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

電子設(shè)計 ? 來源:電子設(shè)計 ? 作者:電子設(shè)計 ? 2020-12-15 03:27 ? 次閱讀

伴隨邊緣計算、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)器人以及越來越多的協(xié)作機(jī)器人(人-機(jī)器人配合)將會具備快速學(xué)習(xí)和適應(yīng)環(huán)境的能力,一些能夠通過多種模式(如機(jī)器視覺、激光雷達(dá)、ToF測距等)實時繪制三維環(huán)境圖的自主機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人將變得越來越重要。

以機(jī)器視覺為例,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)運用機(jī)器視覺來輔助自動化光學(xué)檢查,以確保在組裝線上快速移動的部件符合定義的規(guī)范。未通過光學(xué)檢查的缺陷部件被打上標(biāo)記并自動地從組裝線移除,從而確保部件之間的一致性。而在這一類組裝線上作為視覺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)一個固定導(dǎo)通時間光脈沖,可變的關(guān)斷時間由組裝線的速度以及部件的間隔距離來限定。

機(jī)器視覺的閃光燈系統(tǒng)需要哪些特性?

筆者從ADI公司技術(shù)專家口中了解到:在這一過程中,紅外和激光LED閃光燈常用于近程和運動檢測機(jī)器視覺。安全系統(tǒng)發(fā)出高速、難以察覺的LED閃光燈來檢測運動,捕獲和存儲安全影像。但是,這些機(jī)器視覺的相機(jī)閃光燈系統(tǒng)都存在的一個挑戰(zhàn),即產(chǎn)生非常高的電流和短時間(微秒)LED相機(jī)閃光波形,這些波形可能散開在較長時間內(nèi),例如100 ms到1 s以上。

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

應(yīng)對機(jī)器視覺閃光燈挑戰(zhàn),關(guān)斷時間成重點

為了實現(xiàn)上述功能,據(jù)ADI專家介紹,ADI的高速LED驅(qū)動器LT3932可為高達(dá)2 A的LED串提供機(jī)器視覺相機(jī)閃光燈,關(guān)斷時間可以長達(dá)1秒、1小時、1天或更長時間,從而完美地解決這一問題。ADI專家表示,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),哪怕是在長關(guān)斷時間內(nèi)。對輸出和控制環(huán)路電容的狀態(tài)進(jìn)行采樣后,LT3932繼續(xù)在長關(guān)斷期間對這些元件進(jìn)行涓流充電,以補(bǔ)償通常都會有的漏電流,而這是其他LED驅(qū)動器沒有考慮到的。

ADI的LT3932專有閃光技術(shù)支持?jǐn)U展,驅(qū)動器可以并聯(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)動器所能達(dá)到的要求,即大多數(shù)高端LED驅(qū)動器設(shè)計用于在至少100 Hz的PWM頻率下提供PWM調(diào)光亮度控制。ADI專家稱,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,理論最大關(guān)斷時間約為10 ms。在10 ms關(guān)斷時間內(nèi),如果設(shè)計正確,LED驅(qū)動器會損失極少輸出電容電荷,使其在大約相同的狀態(tài)下啟動控制環(huán)路,從而結(jié)束最后一個PWM導(dǎo)通脈沖。電感電流和下一個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),并且啟動時間極短。較長關(guān)斷時間(頻率低于100 Hz時)可能會導(dǎo)致輸出電容因漏電而損失電荷,從而使LED重啟時無法快速響應(yīng)。

如何獲取更大電流驅(qū)動負(fù)載?不妨并聯(lián)一下

眾所周知,LED驅(qū)動器充當(dāng)電流源,調(diào)節(jié)通過發(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LED驅(qū)動器并聯(lián)起來,其電流匯總后通過負(fù)載。ADI專家稱,電流源不需要防范電流通過一個轉(zhuǎn)換器反向流動,也無需擔(dān)心輸出不匹配。實際上,電壓調(diào)節(jié)器本身并不擅長均流,如果它們都試圖將輸出電壓調(diào)節(jié)到某一點,并且其反饋網(wǎng)絡(luò)存在細(xì)微差異,則調(diào)節(jié)器可能會吸收反向電流。

LED驅(qū)動器會保持其輸出電流不變,無論其他驅(qū)動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)動器非常簡單。例如,使用ADI兩顆并聯(lián)的LED驅(qū)動器LT3932構(gòu)成的閃光燈系統(tǒng)能以3 A高效驅(qū)動4個LED,10μs短脈在機(jī)器視覺系統(tǒng)所定義的較長期間內(nèi)沖散開來。在PWM導(dǎo)通時間內(nèi),每個LT3932轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生總串電流的一半;在PWM關(guān)斷時間內(nèi),轉(zhuǎn)換器關(guān)閉并保存其輸出狀態(tài)。關(guān)斷時間可短可長,對閃光波形的重復(fù)性沒有影響。觀察波形我們可以看到,無論是10 ms PWM關(guān)斷時間(100 Hz)還是1 s PWM關(guān)斷時間(1 Hz),LED脈沖都很陡峭且快速,這對于機(jī)器視覺系統(tǒng)是非常理想的。

ADI專家指出,在長關(guān)斷期間,并聯(lián)相機(jī)閃光燈應(yīng)用幾乎與單個轉(zhuǎn)換器一樣簡單。轉(zhuǎn)換器觀察最后一個PWM導(dǎo)通脈沖結(jié)束時的共享輸出電壓,讓輸出電容充電至該狀態(tài)并保持。每個轉(zhuǎn)換器將其PWM MOSFET與共享負(fù)載斷開連接,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。這些電容在長關(guān)斷時間內(nèi)發(fā)生的任何泄漏都可以通過少量維持電流來補(bǔ)償。當(dāng)下一個PWM導(dǎo)通脈沖開始時,每個轉(zhuǎn)換器的PWM MOSFET導(dǎo)通,輸出電容以與最后一個脈沖大致相同的狀態(tài)啟動,無論是經(jīng)過了10 ms還是一整天。

本文小結(jié):

總結(jié)而言,機(jī)器視覺系統(tǒng)可以使用并聯(lián)LED驅(qū)動器來創(chuàng)建自動圖像處理所需的快速、方形、高電流波形。通過并聯(lián)轉(zhuǎn)換器,ADI 公司LED驅(qū)動器LT3932的專有相機(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)斷時間較長,也可以實現(xiàn)3 A和更高的微秒級脈沖。無論LED閃光之間的關(guān)斷時間有多長,LED相機(jī)閃光波形都能保持方形且無抖動。

值得強(qiáng)調(diào)的是,事實上并聯(lián)LED驅(qū)動器不限于兩個轉(zhuǎn)換器,三個或更多轉(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)動器轉(zhuǎn)換器共享相同的同步時鐘并保持同相。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,故而紋波電流不會反向流動或在不同轉(zhuǎn)換器之間流動。

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