שיפור הבטיחות והפרודוקטיביות במפעלים על ידי הוספת ראיית מכונה למערכות תעשייתיות

מתכנני מכונות באוטומציה תעשייתית נדרשים לממש צורה כלשהי של ראיית מכונה כדי לקבוע את המרחק מכל האובייקטים בשדה ראייה ספציפי. הסיבות למימוש מסוג זה של ראיית מכונה עבור הערכת מרחק הן שונות, כולל חישה בסביבה הכללית של שינויים או חדירות, הערכת מרחק מאובייקטים בפס ייצור, או הגנה כוללת על מפעיל או רובוט מפני סכנות. רכבים פנימיים במחסנים תעשייתיים מממשים ראיית מכונה עבור נהיגה אוטומטית, מיקום וזיהוי אובייקטים, וגילוי והימנעות ממכשולים.

השיטה הנפוצה ביותר לראיית מכונה לגילוי מרחק מאובייקטים בשימושי פנים היא גילוי והערכת מרחק על ידי אור (LiDAR), המשתמשת באור לייזר למדידת המרחק בין אובייקטים. ה- LiDAR מודד את זמן ההחזרה ואת אורך הגל של אור הלייזר המוחזר כדי לקבוע את המרחק מכל נקודה. עם זאת, אלגוריתמי ראיית מכונה של LiDAR הם מורכבים ביותר ויש להם עקומת למידה תלולה, המחייבים מומחים בראיית מכונה כדי לתכנת את קוד היישום.

מאמר זה יציג למפתחים כיצד להשתמש במצלמת LiDAR מוגמרת מבית Intel עבור יישומים אלו כדי לגלות את המרחק מאובייקטים בשדה הראייה. המצלמה פותרת את הבעיה של הוספת ראיית מכונה במהירות למערכות חדשות או קיימות מבלי ללמוד את המורכבות של טכנולוגיית ראיית מכונה והאלגוריתמים שלה. לאחר מכן המאמר יציג כיצד לחבר את מצלמת LiDAR מבית Intel למחשב לוח יחיד (SBC) מבית UDOO באמצעות חיבור USB 3.1 במהירות גבוהה.

ראיית מכונה בסביבות אוטומציה תעשייתית בשימושי פנים

אוטומציה תעשייתית בסביבות של שימושי פנים הופכת ליותר ויותר דינמית עם יותר ציוד הנוסף לרצפת הייצור, כמו גם מפעילים וחומרים נוספים. כל המכונות, החיישנים ורמות אוטומציה משופרות נועדו להגדיל את היעילות תוך אבטחת בטיחות המפעילים.

במקרים רבים החיישנים הנוספים נועדו לזהות אובייקטים, כולל אנשים, באזור היעד. אובייקטים בקו ייצור ניתן לזהות בדרכים רבות, כולל חיישן אור בסיסי המגלה שינוי באור הסביבה עקב אובייקט חולף, מתג מכני הנלחץ עקב משקל האובייקט או אלומת אור על פני פס ייצור הנקטעת כאשר מוצר עובר על פניה. בעוד ששיטות אלו מתאימות לגילוי בסיסי של אובייקטים, תחכום משופר באוטומציה דורש גילוי ויזואלי מורכב יותר הדומה לעין האנושית.

ראיית מכונה מקבילה בערך להוספת יכולת ראייה למכונות כדי לזהות צבעים שונים, להבדיל בין אובייקט אחד למשנהו ולזהות מספר תנועות. עם זאת, סוג נפוץ ופרקטי במיוחד של ראיית מכונה הוא לזהות את המרחק של כל האובייקטים בשדה הראייה.

ישנן שתי שיטות נפוצות לביצוע גילוי מרחק עבור מספר אובייקטים. הראשון הוא ראדאר (מכ"ם), כאשר עבור סביבות פנים קיים חשש מיידי לסכנה למפעילים אנושיים עקב חשיפה קבועה לאותות בתדר גבוה. בסביבות חוץ, תדרי ראדאר מוחזרים מאובייקטים לפני שהם מתפזרים בצורה לא-מזיקה בתוך הסביבה המקיפה אותם. בשימושי פנים, גלי הראדאר מוחזרים שוב ושוב ממספר אובייקטים וכתוצאה מכך נגרמות הפרעות אלקטרו-מגנטיות (EMI) ברמות חזקות. לחשיפה ממושכת יכולות להיות השפעות בריאותיות ארוכות טווח על המפעילים האנושיים.

השיטה הנפוצה השנייה לביצוע גילוי מרחק של מספר אובייקטים בשדה הראייה היא הערכת מרחק על-ידי אור לייזר, הנקראת גם LiDAR. קרן אור לייזר אחת או יותר מכוונות לעבר האובייקטים שאת מרחקיהם רוצים למדוד. הזמן שלוקח לקרן הלייזר לחזור חזרה לקולטן שבנקודת המוצא שלה, ביחד עם כל היסטי הפאזה של הקרן, מושווה לעומת הזמן והפאזה של קרן הלייזר הנפלטת. אלגוריתם מחשב את המרחק לאובייקטים על סמך הפרשי הזמן והפאזה וממיר אותם לסנטימטרים או לאינצ'ים.

חישוב הפרשי הזמן והפאזה עבור קרן לייזר יחידה לגילוי אובייקט הוא פשוט למדי. עם זאת, יישום מורכב יותר של ראיית מכונה יכלול חישוב המרחק של עשרות אובייקטים בשדה הראייה. השילוב של חישובים אלו ליצירת מפה ויזואלית של המרחקים אינו טריוויאלי ויכול לקחת זמן פיתוח ארוך.

ראיית מכונה עם גילוי מרחק

פיתרון מעשי ליישום ראיית מכונה שניתן לממש במהירות היא מצלמת עומק LiDAR‏ L515‏ ברזולוציה גבוהה 82638L515G1PRQ‏ RealSense‏ מבית Intel (איור 1). המצלמה היא בקוטר 61 מילימטר (מ"מ) ועומק 26 מ"מ, והיא מכילה יחידת עומק תמונה LiDAR, מצלמת אדום-ירוק-כחול (RGB) ויחידת מדידה אינרציאלית (IMU). מצלמת LiDAR יכולה להחזיר Bitmap‏ תמונה של 768‏ x‏ 1024‏ או 1080‏ x‏ 1920‏ כאשר כל פיקסל מייצג את המרחק של אותה נקודה מהמצלמה.

איור 1‏: מצלמת LiDAR‏ עצמאית ברזולוציה גבוהה L515‏ RealSense‏ מבית Intel שיש לה גם מצלמת RGB‏ ו- IMU. היא מתחברת בקלות למחשב תומך באמצעות USB 3.1. (מקור התמונה: Intel)

מצלמת LiDAR‏ L515‏ מבית Intel‏ מחזירה תמונת Bitmap‏ של השטח בשדה הראייה שלה. עם זאת, במקום להחזיר תמונה פוטוגרפית טיפוסית של האזור, מצלמת LiDAR מחזירה תמונה שבה ערך ה- RGB של כל פיקסל מייצג את המרחק של כל פיקסל ממצלמת L515 מבית Intel. למצלמה יש רזולוציה של מ- 0.25 מטר עד 9 מטר. היא גם כוללת מצלמת RGB רגילה של 2 מגה-פיקסל (MP) שהיא שימושית במהלך הפיתוח. היא מומלצת במצבי תאורת פנים מכיוון שהיא לא תוכננה לפעול במקום בו יש הרבה אור שמש.

תמונה לדוגמה מה- Intel L515 מוצגת באיור 2. תמונת המצלמה מרוכזת על הצמח בחזית ומחולקת לשני חלקים. בצד שמאל מוצגת תמונת מצלמת RGB רגילה של הצמח והרקע בצבעים טבעיים. הצד הימני הוא ייצוג ויזואלי של המרחק של כל אובייקט נמצא מהמצלמה. הצמח בחזית מוצג בגוונים של כחול, ואילו הקיר ברקע מוצג בכתום בהיר. מימין, הקיר רחוק יותר ממרכז המצלמה, כך שהתמונה הופכת לגוונים עמוקים יותר של אדום.

איור 2: מצלמת LiDAR‏ L515 מבית Intel מחזירה גם תמונת RGB (משמאל) וגם תמונת Bitmap‏ (מימין) המייצגת את מרחק האובייקט מהמצלמה. האזור הקרוב יותר למצלמה מוצג בכחול, ואילו רחוק יותר מוצג באדום עמוק. (מקור התמונה: Intel)

התוכנה יכולה לעבד את נתוני תמונה אלו כדי לקבוע את המרחק בין האובייקטים לבין המצלמה.

עם הגודל הקומפקטי ורמת האינטגרציה הגבוהה שלה, מצלמת LiDAR‏ L515 מבית Intel מתאימה עבור יישומי אוטומציה תעשייתית בשימושי פנים שבהם צריך לממש במהירות חישת עומק בראיית מכונה בתוך מערכות חדשות או קיימות. עבור מערכות ניידות, ה- Intel L515 כוללת IMU היכול לחוש תאוצה של g‏4‏± וג'ירוסקופ היכול לחוש סיבובים של עד 1,000‏± בשנייה (s‏/°‏). זה מתאים עבור מרבית רכבי פנים או רובוטים המשמשים במתקני אוטומציה תעשייתית. יש להיזהר במהלך תכנות קוד הקושחה של ה- IMU כרכב או כרובוט הפוגע במכשול ועלול לרגע לראות יותר מ- s‏g‏4, חריג שיש להתחשב בו.

ראיית מכונה היא מערכת שלמה

מצלמת L515‏ מבית Intel ניתנת לחיבור למחשב אישי (PC) או למחשב לוח יחיד (SBC‏) באמצעות ממשק USB 3.1‏ במהירות גבוהה. לבית המצלמה יש מחבר ®USB Type-C, כך שניתן להשתמש בכבלים סטנדרטיים עם מחברי Type C כדי להקל על החיבור. מכיוון שעיבוד תמונה של ראיית מכונה יכול להיות אינטנסיבי למעבד, מומלץ שהביצועים יהיו חזקים כך שניתן יהיה לעבד מערכים של נתוני תמונה בזמן-אמת במידת הצורך. ה- Bolt V8‏ KTMX-UDOOBL-V8G.00‏ מבית UDOO‏ הוא מחשב SBC‏ עם ביצועים עיליים עם מעבד ארבע-ליבות הפועל ב- 2.0 גיגה-הרץ (GHz‏) (עם Boost‏ GHz‏ 3.6‏) ונתמך על ידי זיכרון DRAM‏ של 32 גיגה-בייט (GBytes‏). עבור זיכרון התוכנית הוא יכול להשתמש בכונן מצב מוצק (SSD‏) M2 והוא תומך גם בממשק כונן קשיח סטנדרטי SATA-3.

איור 3‏: מחשב SBC‏ רב-עוצמה Bolt V8‏ מבית UDOO‏ עם מעבד ארבע-ליבות הפועל עד GHz‏ 3.6‏. הוא תומך בממשקי כונן חיצוניים M.2 ו- SATA-3, יש לו מקום לעד GBytes‏ 32‏ של DRAM, ויש לו מחבר USB 3.1 Type C עבור חיבור למצלמת LiDAR‏ L515‏ RealSense‏ מבית Intel. (מקור התמונה: UDOO)

ל- Bolt V8 מבית UDOO‏ יש שני ממשקי וידאו HDMI 1.4‏ עבור חיבור לצגים. עבור חיבור לרשתות המפעל ניתן להשתמש בממשק Gigabit Ethernet חוטי באמצעות מחבר RJ-45 שעל-הלוח. ממשקי Wi-Fi ו- Bluetooth נתמכים גם כן. אודיו סטריאו נתמך באמצעות תקע סטנדרטי 3.5 מ"מ . ה- SBC יריץ כל מערכת הפעלה תואמת x86‏ bit‏-64 כולל Microsoft Windows וכל גרסה מופצת של Linux‏ Bit‏-64‏. מחשב SBC‏ רב-עוצמה זה דורש הספקת-כוח של 19 וולט, 65 וואט לתמיכה בביצועים של עד GHz‏ 2‏.

עבור אלגוריתמים לנתוני ראיית מכונה, ל- UDOO Bolt V8 יש כוח עיבוד רב. הוא יכול לקחת נתונים מה- RealSense L515‏ מבית Intel דרך ממשק USB 3.1 Type C במהירות גבוהה, ובמידת הצורך יכול להציג את התמונה על צג המחובר לאחד משני ממשקי HDMI. התרעות או אזהרות קוליות ניתן להשמיע באמצעות רמקולים המחוברים לאחד משני תקעי יציאת אודיו.

סיכום

ראיית מכונה עם חישת עומק הוא תחום המתרחב במהירות והיכול לדרוש קוד וחומרה מורכבים אם היא נבנית מאפס. שילוב מערכת ראיית מכונה באמצעות פתרונות מוגמרים המבצעים את חישובי העומק בקושחה שתוכנתה-מראש חוסך זמן וכסף, כשהתוצאה היא מערכת ראיית מכונה עם ביצועים עיליים הניתנת להפעלה בסביבת אוטומציה תעשייתית במהירות ובאמינות.