利用TI DLP技术驱动结构光系统实现箱拣精度

在工业环境中，每天需要处理不同形状、尺寸、材料和光学特性（如反射比、吸收等）的零件。这些零件必须以特定的方向挑选和放置，然后进行加工。将这些零件随机从存放的环境（容器或其他）中自动挑选并放置的活动通常被称为箱拣。但这对机器人末端执行器（一种连接到机械臂末端的设备）提出了挑战，它需要准确地知道要抓取物体的3D位置、尺寸及其想方向。为了做到在箱子外壁和箱内其他物体周围准确导航，机器人的机器视觉系统除了需要获取2D相机信息外，还需要获取深度信息。

对于箱拣来说，捕获物体3D影像的难题可以由结构光技术解决。基于结构光技术的3D扫描仪/相机通过将一系列图案投射到被扫描的物体上而工作，并且用相机或传感器来捕获图案失真。然后三角剖分算法计算数据并输出3D点云。图像处理软件（如MVTech开发的Halcon）计算物体位置和机械臂的最佳进场路线。

DLP技术通过安装在半导体芯片顶部的微镜矩阵（也称为数字微镜器件，DMD）提供高速图案投射能力，如图2所示。DMD上的每个像素表示投影图像中的一个像素，并允许像素精确图像投影。微镜在~ 3us时可以转换，以通过投影透镜将入射光反射到物体上或光块上。前者可以在投影场景中获得明亮像素，而后者可以创建暗像素。DLP技术也具备独特的优势，能够使用各种光源（如灯、LED和激光）在宽波长范围(420 nm – 2500 nm)内投射图案。

用于箱拣的由DLP技术驱动的结构光具备多种优势：

抗环境光照能力强。工厂的光照条件，如低曝光和不同照明区域之间的高对比度，导致传感器曝光不足或会对机器视觉系统产生干扰的闪光灯，对需要机器视觉的应用（如箱拣）来说是一大挑战。由DLP技术驱动的结构光本身具有主动照明，这使得它能够抵抗这些条件。

无活动部件。结构光系统可以立即捕获整个场景，不再需要将光束扫过物体或通过光束移动物体（如在扫描解决方案中）。结构光系统保护在宏观尺度内不使用活动部件，这使其能够免受机械磨损。

实时3D图像采集。DLP芯片中的微镜以高速度控制，可提供高达32kHz的自定义图案投影。除此之外，DLP控制器提供触发输出和输入，可用于使相机和其他设备与投影图案序列保持同步。这些功能有助于实现允许同时扫描和挑选的实时3D图像采集。

投影图案的高对比度和高分辨率。由于每块微镜可以将光反射到目标或吸收表面上，因而可以获得高对比度，使得能够在不受物体表面属性影响情况下进行准确的点检测。再加上使用具有2560 x 1600块镜子的高分辨率DLP芯片，可以探测到微米级的物体。

适用于物体参数。与使用衍射光学元件的系统相比，可编程图案和各种点编码方案（如相移或格雷编码）使结构光系统更适合对象参数。

加快开发时间。尽管机器人提供较高的重复性，但在非结构化环境中，箱拣需要精确性。因为在这种环境下，每次从储存箱中取出一个物体时，所拣选的物体的位置和方向都会发生变化。成功应对这一挑战需要可靠的工艺流程——从机器视觉到计算软件，再到机器人的灵巧性和抓取器。使所有东西协同工作可能是一项耗费大量开发时间的挑战。

TI的DLP技术评估模块能够将结构光快速植入机器视觉工作流程。为了演示这种能力，工厂自动化与控制系统工程师以一定的距离和角度将DLP LightCrafter 4500评估板安装至单色相机。DLP评估板由相机通过一根互相连接的触发电缆触发。

然而，每个子系列都具有独特的性能优势。例如，如果您为了感测电机电流，最初在具有输出摆幅至 GND 电路的单电源、低侧、单向电流检测解决方案中使用TLV9002，但后来，为了处理更大的电机瞬变电流，确定需要更高的增益和更快的压摆率，那么您可以轻松切换到更高带宽、引脚对引脚兼容的TLV9052，无需再重新进行设计。这是可以实现的，因为每个子系列都有相同的16个封装选项，涵盖单通道、双通道、四通道三种通道配置。

封装的灵活性

图2详细显示了各种封装选择。“行业标准”(Industrial Standard)一列确定了该封装是否行业通用，可从别的供应商处获得，以作为第二供货选项。“可关断”(Shutdown)一列显示了具有可关断功能的封装，能帮助工程师进一步降低系统功耗。

虽然表格中大多数的小封装选项都是四方扁平无引线（QFN）封装，但我们想重点介绍一下SOT23-THIN这种有引线的小封装类型。双通道、小外形晶体管（SOT）-23-薄封装(SOT23-THIN)和大家熟悉的单通道SOT-23的封装体类似，但它有8个引脚，而不是传统的5或6个引脚。相对于那些尺寸更大的引线封装，如小外形集成电路(SOIC)、薄小外形封装(TSSOP)和极薄小外形封装(VSSOP)，SOT23-THIN具有引脚外置、同时尺寸更小的优点，是一种更好的封装选择。如要在同一块PCB版上实现SOT23-THIN和传统的引线封装的兼容设计，也可以采用双布局技术。如要了解更多详情，请阅读模拟设计期刊文章，“小封装运放的第二封装兼容设计”。当然，如果您想最大限度地节省PCB尺寸，我们建议采用QFN封装选项。

图2：放大器系列封装选项

尺寸的突破

这三种放大器子系列采用业界最小的单通道和四通道封装。相比市场上现有的同类小尺寸器件，TI的单通道0.8mm x 0.8mm超小型无引线(X2SON)封装的尺寸还要小13%，四通道2.0mm x 2.0mm超小型QFN（X2QFN）封装的尺寸还要小7%。这些封装加上双通道1.0mm x 1.5mm X2QFN封装，能为工程师提供更多的封装选择，从而进一步减少PCB面积。图3的右侧向您展示了这3种最小封装。

由于超小型QFN封装的脚间距较小，工厂的生产工艺水平可能会限制该封装的应用，为应对这一挑战，TI还可以提供不同脚间距的多种小型封装选项。应用手册“采用TI X2SON封装进行设计和制造”提供了这些封装的布局和走线指南。

总结

有人说选择太多会导致无从下手。但我们相信，不管是在德克萨斯州决定吃什么烧烤，还是研发工程师选择放大器，选择当然是越多越好。在您下次进行产品设计时，欢迎选择TI TLV90xx系列运放产品：有三款不同性能的产品可供选择；16个不同的封装选项；当您需要节省PCB尺寸时，我们还提供业界最小的单通道和四通道封装选择。

审核编辑：郭婷