發(fā)揮機(jī)器視覺(jué)完美性能，你需要一個(gè)高功率的照相閃光燈系統(tǒng)

伴隨邊緣計(jì)算、傳感器等技術(shù)的不斷發(fā)展，人機(jī)交互(HMI)正在取得重大進(jìn)展。如ADI公司在2019年關(guān)鍵技術(shù)展望中提及，在智慧工廠、機(jī)器人以及越來(lái)越多的協(xié)作機(jī)器人(人-機(jī)器人配合)將會(huì)具備快速學(xué)習(xí)和適應(yīng)環(huán)境的能力，一些能夠通過(guò)多種模式(如機(jī)器視覺(jué)、激光雷達(dá)、ToF測(cè)距等)實(shí)時(shí)繪制三維環(huán)境圖的自主機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人將變得越來(lái)越重要。

以機(jī)器視覺(jué)為例，在協(xié)作機(jī)器人大規(guī)模應(yīng)用之前，現(xiàn)代工業(yè)組裝生產(chǎn)線就已經(jīng)運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)來(lái)輔助自動(dòng)化光學(xué)檢查，以確保在組裝線上快速移動(dòng)的部件符合定義的規(guī)范。未通過(guò)光學(xué)檢查的缺陷部件被打上標(biāo)記并自動(dòng)地從組裝線移除，從而確保部件之間的一致性。而在這一類(lèi)組裝線上作為視覺(jué)傳感使用的高速攝像機(jī)需要一種照相閃光燈系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠始終如一地重現(xiàn)一個(gè)固定導(dǎo)通時(shí)間光脈沖，可變的關(guān)斷時(shí)間由組裝線的速度以及部件的間隔距離來(lái)限定。

機(jī)器視覺(jué)的閃光燈系統(tǒng)需要哪些特性?

筆者從ADI公司技術(shù)專(zhuān)家口中了解到：在這一過(guò)程中，紅外和激光LED閃光燈常用于近程和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)機(jī)器視覺(jué)。安全系統(tǒng)發(fā)出高速、難以察覺(jué)的LED閃光燈來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)，捕獲和存儲(chǔ)安全影像。但是，這些機(jī)器視覺(jué)的相機(jī)閃光燈系統(tǒng)都存在的一個(gè)挑戰(zhàn)，即產(chǎn)生非常高的電流和短時(shí)間(微秒)LED相機(jī)閃光波形，這些波形可能散開(kāi)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，例如100 ms到1 s以上。

然而，產(chǎn)生間隔較長(zhǎng)時(shí)間的短時(shí)LED閃光方波并非易事。當(dāng)LED(或LED串)的驅(qū)動(dòng)電流上升到1 A以上，并且LED開(kāi)啟時(shí)間縮短到幾微秒時(shí)，挑戰(zhàn)難度進(jìn)一步加大。許多具有高速PWM能力的LED驅(qū)動(dòng)器可能無(wú)法有效處理較長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間和短時(shí)間的高電流，而又不降低適當(dāng)處理高速圖像所需的方波質(zhì)量。

應(yīng)對(duì)機(jī)器視覺(jué)閃光燈挑戰(zhàn)，關(guān)斷時(shí)間成重點(diǎn)

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，據(jù)ADI專(zhuān)家介紹，ADI的高速LED驅(qū)動(dòng)器LT3932可為高達(dá)2 A的LED串提供機(jī)器視覺(jué)相機(jī)閃光燈，關(guān)斷時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)1秒、1小時(shí)、1天或更長(zhǎng)時(shí)間，從而完美地解決這一問(wèn)題。ADI專(zhuān)家表示，LT3932的特殊相機(jī)閃光燈功能允許其保持輸出電容和控制環(huán)路充電狀態(tài)，哪怕是在長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間內(nèi)。對(duì)輸出和控制環(huán)路電容的狀態(tài)進(jìn)行采樣后，LT3932繼續(xù)在長(zhǎng)關(guān)斷期間對(duì)這些元件進(jìn)行涓流充電，以補(bǔ)償通常都會(huì)有的漏電流，而這是其他LED驅(qū)動(dòng)器沒(méi)有考慮到的。

ADI的LT3932專(zhuān)有閃光技術(shù)支持?jǐn)U展，驅(qū)動(dòng)器可以并聯(lián)以提供更高的LED閃光電流。所需的閃光形狀和完整性保持不變。

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的LED閃光燈要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)PWM調(diào)光驅(qū)動(dòng)器所能達(dá)到的要求，即大多數(shù)高端LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)用于在至少100 Hz的PWM頻率下提供PWM調(diào)光亮度控制。ADI專(zhuān)家稱(chēng)，若頻率較低，哪怕LED波形十分完美，人眼看到的也是令人討厭的閃爍或頻閃。在100 Hz時(shí)，理論最大關(guān)斷時(shí)間約為10 ms。在10 ms關(guān)斷時(shí)間內(nèi)，如果設(shè)計(jì)正確，LED驅(qū)動(dòng)器會(huì)損失極少輸出電容電荷，使其在大約相同的狀態(tài)下啟動(dòng)控制環(huán)路，從而結(jié)束最后一個(gè)PWM導(dǎo)通脈沖。電感電流和下一個(gè)LED PWM導(dǎo)通脈沖的快速響應(yīng)和斜坡上升可以很快且可重復(fù)，并且啟動(dòng)時(shí)間極短。較長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間(頻率低于100 Hz時(shí))可能會(huì)導(dǎo)致輸出電容因漏電而損失電荷，從而使LED重啟時(shí)無(wú)法快速響應(yīng)。

如何獲取更大電流驅(qū)動(dòng)負(fù)載？不妨并聯(lián)一下

眾所周知，LED驅(qū)動(dòng)器充當(dāng)電流源，調(diào)節(jié)通過(guò)發(fā)光二極管發(fā)出的電流，這是其工作原理。電流僅沿單一方向輸出，因此可將多個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)起來(lái)，其電流匯總后通過(guò)負(fù)載。ADI專(zhuān)家稱(chēng)，電流源不需要防范電流通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)換器反向流動(dòng)，也無(wú)需擔(dān)心輸出不匹配。實(shí)際上，電壓調(diào)節(jié)器本身并不擅長(zhǎng)均流，如果它們都試圖將輸出電壓調(diào)節(jié)到某一點(diǎn)，并且其反饋網(wǎng)絡(luò)存在細(xì)微差異，則調(diào)節(jié)器可能會(huì)吸收反向電流。

LED驅(qū)動(dòng)器會(huì)保持其輸出電流不變，無(wú)論其他驅(qū)動(dòng)器是否提供額外電流并匯總在輸出負(fù)載上。這使得并聯(lián)LED驅(qū)動(dòng)器非常簡(jiǎn)單。例如，使用ADI兩顆并聯(lián)的LED驅(qū)動(dòng)器LT3932構(gòu)成的閃光燈系統(tǒng)能以3 A高效驅(qū)動(dòng)4個(gè)LED，10μs短脈在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)所定義的較長(zhǎng)期間內(nèi)沖散開(kāi)來(lái)。在PWM導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，每個(gè)LT3932轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生總串電流的一半；在PWM關(guān)斷時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)換器關(guān)閉并保存其輸出狀態(tài)。關(guān)斷時(shí)間可短可長(zhǎng)，對(duì)閃光波形的重復(fù)性沒(méi)有影響。觀察波形我們可以看到，無(wú)論是10 ms PWM關(guān)斷時(shí)間(100 Hz)還是1 s PWM關(guān)斷時(shí)間(1 Hz)，LED脈沖都很陡峭且快速，這對(duì)于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是非常理想的。

ADI專(zhuān)家指出，在長(zhǎng)關(guān)斷期間，并聯(lián)相機(jī)閃光燈應(yīng)用幾乎與單個(gè)轉(zhuǎn)換器一樣簡(jiǎn)單。轉(zhuǎn)換器觀察最后一個(gè)PWM導(dǎo)通脈沖結(jié)束時(shí)的共享輸出電壓，讓輸出電容充電至該狀態(tài)并保持。每個(gè)轉(zhuǎn)換器將其PWM MOSFET與共享負(fù)載斷開(kāi)連接，并向其輸出電容供應(yīng)電流以補(bǔ)償泄漏的能量，使該電容充電至接近最后電壓狀態(tài)并保持。這些電容在長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間內(nèi)發(fā)生的任何泄漏都可以通過(guò)少量維持電流來(lái)補(bǔ)償。當(dāng)下一個(gè)PWM導(dǎo)通脈沖開(kāi)始時(shí)，每個(gè)轉(zhuǎn)換器的PWM MOSFET導(dǎo)通，輸出電容以與最后一個(gè)脈沖大致相同的狀態(tài)啟動(dòng)，無(wú)論是經(jīng)過(guò)了10 ms還是一整天。

本文小結(jié)：

總結(jié)而言，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以使用并聯(lián)LED驅(qū)動(dòng)器來(lái)創(chuàng)建自動(dòng)圖像處理所需的快速、方形、高電流波形。通過(guò)并聯(lián)轉(zhuǎn)換器，ADI 公司LED驅(qū)動(dòng)器LT3932的專(zhuān)有相機(jī)閃光燈技術(shù)可以擴(kuò)展到更高的電流。采用并聯(lián)LT3932轉(zhuǎn)換器，即使關(guān)斷時(shí)間較長(zhǎng)，也可以實(shí)現(xiàn)3 A和更高的微秒級(jí)脈沖。無(wú)論LED閃光之間的關(guān)斷時(shí)間有多長(zhǎng)，LED相機(jī)閃光波形都能保持方形且無(wú)抖動(dòng)。

值得強(qiáng)調(diào)的是，事實(shí)上并聯(lián)LED驅(qū)動(dòng)器不限于兩個(gè)轉(zhuǎn)換器，三個(gè)或更多轉(zhuǎn)換器也可以并聯(lián)在一起，產(chǎn)生具有陡沿的更高電流波形。該系統(tǒng)沒(méi)有主器件或從器件，因此所有轉(zhuǎn)換器都提供相同量的電流并平均分擔(dān)負(fù)載。建議所有并聯(lián)LED驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換器共享相同的同步時(shí)鐘并保持同相。這樣可確保所有轉(zhuǎn)換器的輸出電容紋波具有大致相同的相位，故而紋波電流不會(huì)反向流動(dòng)或在不同轉(zhuǎn)換器之間流動(dòng)。