成本。 ? 成本：考慮應(yīng)用的具體需求，評估 3D 技術(shù)的性價比。

所有這些因素不應(yīng)單獨考慮，因為它們之間存在許多依賴性，并且在選擇 3D 技術(shù)、3D 系統(tǒng)或 3D 傳感器時必須對它們進行整體評估。

?結(jié)論

隨著 3D 傳感器技術(shù)的進步，制造和物流領(lǐng)域的客戶可以依靠先進的傳感器徹底改變他們的業(yè)務(wù)方式，從而增強質(zhì)量控制、提高效率和安全性。大型貨運尺寸測量和高速包裝和包裹尺寸測量等應(yīng)用可以精確測量和優(yōu)化倉庫空間，從而增強質(zhì)量控制、降低成本、減少浪費、提高安全性并整體提高運營效率。

審核編輯：劉清