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提供应用关键价值的3D ToF LIDAR技术

发布时间:2022-07-12 来源:艾睿电子 责任编辑:wenwei

【导读】3D飞行时间(3D ToF)是一种无扫描仪LIDAR(光检测和测距,激光雷达)技术,通过发射纳秒级的高功率光脉冲来捕获相关场景的深度信息(通常是短距离内),已经广泛应用于消费电子、工业4.0、汽车、医疗健康、安防和监控、机器人等领域。本文将为您介绍3D ToF技术的发展与ADI推出的相关解决方案。


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3D ToF技术可精准进行距离测量


3D ToF技术是采用ToF摄像头通过使用调制光源(例如激光)主动照亮物体,然后用对激光波长敏感的传感器捕捉反射光,以此测量距离。传感器测量从摄像头发射光,到摄像头接收到发射光之间的时间延迟∆。时间延迟与摄像头和物体之间的两倍距离(往返)成正比;因此,距离可以估算为深度 = cΔ/2,其中c表示光速。


目前存在多种不同的测量∆T的方法,其中两种最为常用,包括连续波(CW)方法和脉冲方法。值得注意的是,目前已经实施且在市面上使用的绝大多数连续波ToF系统都使用CMOS传感器,脉冲ToF系统则使用非CMOS传感器(特别是CCD)。


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3D ToF广泛应用在各种关键领域


3D ToF技术应用相当广泛,在消费电子领域,包括从AR(增强现实)和VR(虚拟现实)头戴式装置到具有高级摄影和安全功能的智能手机,预计ToF技术将成为下一代消费电子产品的重要组成部分。在AR/VR头戴式装置中,通过ToF系统获取的深度信息能够为用户提供额外的现实维度。在智能手机中,该技术将使摄像头能够产生数字单反相机质量的摄影效果,实现更逼真的AR/VR功能,并提供额外的保护,避免不必要的外部访问。


在工业4.0应用中的智能传感器(特别是深度传感器)在制造业以及运输和物流中的应用越来越普遍。从用于质量检查的工业机器视觉,用于资产管理的容量检测到用于自主制造的导航设备,制造业正在采用这些传感技术,并推动开发适合恶劣工业环境的高分辨率系统。


在下一代汽车应用中,驾驶舱内的ToF系统将能够监控驾驶员和乘客的位置和状态,在驾驶员丧失驾驶能力的情况下控制并操纵汽车,确保车辆行驶安全。通过ToF技术实现的手势控制系统将可能是下一代汽车用户界面,允许驾驶员通过简单的手势或触控操作接听来电、切换音频输入源,甚至调节车内温度。


鉴于最近的疫情大流行,适用于远距离和深度测量的ToF技术在医疗健康领域变得更加重要。通过手势进行非接触式控制操作、婴儿呼吸的远程监控,以及在各种环境中对社交距离的监控等,这些都可以使用3D ToF技术来实现。


在安防和监控应用中,与传统的2D图像检测技术相比,3D ToF的高分辨率景深测量技术具有明显的优势。高分辨率景深测量能够更轻松可靠地区分人和物体,非常适合商业楼宇出入口的安防和监控检测,以及医疗环境的患者跌倒或受伤检测。


此外,高分辨率ToF系统使自动化机器和机器人可以感知环境、规划路径方面将变得至关重要,从而以优化、可靠和安全的方式完成任务。此外,3D成像可以在人类和协作机器人协同工作的应用中实现安全功能。协作机器人除了应用于工业领域,也从工厂车间走进新的应用领域(比如医疗健康),可帮助护士进行空间和表面消毒,或者协助完成某些测试,从而尽可能降低工作人员面临的健康风险。


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行业领先的完整3D ToF产品和解决方案


看到3D ToF技术的快速发展,ADI也提供多种可直接实现和提升先进ToF系统和摄像头功能的行业领先产品和解决方案,包括高分辨率CMOS成像芯片(100万像素)、深度计算和处理、激光驱动器、电源管理以及开发工具和软件/固件,帮助快速实现ToF解决方案。此外,ADI利用全球合作伙伴网络开发ToF模块、摄像头和设计服务,从而帮助缩短产品开发时间。


ADI推出的ADSD3100是一款基于CMOS 3D ToF的3D深度和2D可视光成像器,可用于集成到3D传感器系统中。读出所需的功能模块包括模数转换器(ADC)、像素偏置电路和传感器控制逻辑,内置在芯片中以便在系统中实现简单、经济高效的方案。


ADSD3100通过移动行业处理器接口(MIPI)、摄像头串行接口2(CSI-2)接口与主机系统进行电气接口。为了完成工作子系统,需要用于成像器的镜头和光学带通滤波器,以及红外光源和相关驱动器。ADSD3100可应用于智能手机、AR/VR、机器视觉系统(物流和库存)、机器人(消费电子和工业)等领域。


ADI推出的ADDI9036则是一款适用于电荷耦合器件(CCD)TOF成像应用的完整45 MHz前端解决方案。ADDI9036包括一个模拟前端(AFE)、一个可编程指令集架构(ISA)时序发生器(ISATG)、一个7通道激光二极管(LD)驱动器、一个7通道H驱动器,和一个16通道垂直驱动器(V驱动器)。精密时序®内核允许调整CCD水平时钟和LD输出,在45 MHz频率下工作时的分辨率约为174 ps。


ADDI9036中的AFE包括黑色电平钳位、一个相关双采样器(CDS)、一个可变增益放大器(VGA)和一个12位ADC。AFE数据通过MIPI® CSI-2传输接口进行输出,也可通过I2C串行接口对内部寄存器进行编程。ADDI9036采用6 mm × 6 mm 117球WLCSP封装,并可以在−20℃至+85℃的工作温度范围内工作。


ADI ADP362x/ADP363x则是高电流、双通道高速驱动器系列,能够驱动两个独立的N沟道功率MOSFET。该系列采用工业标准尺寸,但增加了高速开关性能,并且系统可靠性更高。该系列集成了内部温度传感器并提供两重过温保护、过温警告,以及结温极高时的过温关断功能。


由内部精密比较器产生的SD功能,可快速启用或关断系统。该功能可提供冗余过压保护,与主控制器内部的保护功能相配合,或在发生过温警告事件时可安全关断系统。宽输入电压范围使驱动器能够同时与模拟和数字PWM控制器兼容,数字电源控制器从低压电源供电,驱动器从较高电压电源供电。ADP362x/ADP363x系列增加了UVLO和迟滞功能,与低压数字控制器配合使用时支持较高电压电源的安全启动和关断。


ADP362x/ADP363x器件系列采用散热增强型SOIC_N_EP和MINI_SO_EP封装,在较小印刷电路板(PCB)面积内较大限度地提升高频和大电流开关性能。可应用于AC-DC开关模式电源、DC-DC电源、同步整流、电机驱动等领域。


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可加快系统开发速度的3D ToF开发平台


为加快3D ToF系统的开发速度,ADI也推出3D ToF开发平台――AD-96TOF1-EBZ,这款模块化的ToF解决方案是基于行业标准的96Boards平台构建而成,可测量对象的X、Y、Z轴数据。


AD-96TOF1-EBZ是经过实践检验的深度感知硬件平台,在与96Boards生态系统中的处理器板配合使用时,可用于3D软件和算法开发。在开发软件和算法的同时,可以利用硬件设计实现产品化。


ADI可以推荐第三方开发商帮助定制该平台以满足各种应用需求。根据客户偏好和开发经验的差异,可以使用不同的96Boards处理器板进行整体系统评估和定制开发。在夹层板上还可以使用树莓派(Raspberry Pi)接口,进一步提高客户灵活性。


该解决方案能够实现非常小巧和低功耗的特点,测量长达6米的深度,并具有出色的室外和室内性能以及VGA分辨率。可用于机器人、工业自动化、SLAM(同时定位和地图构建)、AR、VR、无人机、汽车检测等应用。


另一款AD-FXTOF1-EBZ 3D ToF开发套件则是景深测量模块,非常适合集成到较大的系统和终端产品中。它使用VGA CCD,支持以每秒30帧捕获640x480景深映射场景,从而提供比市场上许多其他TOF系统高4倍的分辨率。


AD-FXTOF1-EBZ是一款通过认证的生产模块,适合景深测量。它完全兼容现有的ADI 3DTOF开源SDK和原型制作软件平台。它可以配合现有的ADI算法用于各种用例,包括人员检测、占用和活动检测、目标检测和分类、自主和服务机器人,以及用于物流和工业应用及许多其他机器视觉应用的体积测量。该套件包含转接板,使ToF模块的25引脚接口适应15引脚接口,并与常用的开发系统兼容,如Raspberry PI、Nvidia Jetson Nano或Nvidia Xavier NX。


ADI也推出高度集成的ToF摄像头模块,其基于ADI的ToF信号链产品和技术,可输出深度图和(710版)TOF + RGB图像(可禁用),FOV为70 X 54,深度摄像头支持最大640*480(30 FPS下)的图像大小,RGB摄像头支持最大1920*1080(30 FPS下)的图像大小,内置USB 2.0接口,可支持在Android、Linux、Windows 7/8/10的操作系统上运行,并提供Pico深度传感器SDK、示例代码和工具(兼容Open NI SDK),以及在Python中提供的ADI示例应用算法。


结语


集成3D ToF技术的LiDAR系统发展已经相当成熟、应用日趋广泛,极具市场发展潜力。ADI推出完整的3D ToF产品与解决方案,并提供易于使用的开发平台与模块,可加快客户的产品开发速度,将是您开发相关产品的最佳选择之一。



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