Occhi ben aperti: il potere della visione artificiale nell'automazione industriale / Eyes wide open: The power of machine vision in industrial automation
Occhi ben aperti: il potere della visione artificiale nell'automazione industriale. Il procedimento del brevetto ENEA RM2012A000637 è molto utile in questo tipo di applicazione. / Eyes wide open: The power of machine vision in industrial automation. The procedure of the ENEA patent RM2012A000637 is very useful in this type of application.
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
La visione artificiale, ovvero la capacità delle macchine di interpretare e reagire agli input visivi, è una tecnologia fondamentale in un'ampia gamma di settori, tra cui l'automazione e la produzione industriale, la logistica e l'immagazzinamento, l'automotive ed i trasporti, la sicurezza e la sorveglianza, l'agricoltura e molti altri.
Si consideri, ad esempio, l'automazione dei magazzini. Secondo la società di ricerche di mercato Markets.us, si prevede che questo mercato crescerà da 21 miliardi di dollari nel 2023 a 91 miliardi di dollari entro il 2033, con un robusto tasso di crescita annuo composto (CAGR) del 15,9% dal 2024 al 2033. Questa impennata è guidata dalla necessità di evadere gli ordini più rapidamente, dall'aumento dei costi del lavoro e dalle crescenti aspettative dei clienti in termini di velocità e precisione, tutti fattori che spingono le aziende a semplificare le proprie operazioni utilizzando tecnologie di automazione avanzate.
Allo stesso tempo, la domanda più ampia di sistemi industriali e robotici autonomi con precisione millimetrica sta accelerando. Con il continuo calo della popolazione globale in età lavorativa, settori come l'immagazzinamento, la produzione, l'edilizia e l'agricoltura si stanno rivolgendo all'automazione intelligente per colmare le lacune di manodopera e sostenere la produttività. La visione artificiale è al centro di questa trasformazione, consentendo ai robot di svolgere compiti che richiedono eccezionale destrezza, acuità visiva e capacità decisionale in tempo reale.
Raggiungere il livello richiesto di precisione ad alta velocità in ambienti industriali è tutt'altro che banale. Le macchine devono prendere decisioni in frazioni di secondo operando in condizioni spesso dinamiche, caotiche e scarsamente illuminate. Si considerino, ad esempio, le sfide associate alle seguenti attività:
Dimensionamento accurato di scatole che si muovono ad alta velocità su nastri trasportatori per la selezione e la spedizione automatizzate.
Misurazione del volume di carichi sfusi su nastri trasportatori o all'interno di camion e vagoni ferroviari per la logistica e la gestione dell'inventario.
Manipolazione di oggetti di grandi dimensioni, come i pallet, in cui i sistemi montati su bracci robotici devono acquisire dimensioni 3D complete senza perdere precisione.
Scansionare superfici come strade, rotaie o piste di atterraggio per rilevare usura, crepe o detriti prima che diventino problemi di sicurezza.
Monitoraggio dei nastri trasportatori nelle attività minerarie, dove polvere, oscurità e vibrazioni rendono i sistemi ottici inaffidabili.
Per soddisfare queste esigenze, sono necessari sistemi di visione in grado di fare molto di più che semplicemente catturare immagini. Devono fornire una percezione precisa della profondità, gestire condizioni di illuminazione variabili e funzionare in modo affidabile in ambienti difficili o imprevedibili. Devono andare oltre la memorizzazione di immagini statiche per l'interpretazione umana e fornire invece una visione sotto forma di percezione ricca e di alta qualità basata sui dati, di cui le macchine hanno bisogno per diventare veramente autonome. Per raggiungere questo obiettivo, gli ingegneri possono utilizzare una gamma di tecnologie di visione artificiale, ciascuna con i suoi punti di forza e limiti specifici, dalle telecamere tradizionali ai sistemi lidar avanzati.
Fotocamere e sistemi ottici
Le telecamere sono ampiamente utilizzate nelle applicazioni di visione artificiale perché catturano immagini 2D ad alta risoluzione e, con tecniche come la visione stereoscopica o la proiezione di luce strutturata, possono dedurre la profondità. Questi approcci sono adatti per attività come l'ispezione superficiale, la lettura di codici a barre o etichette e l'analisi del colore.
Tuttavia, i sistemi ottici presentano importanti limitazioni. Le loro prestazioni dipendono fortemente dall'illuminazione controllata, offrono in genere una profondità di campo limitata e possono essere complessi da calibrare e manutenere. Anche piccole variazioni delle condizioni ambientali possono compromettere la precisione, rendendo le telecamere meno adatte ad ambienti industriali ad alta velocità, su larga scala o difficili, dove è richiesto un rilevamento della profondità affidabile.
Sistemi Lidar
I sistemi Lidar sono disponibili in tre tipologie principali:
dToF (Direct Time-of-Flight), che misura il tempo impiegato dagli impulsi di luce trasmessi per tornare indietro.
iToF (tempo di volo indiretto), in cui viene misurato lo sfasamento tra le forme d'onda modulate in ampiezza trasmesse e ricevute.
FMCW (Frequency-Modulated Continuous-Wave), una nuova generazione di sensori ottici coerenti in grado di misurare sia la distanza che la velocità.
Nell'automazione industriale, i lidar ToF sono ampiamente utilizzati per il rilevamento di profondità di base. Un sistema dToF a scansione lineare, ad esempio, può essere montato su un nastro trasportatore per emettere impulsi luminosi e misurarne il tempo di andata e ritorno, creando una nuvola di punti 3D degli oggetti in transito. I sistemi iToF funzionano in modo diverso: emettono un fascio continuo modulato in ampiezza e misurano lo sfasamento tra i segnali trasmessi e riflessi.
Entrambe le opzioni ToF presentano sfide simili. Le loro prestazioni possono essere compromesse in condizioni ambientali luminose, dove i laser rossi o blu/viola tendono a "sbiadirsi". Le considerazioni sulla sicurezza degli occhi limitano ulteriormente i livelli di potenza utilizzabili, richiedendo spesso il funzionamento a uscite laser di Classe 2 con misure di protezione aggiuntive. La sensibilità raggiunta dai sistemi ToF non è adeguata a catturare molti casi limite nell'automazione industriale che coinvolgono oggetti "difficili da vedere" come contenitori di plastica trasparente. Di conseguenza, sebbene questi sistemi siano convenienti e adatti ad ambienti a corto raggio o controllati, possono avere difficoltà a fornire la precisione, la robustezza e le prestazioni di telemetria richieste nelle moderne applicazioni industriali.
Sistemi lidar FMCW
Sebbene i sistemi lidar ToF siano efficaci per molte applicazioni a corto raggio e sensibili ai costi, sono limitati da una precisione limitata, una ridotta robustezza in ambienti luminosi e rigide restrizioni di sicurezza laser che ne limitano l'utilizzo. Questi compromessi ne rendono difficile l'adattamento alle applicazioni di automazione industriale più impegnative, dove portata più lunga, alta risoluzione e prestazioni affidabili in tutte le condizioni sono requisiti essenziali.
È qui che il lidar FMCW eccelle. A differenza del ToF, il FMCW emette un raggio laser continuo con una frequenza che varia nel tempo. Analizzando il tono di battimento generato dalla miscelazione di una porzione della luce trasmessa con quella riflessa, i sistemi FMCW possono misurare simultaneamente distanza e velocità con una precisione eccezionale. Questo approccio coerente non solo garantisce una precisione submillimetrica, o centinaia di micron, su un'ampia gamma di distanze, ma rende anche il FMCW intrinsecamente resistente alle interferenze della luce ambientale o di altri sistemi lidar.
La maggior parte dei sistemi lidar FMCW utilizza laser a 1550 nm, una lunghezza d'onda al di fuori dell'intervallo di sensibilità della retina umana. Ciò consente una potenza di uscita significativamente più elevata, pur mantenendo i requisiti di sicurezza oculare di Classe 1, rendendo questi sistemi ideali per applicazioni di misurazione a lungo raggio, ad alta risoluzione e di precisione.
Ad esempio, sono disponibili lidar FMCW in grado di supportare una precisione millimetrica per distanze comprese tra 10 centimetri e 10 metri, senza "finestra" e con velocità di scansione elevate (600 linee al secondo) e alta risoluzione (oltre 1.300 punti per linea). Il lidar FMCW, che funziona secondo il principio del rilevamento coerente, offre una sensibilità estremamente elevata, rendendo possibile "vedere" oggetti difficili da visualizzare, come le bottiglie d'acqua trasparenti.
Nuova era della visione artificiale
I recenti progressi nella fotonica del silicio e nel lidar FMCW integrato nei chip stanno rimodellando l'automazione industriale, consentendo una nuova generazione di macchine intelligenti dotate di visione artificiale, in grado di operare con velocità, precisione e affidabilità senza precedenti in ambienti dinamici e non strutturati.
FMCW offre la combinazione di lunga portata, precisione millimetrica, immunità alla luce ambientale e rilevamento di velocità/polarizzazione: capacità che stanno diventando mission-critical per i settori ad alta produttività. FMCW è un componente essenziale per abilitare l'intelligenza artificiale fisica, in cui le macchine possono percepire, comprendere e interagire con il mondo reale, collegando il dominio digitale a quello fisico.
Con l'accelerazione della domanda globale di efficienza, sicurezza e scalabilità, il lidar FMCW sta emergendo non solo come un miglioramento incrementale, ma come la tecnologia determinante della visione artificiale di prossima generazione.
ENGLISH
Machine vision — or the ability of machines to interpret and act on visual input — is a core technology across a wide range of industries, including industrial automation and manufacturing, logistics and warehousing, automotive and transportation, security and surveillance, agriculture and more.
Consider warehouse automation, for example. According to market research firm Markets.us, this market is projected to grow from $21 billion in 2023 to $91 billion by 2033 with a robust compound annual growth rate (CAGR) of 15.9% from 2024 to 2033. This surge is driven by the need for faster order fulfillment, rising labor costs and increasing customer expectations for speed and accuracy, all of which are prompting companies to streamline their operations using advanced automation technologies.
At the same time, the broader demand for autonomous industrial and robotic systems with millimeter precision is accelerating. As the global working-age population continues to decline, sectors such as warehousing, manufacturing, construction and agriculture are turning to intelligent automation to fill labor gaps and sustain throughput. Machine vision is at the core of this transformation, enabling robots to perform tasks that require exceptional dexterity, visual acuity and real-time decision-making.
Achieving the required level of high-speed precision in industrial environments is far from trivial. Machines must make split-second decisions while operating in conditions that are often dynamic, cluttered and poorly lit. Consider the challenges associated with the following tasks, for example:
Accurately dimensioning boxes moving at high speed on conveyor belts for automated sorting and shipment.
Measuring the volume of bulk loads on conveyor belts or inside trucks and train cars for logistics and inventory management.
Handling large items such as pallets, where systems mounted on robotic arms must capture full 3D dimensions without losing accuracy.
Scanning surfaces like roads, rails or runways to detect wear, cracks or debris before they become safety issues.
Monitoring conveyor belts in mining operations, where dust, darkness and vibration make optical systems unreliable.
Meeting these demands requires vision systems that can do far more than simply capture images. They must deliver precise depth perception, handle variable lighting conditions and perform reliably in harsh or unpredictable environments. They must move beyond storing stationary images for human interpretation and instead provide vision in the form of rich, high-quality data-driven perception that machines require to become truly autonomous. To achieve this, engineers can utilize a range of machine vision technologies, each with its unique strengths and limitations, from traditional cameras to advanced lidar systems.
Cameras and optical systems
Cameras are widely used in machine vision applications because they capture high-resolution 2D images, and with techniques such as stereoscopic vision or structured light projection, they can infer depth. These approaches are well-suited for tasks such as surface inspection, reading barcodes or labels, and color analysis.
However, optical systems have important limitations. Their performance depends heavily on controlled lighting, they typically offer only limited depth of field, and they can be complex to calibrate and maintain. Even small shifts in ambient conditions can degrade accuracy, making cameras less suitable for high-speed, large-scale or harsh industrial environments where robust depth sensing is required.
Lidar systems
Lidar systems come in three main flavors:
dToF (Direct Time-of-Flight), which measures the time it takes for pulses of transmitted light to return.
iToF (Indirect Time-of-Flight), where phase shift is measured between the transmitted and received amplitude-modulated waveforms.
FMCW (Frequency-Modulated Continuous-Wave), a new generation of coherent optical sensors capable of measuring both distance and velocity.
In industrial automation, ToF lidars are widely used for basic depth sensing. A line-scanning dToF system, for example, can be mounted over a conveyor belt to emit light pulses and measure their round-trip travel time, building a 3D point cloud of passing objects. iToF systems work differently: they emit a continuous, amplitude-modulated beam and measure the phase shift between transmitted and reflected signals.
Both ToF options face similar challenges. Their performance can be degraded in bright ambient conditions, where their red or blue/violet lasers are prone to “washout.” Eye safety considerations further limit usable power levels, often requiring operation at Class 2 laser outputs with added protective measures. The sensitivity achieved by the ToF systems is simply not adequate to capture many corner cases in industrial automation involving “hard to see” objects like transparent plastic cases. As a result, while these systems are cost-effective and well-suited for short-range or controlled environments, they can struggle to deliver the accuracy, robustness and ranging performance demanded in modern industrial applications.
FMCW lidar systems
While ToF lidar systems are effective for many short-range and cost-sensitive applications, they are constrained by limited accuracy, reduced robustness in bright environments and strict laser safety restrictions that cap their usable power. These trade-offs make it difficult for them to scale into the most demanding industrial automation tasks, where longer range, high-resolution and reliable performance under all conditions are essential requirements.
This is where FMCW lidar excels. Unlike ToF, FMCW emits a continuous laser beam with a frequency that varies over time. By analyzing the beat tone generated by mixing a portion of the transmit light with the reflected light, FMCW systems can simultaneously measure both distance and velocity with exceptional precision. This coherent approach not only delivers sub-millimeter-level, or 100s of microns, accuracy across a wide range of distances but also makes FMCW inherently resistant to interference from ambient light or other lidar systems.
Most FMCW lidar systems utilize 1550 nm lasers, a wavelength outside the range of human retinal sensitivity. This enables significantly higher output power while maintaining Class 1 eye safety requirements, making these systems ideal for long-range, high-resolution and precision measurement applications.
For example, FMCW lidars are available that can support millimeter-level precision for ranges as short as 10 centimeters and as long as 10 meters, without a “window,” and with fast scan rates (600 lines per second) and high resolution (greater than 1,300 points per line). FMCW lidar operating on the principle of coherent detection provides extremely high sensitivity, making it possible to “see” difficult-to-image objects, such as transparent water bottles.
Both ToF options face similar challenges. Their performance can be degraded in bright ambient conditions, where their red or blue/violet lasers are prone to “washout.” Eye safety considerations further limit usable power levels, often requiring operation at Class 2 laser outputs with added protective measures. The sensitivity achieved by the ToF systems is simply not adequate to capture many corner cases in industrial automation involving “hard to see” objects like transparent plastic cases. As a result, while these systems are cost-effective and well-suited for short-range or controlled environments, they can struggle to deliver the accuracy, robustness and ranging performance demanded in modern industrial applications.
FMCW lidar systems
While ToF lidar systems are effective for many short-range and cost-sensitive applications, they are constrained by limited accuracy, reduced robustness in bright environments and strict laser safety restrictions that cap their usable power. These trade-offs make it difficult for them to scale into the most demanding industrial automation tasks, where longer range, high-resolution and reliable performance under all conditions are essential requirements.
This is where FMCW lidar excels. Unlike ToF, FMCW emits a continuous laser beam with a frequency that varies over time. By analyzing the beat tone generated by mixing a portion of the transmit light with the reflected light, FMCW systems can simultaneously measure both distance and velocity with exceptional precision. This coherent approach not only delivers sub-millimeter-level, or 100s of microns, accuracy across a wide range of distances but also makes FMCW inherently resistant to interference from ambient light or other lidar systems.
Most FMCW lidar systems utilize 1550 nm lasers, a wavelength outside the range of human retinal sensitivity. This enables significantly higher output power while maintaining Class 1 eye safety requirements, making these systems ideal for long-range, high-resolution and precision measurement applications.
For example, FMCW lidars are available that can support millimeter-level precision for ranges as short as 10 centimeters and as long as 10 meters, without a “window,” and with fast scan rates (600 lines per second) and high resolution (greater than 1,300 points per line). FMCW lidar operating on the principle of coherent detection provides extremely high sensitivity, making it possible to “see” difficult-to-image objects, such as transparent water bottles.
Da:
https://electronics360.globalspec.com/article/22827/eyes-wide-open-the-power-of-machine-vision-in-industrial-automation?uid=%2D1474234620&uh=f9d092&md=251223&mh=a519b6&Vol=Vol20Issue24&Pub=49&LinkId=2213607&keyword=link%5F2213607&itemid=412275&frmtrk=newsletter&cid=nl
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