作者：Rajesh Mahapatra，高級(jí)經(jīng)理   

          Anil Sripadarao，首席工程師   

          Prasanna Bhat，工程師   

          Colm Prendergast，高級(jí)首席工程師   

          Shane O'Meara，高級(jí)經(jīng)理   

          Dara O’Sullivan，總監(jiān)   

          Anders Frederiksen，首席專家   

          Sagar Walishetti，工程師

　　摘要

　　本文介紹實(shí)時(shí)安全氣泡探測的架構(gòu)，以及在開發(fā)模塊化解決方案、優(yōu)化高數(shù)據(jù)帶寬應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)每秒30幀（FPS）運(yùn)行、設(shè)計(jì)多線程應(yīng)用和算法以準(zhǔn)確探測靠近地面的物體等方面所面臨的挑戰(zhàn)。

　　簡介

　　機(jī)器人的普及程度越來越高，目前正在逐漸提高在各行各業(yè)的效率和生產(chǎn)力。然而，為了確保周邊人員和資產(chǎn)的安全，機(jī)器人必須配備碰撞檢測和停止功能。安全氣泡探測器可以探測指定安全區(qū)域內(nèi)是否存在物體或人員。

　　本文重點(diǎn)介紹如何使用ADI公司的EVAL-ADTF3175D-NXZ飛行時(shí)間（ToF）平臺(tái)實(shí)現(xiàn)安全氣泡探測器應(yīng)用。ADTF3175D模塊具有75°的視場（FoV）。如需在實(shí)際應(yīng)用中覆蓋更寬的視場，則可以組合使用多個(gè)傳感器。例如，為了覆蓋270°的視場，則需使用四個(gè)模塊。安全氣泡探測算法在EVAL-ADTF3175D-NXZ平臺(tái)的i.MX8MP處理器上運(yùn)行，可以捕獲來自傳感器的深度圖像，并探測安全氣泡半徑內(nèi)的任何物體。為了便于集成到機(jī)器人應(yīng)用中，通常借助機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）框架來實(shí)現(xiàn)安全氣泡探測應(yīng)用。該算法經(jīng)過高度優(yōu)化，在此平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了30 FPS幀率。安全氣泡探測器是自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV）和自主移動(dòng)機(jī)器人（AMR）的基本組成部分。相關(guān)安全區(qū)通常用AGV/AMR周圍的虛擬圓形區(qū)域表示，如圖1中的紅色圓圈所示。

　　圖1.安全氣泡探測器

　　安全氣泡探測器是AGV/AMR系統(tǒng)必不可少的組成部分。圖2中的安全氣泡探測器由四個(gè)EVAL-ADTF3175DNXZ模塊構(gòu)成，覆蓋278°的視場。這些模塊呈水平分布，飛行時(shí)間（ToF）模塊之間彼此相隔67.5°，這種配置有助于減少盲點(diǎn)，呈現(xiàn)278°的視場。

　　為了方便ToF模塊和主機(jī)系統(tǒng)之間的通信，系統(tǒng)采用ROS發(fā)布者-訂閱者模型，如圖3所示。此設(shè)置使用Ethernet over USB進(jìn)行通信，以確保數(shù)據(jù)完整性并提高通信速度。

　　圖2.水平設(shè)置。（a）頂視圖；（b）前視圖。

　　系統(tǒng)采用安全氣泡探測算法來探測安全氣泡半徑內(nèi)的物體。探測標(biāo)志以ROS 話題（Topic）的形式傳輸，主機(jī)可以訂閱所有模塊的話題，并合并各個(gè)探測結(jié)果。此外，這些模塊還可發(fā)布深度圖像、紅外圖像和輸出圖像以供進(jìn)一步分析。ROS提供了有效的可視化工具，例如rviz，它可以將發(fā)布的話題可視化。該應(yīng)用設(shè)計(jì)為高度可配置的，將參數(shù)傳遞給ROS節(jié)點(diǎn)即可調(diào)整攝像頭位置、旋轉(zhuǎn)角度和其他配置值。

　　該應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了多線程架構(gòu)，如圖4所示。輸入、處理、輸出三個(gè)線程并行運(yùn)行。該設(shè)計(jì)旨在有效減少延遲，確保持續(xù)對(duì)最新可訪問幀運(yùn)行算法模塊。輸入線程從ToF模塊讀取圖像并更新輸入隊(duì)列，而處理線程獲取輸入隊(duì)列并運(yùn)行安全氣泡探測算法，發(fā)布探測到的標(biāo)志并將輸出推送到輸出隊(duì)列。輸出線程讀取輸出隊(duì)列并發(fā)布話題以實(shí)現(xiàn)可視化。在實(shí)時(shí)場景中，當(dāng)算法模塊的幀速率低于輸入線程時(shí)，先前未來得及處理的的幀將被丟棄，從而以最小延遲優(yōu)先處理最新的幀。

　　圖3.主機(jī)作為訂閱者、ROS節(jié)點(diǎn)作為發(fā)布者的架構(gòu)

　　圖4.多線程程序

　　主機(jī)和ToF模塊之間的通信采用TCP/IP協(xié)議，通過ROS發(fā)布者-訂閱者模型進(jìn)行。主機(jī)將來自ROS節(jié)點(diǎn)（ToF模塊）的已發(fā)布輸出圖像合并，并發(fā)布合并后的輸出。

　　如圖5所示，主機(jī)是NVIDIA^? Jetson Xavier NX，利用Ethernet over USB協(xié)議為所有四個(gè)ToF模塊供電并與之通信。

　　安全氣泡的默認(rèn)半徑為一米，這可以在ROS啟動(dòng)文件中進(jìn)行配置。如果在該區(qū)域內(nèi)探測到物體，則會(huì)觸發(fā)設(shè)置中的物體探測標(biāo)志，并通過ROS主題發(fā)送到主機(jī)。主機(jī)訂閱每個(gè)ToF模塊的物體探測話題。結(jié)果通過簡單的邏輯工作范圍OR（或）運(yùn)算合并。如果任何一個(gè)傳感器在安全氣泡內(nèi)探測到物體，合并后的結(jié)果就會(huì)指示存在物體。

　　圖5.采用NVIDIA Jetson Xavier NX的水平設(shè)置

　　為了實(shí)現(xiàn)可視化，傳感器將獲取的圖像轉(zhuǎn)換為頂視圖，并根據(jù)物體位于安全氣泡內(nèi)部還是外部，用綠色和紅色像素標(biāo)記物體。各傳感器也會(huì)將此圖像作為ROS 話題發(fā)布，隨后主機(jī)將它們合并成組合圖像。圖6為所有已發(fā)布輸出圖像主題的組合圖像。

　　圖6.四個(gè)TOF模塊的組合頂視圖

　　為了實(shí)現(xiàn)可視化，在左上角繪制一個(gè)方框來顯示物體探測狀態(tài)（綠色：未探測到物體；紅色：探測到物體）。參見圖7。

　　這些圖像可以通過ROS工具rviz進(jìn)行可視化。此外，NVIDIA Jetson Xavier NX可以通過HDMI線連接到顯示器，以便查看輸出。為了進(jìn)行分析，我們可以啟用輸入圖像的深度圖像、點(diǎn)云和頂視圖等可視化功能。這些可視化功能為探測到的物體及其空間關(guān)系提供更詳細(xì)的信息和洞察。參見圖8。

　　圖7.可視化。（a）未探測到物體；（b）探測到物體。

　　圖8.可視化（用于分析的調(diào)試圖像）

　　所用SQA流程

　　采用標(biāo)準(zhǔn)軟件質(zhì)量保證（SQA）方法來確保軟件的安全性和質(zhì)量。

　　▲單元測試：ROS支持多級(jí)別的單元測試。

　　▲庫單元測試：測試獨(dú)立于ROS的庫。

　　▲ROS節(jié)點(diǎn)單元測試：節(jié)點(diǎn)單元測試啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)及其外部API，即已發(fā)布話題、已訂閱話題和服務(wù)。

　　▲代碼覆蓋率：代碼覆蓋率分析由ROS的一個(gè)工具包完成，有助于消除從未被執(zhí)行的“死代碼”并提高單元測試質(zhì)量。

　　▲文檔：ROS有一個(gè)工具包ros_doc_lite，它能為源文件生成doxygen格式的文檔。

　　▲使用Clang格式來格式化代碼，并使用Clang-tidy來維護(hù)ROS編碼風(fēng)格指南。

　　安全氣泡探測器能夠可靠地探測各種形狀、顏色和尺寸的物體，包括厚度僅5毫米的電纜。

　　算法的延遲非常低，只有30 ms，可確保實(shí)時(shí)探測物體并作出響應(yīng)。

　　由于充分利用了ROS框架來構(gòu)建用戶界面和提供可視化功能，該應(yīng)用具有高度可移植性，可兼容任何使用ROS的主機(jī)，幫助縮短客戶產(chǎn)品的上市時(shí)間。

　　對(duì)于透明和低反射物體，ToF傳感器的準(zhǔn)確度較低。因此，對(duì)玻璃瓶和塑料球等物體，會(huì)出現(xiàn)探測滯后。例如，圖9顯示了算法探測到物體的距離（安全半徑設(shè)置為100 cm）。y軸代表測試對(duì)象。玻璃瓶（12, 7）表示玻璃瓶高12 cm，寬7 cm。如果括號(hào)中只有一個(gè)參數(shù)，則它表示物體的半徑或立方體的邊長。表1總結(jié)了安全氣泡探測器的規(guī)格。

　　圖9.探測準(zhǔn)確度

　　指標(biāo)值說明

　　探測延遲30 ms圖像分辨率：512×512

　　探測區(qū)域可配置面積的圓形/矩形    默認(rèn)值：圓形區(qū)域， 半徑1米

　　視場75°使用1個(gè)傳感器

　　結(jié)論

　　這款由ADTF3175D和EVAL-ADTF3175DNXZ ToF平臺(tái)組成的安全氣泡探測器具有許多優(yōu)勢。它針對(duì)i.MX8MP平臺(tái)進(jìn)行了高度優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了30 FPS的流暢性能；而且采用多線程方法來有效減少延遲，確保快速響應(yīng)；此外還實(shí)施了SQA方法來確保軟件安全并維護(hù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

　　致謝

　　感謝ADI-TOF SDK團(tuán)隊(duì)的支持。

　　參考文獻(xiàn)

　　“工業(yè)視覺技術(shù)”。ADI公司。

　　“Analog Devices ToF” 。GitHub, Inc.

　　“Analog Devices 3DToF ADTF31xx”。GitHub, Inc.

　　“Analog Devices 3DToF Safety Bubble Detector”。GitHub, Inc.

　　“Analog Devices 3DToF Floor Detector”。GitHub, Inc.

　　“Analog Devices 3DToF Image Stitching”。GitHub, Inc.

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