Einheitliche Plattform für Vision-Aufgaben in 3-D

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Neue Sensorserie „Explorer“ für Stereo-3-D und ToF-3-D

Einheitliche Plattform für Vision-Aufgaben in 3-D
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Stereo-Vision in seinem Element bei der Kontrolle von Getränkekisten mit frisch abgefüllten Flaschen
Archiv | 14.01.2022 | Ein Grossteil der Vision-Sensoren ist eigens für bestimmte Anwendungsfelder konstruiert. Ihre Aufgabe ist es, aus einem erfassten 2-D Bild verschiedene Merkmale abzuleiten. Die neue Sensorserie SmartRunner Explorer 3-D von Pepperl+Fuchs hingegen bietet hochpräzise Lösungen für vielfältige Einsatzgebiete in drei Dimensionen. Mit einer wesentlich vergrösserten Datengrundlage werden neue Anwendungsmöglichkeiten erschlossen.

Zwei Varianten mit unterschiedlichen Messverfahren – Stereo Vision und Time-of-Flight – beruhen auf derselben Plattform mit gleichem Gehäuse, einheitlicher Anwendersoftware und Datenausgabe. Der Integrationsaufwand wird beträchtlich reduziert.    

Beispiel für eine typische Anwendung aus dem 3-D-Bereich ist die Kontrolle von Getränkekisten mit frisch abgefüllten Flaschen: Sind alle Fächer belegt? Sitzen die Schraubverschlüsse richtig? Mit einem 2D-Sensor würde die Tiefeninformation der z-Achse fehlen, um diese Fragen zuverlässig zu beantworten. Ein 3-D-Gerät jedoch kann die präzisen Daten liefern, um die Platzierung der Flaschen und der Verschlüsse in einem automatisierten Durchgang zu erfassen. Für die flexible Abstandsmessung in einem grossen Bereich ist die Steuerung fahrerloser Fahrzeuge (automated guided vehicle, AGV) ein gutes Beispiel. Typische Fragen sind hier: Welche Hindernisse sind zu umfahren? Wo genau befinden sich die Aussparungen im Palettenfuss? Auch hier stösst die 2D-Erfassung schnell an physikalische Grenzen.

Herkömmliche Sensoren sind bei solchen Anwendung meist auf nur eine der genannten Aufgaben spezialisiert. In vielen Fabrikationsbetrieben kommen jedoch beide Arten der Anwendung parallel vor. Die präzise Situationserfassung in 3-D und die Steuerung von AGV gehören in der Produktion und Logistik vieler Branchen zusammen. Die Verwendung einer einheitlichen Sensor-Plattform schafft hier das Potenzial für eine beträchtliche Reduktion des Aufwandes für die Geräteintegration.

Einheitliche Datenausgabe

Die Serie SmartRunner Explorer 3-D umfasst Sensoren in zwei Ausführungen:
  • „Stereo-Vision“ für die 3-D-Erfassung im Nahbereich
  • „Time-of-Flight“ (ToF) für die Überwachung eines Bereichs bis zehn Meter
Es handelt sich in beiden Fällen um Rohdatensensoren, die kalibriert ausgeliefert werden. Bei Stereo-Vision findet die Vorverarbeitung der Messdaten direkt im integrierten FPGA des Gerätes statt. Mit diesem Sensor lassen sich hochpräzise 3-D-Punktwolkenbilder erstellen, die eine besonders exakte Darstellung gescannter Objekte ermöglichen. Aufgrund der optimierten Tiefeninformation in z-Richtung werden völlig neue Anwendungsfelder erschlossen, die mit vergleichbaren Sensoren aus diesem Marktsegment nicht zugänglich wären.

Beide Varianten des SmartRunner Explorer 3-D verwenden eine identisch standardisierte Datenstruktur und die einheitliche Anwendersoftware ViSolution. Die intuitive Benutzerführung erfolgt auf ebendieser Oberfläche. Für die zielgerichtete Visualisierung von 2-D- und 3-D-Daten werden nur wenige Klicks benötigt.

Die Integration eines ersten Gerätes der SmartRunner Explorer 3-D-Serie kann für weitere Geräte in beiden Varianten und für unterschiedliche Anwendungsspektren dupliziert werden. Mit einem Ethernet Gigabit Interface ist die Voraussetzung für eine schnelle Datenübertragung geschaffen. Das für beide Geräteversionen einheitliche Aluminiumgehäuse ist hochstabil, leitet die Betriebswärme ab und verhindert verzerrende Temperatureinflüsse. Die Kameralinse wurde speziell für diese SmartRunner-Serie entwickelt.

Inspektion mit 3D

Das Stereo-Vision-Gerät mit einer Reichweite von einem Meter ist für Inspektionsanwendungen optimiert. Seine Auflösung von 1,4 Megapixel ermöglicht die hochpräzise Erfassung von Objekten in diesem Nahbereich. Die Detektionsleistung kann auf die Prüfung und Zählung von definierten Objekten oder auf die Volumenerfassung von amorphen Massen gerichtet sein. Im Abstand von 600 Millimeter hat der Erfassungsbereich eine Grösse von 400x350, bei 900 Millimeter Distanz sind es 550x500 Millimeter.

Die Stereo-Vision-Variante ist mit zwei Kameras ausgestattet, die über eine Auflösung von 1,4 Megaixel verfügen. Im ersten Schritt ermittelt der Sensor ein Disparitätenbild, indem er die aufgenommenen 2-D-Bilder automatisch überlagert. Anhand der hochaufgelösten 2-D-Bilder kann der Sensor exakt auf den gewünschten Erfassungsbereich ausgerichtet werden, was eine vereinfachte Interpretation der Messergebnisse ermöglicht. Sobald alle Anpassungen erfolgt sind, lässt sich schliesslich ein 3-D-Punktwolkenbild erzeugen. Auf diese Weise liefert der Sensor mit Stereo-Vision-Technologie über den gesamten Messbereich besonders präzise, hochaufgelöste Aufnahmen.

Ein konkretes Beispiel bietet hier das Abpacken von Bananen: Die Kisten sollen möglichst vollgepackt sein; es darf aber nichts überstehen, da schon eine gequetschte Frucht die Fäulnis des gesamten Inhalts auslösen kann. Die 3-D-Erfassung mit dem SmartRunner Explorer verhindert das zuverlässig.

Lösung mit Time-of-Flight Verfahren

Die ToF-Variante verfügt über eine Kamera mit VGA-Auflösung (640 x 480 px) und eine hohe Messrate von 30 Hz. Damit eignet sie sich besonders für Anwendungen mit grösserem Messbereich, bei denen es auf schnellere Reaktionszeiten ankommt, wie zum Beispiel bei der Steuerung fahrerloser Transportsysteme.

Die DuraBeam Beleuchtung des Sensors emittiert Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von 940-Nanometer. Das macht den Sensor mit der ToF-Technologie unempfindlich gegenüber Fremdlicht auch im Aussenbereich. So kann er sowohl in Innenräumen als auch im Ausseneinsatz verwendet werden. Die Kamera nimmt zunächst ein sogenanntes Z-Bild auf, ähnlich dem 2-D-Bild des Stereo-Vision-Sensors. Zusätzlich wird hier aber auch die Distanz zwischen Objekt und Sensor ermittelt. Das Gerät gibt sie in Form eines Tiefenbilds sowie einer Höhenkarte mit 2-D-Informationen in x- und y-Richtung aus. Daraus lässt sich wiederum ein detailreiches 3-D-Punktwolkenbild erstellen. Die Detektion erfolgt mittels einer 4-Phasen-Messung, die für die Optimierung des Nutzsignals sowie der Messergebnisse sorgt. Diese können zum Beispiel in die Steuerung eines fahrerlosen Transportfahrzeugs (AGV) eingespeist werden. Der Sensor erkennt ob und wie die angesteuerte Palette beladen ist und „führt“ die Gabelzinken zu den Aussparungen im Palettenfuss.

Inbetriebnahme und individuelle Programmierung

Inbetriebnahme und Parametrierung können in der Anwendersoftware ViSolution anhand von Livedaten ganz intuitiv durchgeführt werden. Der Gerätetausch folgt dem Prinzip Plug&Play, bei der Montage helfen ein Ausrichtlineal und Ausrichtungsbohrungen am Gehäuse. Eine Neukalibrierung ist nicht nötig.

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