Utiliser les avancées des capteurs ToF 3D pour mesurer la hauteur de pic et le niveau de remplissage pendant la production

Il existe une idée répandue selon laquelle le progrès technologique est un processus linéaire net et précis. L'industrie des semi-conducteurs encourage d'ailleurs cet état d'esprit en publiant des « feuilles de route » sur la technologie des procédés et la réduction des nœuds à cinq et dix ans, ce qui donne l'impression d'une extrapolation très prévisible des développements passés.

Évidemment, la réalité du progrès est très différente dans de nombreux cas. En s'intéressant à la technologie du tube à vide en 1947 pour en prédire l'avenir à court et moyen termes, personne n'avait songé à des événements complètement révolutionnaires comme l'invention du transistor. De même, en étudiant les transistors et les circuits au début des années 1950, les prévisionnistes n'avaient pas pensé au circuit intégré, apparu à la fin de cette même décennie.

Les avancées technologiques ne sont pas uniquement le résultat d'événements révolutionnaires souvent imprévus. Dans de nombreux cas, elles sont plutôt dues à l'utilisation de développements issus d'autres disciplines tout à fait différentes. Par exemple, de nombreuses avancées liées à la technologie des procédés de fabrication des semi-conducteurs ont été rendues possibles grâce à la disponibilité de composés et d'éléments de base purifiés et hautement affinés, et aux avancées optiques réalisées pour les télescopes spatiaux.

Autre exemple de cette utilisation des avancées interdisciplinaires, ou 1 + 1 > 2 : les systèmes et capteurs de temps de vol (ToF), qui sont de plus en plus nécessaires pour les systèmes avancés d'apprentissage automatique (ML) et de vision artificielle (CV).

L'adoption des systèmes de temps de vol a augmenté ces dix dernières années. Même si l'on connaît depuis longtemps leurs principes fondamentaux, dans la pratique, leur implémentation a longtemps été difficile et irréalisable. Désormais, grâce aux systèmes informatiques rapides et puissants, et aux avancées liées aux produits optiques de base, comme les photodétecteurs et les lasers contrôlables, le temps de vol se démocratise.

Qu'est-ce que le temps de vol ?

Tous les capteurs ToF mesurent des distances en utilisant la durée nécessaire à un signal optique (photons) pour se déplacer entre deux points, de l'émetteur du capteur à une cible, puis de la cible au récepteur du capteur. Cela équivaut aux principes du radar, où l'on utilise la transmission de l'énergie RF et les réflexions renvoyées. La technologie ToF et sa faisabilité sont accélérées par son utilisation dans la quête de véhicules autonomes et de systèmes robotiques intelligents avec vision intégrée.

Il existe deux formes de temps de vol : direct et indirect (Figure 1). Les capteurs de temps de vol direct émettent de courtes impulsions lumineuses qui ne durent que quelques nanosecondes, puis mesurent le temps qu'il faut à la lumière émise pour revenir. À l'inverse, les capteurs de temps de vol indirect émettent une lumière modulée en continu et mesurent la phase de la lumière réfléchie afin de calculer la distance par rapport à un objet. Le choix du type de capteur utilisé dépend de l'application.

Figure 1 : Les capteurs de temps de vol direct utilisent de courtes impulsions lumineuses et des mesures temporelles précises (à gauche) ; l'approche indirecte utilise une sortie modulée en continu et des mesures de phase relative (à droite). (Source de l'image : Terabee/Suisse)

Les caméras non-ToF traditionnelles permettent uniquement de cartographier des images en deux dimensions et en couleur de pixels individuels tracés dans une grille. Les capteurs ToF haute précision, quant à eux, ajoutent la troisième dimension aux photographies traditionnelles à des rapports de pixels de presque 1:1.

Pour ce faire, ils créent un « nuage de points » pour représenter visuellement un seul pixel dans les coordonnées X, Y et Z du champ de vision de la caméra. Les capteurs ToF peuvent même ajouter une troisième dimension aux vidéos, qui sont, dans leur forme la plus basique, un ensemble d'images. Ces capteurs créent ainsi un nuage de points dynamique en trois dimensions et un flux vidéo avec cartographie de profondeur en temps réel.

Des applications qui ne se limitent pas aux véhicules

L'utilité du temps de vol s'étend au-delà des véhicules autonomes, comme le montrent les capteurs ToF 3D série ZMX de Banner Engineering (Figure 2). L'unité ZMX-3DE2500HF, avec sa source lumineuse infrarouge (IR) de 850 nanomètres (nm), peut mesurer et surveiller des objets dans une zone 3D, et fournir une solution à un seul capteur pour les applications de remplissage sur les lignes de production. Elle est capable de détecter à la fois la hauteur de pic et le niveau moyen de remplissage.

Figure 2 : Le capteur de temps de vol 3D série ZMX est capable de mesurer, de surveiller et de détecter la hauteur de pic et le niveau moyen de remplissage sur les lignes de production. (Source de l'image : Banner Engineering)

La série ZMX présente un grand champ de vision (FOV) de 60° × 45° avec une résolution de 272 × 208 pixels, ainsi qu'une portée de 200 millimètres (mm) à 2500 mm. Étant donné que le capteur peut détecter des objets de n'importe quelle taille, de n'importe quelle forme et dans n'importe quel sens, il constitue un outil idéal pour les applications industrielles et de production automatisées, dans lesquelles les matériaux, produits ou colis s'accumulent dans une zone définie. Autre fonctionnalité intéressante : tout est intégré au capteur et aucun contrôleur ni circuit imprimé distinct n'est nécessaire. Seuls quelques paramètres sont à définir pour déployer le capteur en quelques minutes. La connexion physique est tout aussi simple : il suffit d'un câble d'alimentation et d'un câble Ethernet.

Le capteur série ZMX peut être utilisé pour les tâches suivantes :

• Surveiller le contenu de conteneurs qui recueillent des articles acheminés par goulotte ou par tapis roulant au sein d'un système automatisé. En combinant l'imagerie numérique et des milliers de points de mesure laser, le capteur peut détecter des objets dans une zone en trois dimensions.

Par exemple, lorsqu'un bac est installé pour recueillir de petites boîtes rectangulaires, le contenu s'accumule et forme une pile dont la forme est imprévisible. Pour déterminer avec précision que le bac est plein, la solution de capteur doit être capable de détecter les variations de hauteur de remplissage dans toute la zone du bac.

• Reconnaître la hauteur maximale des objets quel que soit l'endroit où se trouve le point le plus haut dans la zone de détection. Cela permet également de calculer le volume de remplissage. L'utilisation d'un seul capteur 3D est un excellent moyen de veiller à ce que les conteneurs soient remplis de manière uniforme, d'éviter de trop les remplir, de suivre les taux de remplissage et d'affiner les vitesses de traitement.
• Simplifier les applications qui nécessiteraient autrement plusieurs capteurs à un seul point. Un capteur 3D simple est plus facile à installer et à suivre, et offre des performances plus fiables. Les technologies traditionnelles à un seul point peuvent manquer de fiabilité lors de la mesure d'une accumulation de formes.

Par exemple, un laser simple peut indiquer un faible remplissage en percevant un espace entre deux objets, ou un capteur à ultrasons peut ne fournir aucun relevé en raison de la déviation du signal par un objet de forme ou d'angle bizarre (Figure 3). En revanche, un seul capteur ZMX positionné au centre de la zone fournit une couverture totale de cette zone dans les trois dimensions.

Figure 3 : Un capteur à ultrasons peut être induit en erreur par des espaces au niveau de la cible ou par des réflexions inhabituelles du signal (à gauche). En revanche, un système ToF fournit une couverture 3D totale de la zone. (Source de l'image : Banner Engineering)

Simplicité de configuration

Les interconnexions physiques sont simples, étant donné que ces unités ne possèdent que deux connecteurs et quelques voyants LED utiles. Le premier connecteur est un connecteur M8 femelle pour Ethernet, et le deuxième est un connecteur circulaire M8 mâle pour l'alimentation CC (12 volts CC [VCC] à 30 VCC) et fournit deux canaux E/S numériques (Figure 4).

Figure 4 : L'unité de capteur série ZMX fournit des voyants LED conviviaux et une interconnexion simple via deux connecteurs circulaires M8. (Source de l'image : Banner Engineering)

Même si les connexions électriques sont suffisamment simples, l'un des défis quant aux capteurs de position et de zone réside dans le fait de les configurer de manière à ce qu'ils voient ce qu'ils doivent voir, ni plus ni moins.

Heureusement, la série ZMX rend cette configuration relativement facile. Le logiciel de configuration 3D de Banner affiche les informations nécessaires pour définir et affiner les paramètres du capteur, ainsi que tous les paramètres E/S et de connectivité (Figure 5).

Figure 5 : Le progiciel de configuration 3D visuel et puissant de Banner simplifie l'installation et la configuration de la série ZMX. (Source de l'image : Banner Engineering)

Ce logiciel divise l'espace de travail en plusieurs panneaux :

1. Les paramètres du panneau Image incluent le zoom, les coordonnées x, y et z, la couleur de l'image et la sélection de la vue.

2. Le panneau Image affiche l'image actuellement capturée par le capteur. Il permet également de présenter un fichier précédemment enregistré pour une visualisation sans connexion au capteur, d'enregistrer un fichier image et de déclencher manuellement le capteur lorsque le mode Trigger est défini sur External ou Software.

3. Le panneau Connection permet d'établir une connexion avec le capteur.

4. Le panneau Sensor Controls permet de contrôler le mode de déclencheur et la sortie d'éclairage.

5. Le panneau de niveau de remplissage Fill Level inclut des options pour la région d'intérêt et les commandes du capteur, ainsi que des données en direct concernant le remplissage et la hauteur du pic.

6. Le panneau Communications permet de définir le protocole de communication et l'option DHCP.

7. Le panneau de maintenance du capteur Sensor Maintenance inclut des informations concernant le capteur et des options pour mettre à jour le micrologiciel, restaurer les paramètres par défaut ou les paramètres précédents, et sauvegarder les paramètres actuels du capteur.

Conclusion

Il est souvent difficile de détecter, mesurer et surveiller de manière régulière et précise des objets dans une zone en trois dimensions pour détecter la hauteur du pic et les niveaux moyens de remplissage dans des conditions de production réelles. Le capteur ToF 3D série ZMX de Banner Engineering utilise les dernières innovations liées aux algorithmes logiciels et à la technologie matérielle de temps de vol basée sur l'optique pour régler les problèmes et fournir beaucoup plus facilement des résultats fiables et cohérents. Il est soutenu par un outil de configuration graphique qui simplifie considérablement l'installation, la configuration et l'utilisation.

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1. Capteur de temps de vol 3D série ZMX

https://www.bannerengineering.com/us/en/company/new-products/zmx-series.html#/

2. Guide de démarrage rapide pour le capteur de temps de vol 3D série ZMX

https://info.bannerengineering.com/cs/groups/public/documents/literature/229164.pdf

3. Manuel d'instructions du capteur de temps de vol 3D série ZMX

https://info.bannerengineering.com/cs/groups/public/documents/literature/230551.pdf

4. Éliminer les fausses alarmes de bourrage de convoyeur pour augmenter la productivité de l'automatisation industrielle

https://www.digikey.fr/fr/articles/eliminate-conveyor-jam-false-alarms-to-boost-factory-automation-productivity