3D视觉芯片国家队：中科融合的硬科技持续赋能下游产业链

  2023年8月,专注于光学传感芯片和模组技术的企业中科融合正式对外发布了AiNSTEC第二代3D成像平台,以全局视角、全新的产品架构,全面升级了投射系统、计算系统和软件系统,并基于AiNSTEC第二代3D成像平台推出了两个全新系列:旗舰级Pixel系列,以及适用于协作机器人的性能“小钢炮”紧凑型Mini系列。

  近日,中科融合的核心技术相继亮相第24届中国国际光电博览会以及第23届中国国际工业博览会,在真实场景中进一步展现卓越的成像能力、可靠性和稳定性。

  用更好的技术方案,解决行业应用痛点。中科融合资深产品经理梁建业表示,公司具备全面的技术链以及底层芯片模组的研发能力,致力于持续提升产品性能表现,同时实现行业使用成本的降低,以低成本、普适性、高性能的3D成像技术赋能整个行业的发展。

  此次中科融合推出的两大全新系列Pixel系列和Mini系列,均基于AiNSTEC第二代3D成像平台。

  据了解,AiNSTEC第二代3D成像平台采用全新升级的投射系统、边缘计算模块、软件平台。支持多种光源的同时,极致提升了系统的成像稳定性;处理速度大幅度的提高,成像速度是第一代的1.6倍,内存开销较上一代平台降低了75%,计算平台I/O吞吐访问性能达到JetsonNX平台的1.4倍。

  基于以上关键性能提升,第二代平台通用计算资源有了冗余,相较第一代平台中科融合整体具备了25%的性能优势,分割算子136毫秒、检测算子低于10毫秒。AiNSTEC第二代3D成像平台作为一个边缘计算单元,具有巨大的后续开发潜力,让新一代平台作为独立的智能终端成为可能。

  在应用方面,AiNSTEC第二代3D成像平台解决了Bin Picking(从料箱中无序抓取)等应用场景中金属反光物件、复杂工件、小尺寸工件成像效果差等问题,以及易受环境光干扰的问题。

  以汽车零部件行业中的Bin Picking应用为例,大部分的待抓取对象为铝合金,不锈钢等金属件,器件大小不一,几何形态复杂,且有大量的厚度在1~2mm级别的金属工件,如:车体冲压件的小组件、连杆小组件、轴承轴套等,当这些工件大量的无序堆叠在框内时,对整个成像系统带来了巨大的光学层面的挑战。

  为此,中科融合在两个方面做了全新的系统光学设计,在尽可能去除点云噪声的同时,最大限度地保证了在同样成像条件下(环境、拍摄距离等)的成像完整度。

  一方面,投射模组的性能提升,瓦级出光功率、x方向大于2560分辨率,且重复精度控制在0.005°以内。另一个是单目系统带来的优秀的完整度表现,同时优化成像算法,中科融合针对MEMS的投射特性进行了大量的算法层级的匹配及优化工作,导入了双边滤波、点云去噪(小连通域算法等)、HDR算法等功能。

  Pixel系列定位为中科融合旗舰级3D成像模组,该系列设计目标是为了拔高3D成像模组对场景以及被拍物体更普遍的适用性。

  该系列囊括Pixel XL_300_5W(景深:1.5~3.8m)和Pixel L_200_5W(景深:1~2m)两款产品,在点云完整度、深度感知能力、景深与视野、抗环境光干扰能力、可靠性及稳定性等方面表现强势。

  Pixel系列的核心能力在于能够呈现更密、更完整的点云,是基于电磁式MEMS振镜打造的单目方案高性能3D成像模组。超细腻点云,极致完整度,Pixel系列能够准确还原薄壁金属件几何信息,接近完美的净框表现。

  “我们在处理堆叠的金属薄壁圆环(器件厚度只有1~2mm)时,Pixel呈现了高完整度的点云,实现了95%以上的净框率。”中科融合资深产品经理梁建业表示。

  具体来看,部分的Bin Picking场景要直面环境光的干扰,例如工厂顶棚天窗,侧窗带来的整体环境光光强过高的问题,过高的环境光亮度会影响成像的完整度,Pixel系列借助瓦级的出光能力,在面对侧窗10000 lux的环境光照下,能对汽车行业金属件进行完整成像。

  面对深框抓取景深范围大、视场大,但同时精度要求高,PixelXL可以覆盖从1.5米到3.8米范围内,0.3‰~1‰高精度成像区间。

  因此在应用方面,pixel系列应用空间大。以汽车行业为例,新能源市场的快速发展带来大量增量需求,环境适应能力强、深度性能强大、成像完整度高的3D成像模组在汽车自动化生产中必将具有广泛的应用前景。

  Mini I_130_5W在性能方面表现毫不逊色,同样在点云、可靠性和稳定能力方面表现出色,同时内置了高性能边缘计算模块。值得一提的是,Mini I_130_5W采用大功率激光光源,抗环境干扰能力极强。

  Mini的工作景深为35cm~84cm,在该景深范围内提供极致优秀的点云表现,并且借助第二代投射系统的强大表现,甚至可适用于部分室外场景。例如,在环境光照大于8000 lux的室外环境下,针对黑色汽车的油箱外盖进行了多组50cm拍摄距离下的数据采集,目标采集区域实现了趋于100%的完整度。

  作为专为协作机器人设计开发的产品,Mini I_130_5W采用轻量化设计,重量仅为0.98KG,以模组形式内嵌在机械臂内部,也能安装在协作机器人的机械臂上。

  Mini I_130_5W长度为165mm,等同于一部iPhone 14 plus手机。而整体模组带壳重980g,单模组仅重240g。其内嵌第二代边缘计算模块,性能毫不含糊,绝对的深度性能“小钢炮”。

  “手”+“眼”组合渗透率在加速提升。目前“眼”在“手”上的方案除焊接应用外,大多配备的是低性能的3D传感器,Mini系列让机械手的深度感知能力提升到一个新的层级,去催生更多的行业应用。

  为何Pixel系列和Mini系列能够在实现低成本的同时保证可靠性和稳定能力?这源于中科融合在对AiNSTEC第二代3D成像平台的测试中下足了功夫。

  中科融合介绍道,为确保相机的质量和可靠性,研发阶段中科融合设计了一系列严格的可靠性实验,来对其做验证,相机模组个体要经受极端温度、物理冲击、连续和随机振动、电磁噪声、电涌等测试。具体来看,测试主要包含以下八个方面:

  设备存储环境千差万别,设备既要能适应零下几十摄氏度的地区环境,又需要适应五十多摄氏度的热带地区环境,更不可思议的是高达七十摄氏度的车内等特殊环境。针对以上极端温度环境,中科融合均进行了充分的测试与验证。

  一年当中,时常会出现温度骤降后紧接着又突升的情况。。当然温度循环可比天气变化严格多了,升降温速率至少10℃/min,在85℃和-40℃这两个温度点,还要停留足够长的时间让器件达到环境和温度。在这种剧烈气温变化下,对设备材料而言是一种极大的考验。热膨胀系数各不相同,因此中科融合一一测试后,才能确保不一样的材料是否存在失效风险。

  85℃/85%RH是常用的湿热测试条件。不过实际上依照产品间的不同特性,也有其他的温度和湿度组合。在高温高湿环境下进行长时间试验,模拟产品在实际使用中遇到的各种恶劣条件,例如高温、潮湿、腐蚀等。

  设备的存储环境千差万别,工作环境自然也是这样,所以中科融合同样验证了在不一样的温度下设备带电运行的可靠性。只是相对于存储来说,高温和低温的条件相对温和些,模拟实际工厂内可出现的温度。

  温度循环与温度冲击,两者的差异主要是应力负荷机制不同。温度循环主要考察由于剪切疲劳引起的失效,而温度冲击试验主要考察由于蠕变及疲劳损伤引起的失效。温度冲击试验的严酷度更大,在-10℃~55℃的温度范围内,升降温速率至少30℃/min。

  工业应用场景的环境较复杂恶劣,振动等物理干扰难以避免。因此,冲击和振动测试能够验证产品的结构设计,可承受冲击和振动的产品,才能满足工业制造场景的应用。其中主要包含了两方面的试验:抗振性,频率10-55HZ,X Y Z三个方向上1.5mm双向振幅;抗冲击性,15G加速度进行半正弦冲击,周期11ms,X Y Z三个方向正负冲击。

  工厂环境中不仅有振动等干扰,粉尘等异物也是不可避免的,为此,产品设计中防水防尘也是一定要考虑具备的能力。IP65测试就是对此设计的验证,中科融合要求达到防尘等级6和防水等级5,即“完全防止粉尘进入”和“任何角度低压喷射无影响”。

  MTBF即平均故障间隔时间,是衡量产品可靠性的指标。MTBF测试了产品在规定时间内保持功能的能力。在研发阶段,中科融合对产品做7*24H不间断的压力运行,连续拍摄成像,不仅要求设备保持运作时的状态,更要求运行期间无差错。

  除了上述实验,中科融合也进行EMC(电磁兼容)/EMI(电磁干扰)测试。EMC测试保证设备能经受住工业环境的电磁干扰;EMI保证产品本身发射出去的东西不干扰其他设备。

  “EMC/EMI在各国都有不同的标准和规定,我们的产品是按照满足欧洲CE和美国FCC标准来进行设计的,同时也将送至具有CE和FCC认证资格的第三方专业机构进行正式的检测认证。”中科融合品牌与市场总监刘宇希表示。

  国产机器视觉芯片厂家正加速实现国产化替代。但事实上,视觉芯片应用仍由外资品牌占主导,供应链处于被动状态。

  高工机器人产业研究所(GGII)调研分析,2022年,视觉企业面临供应链管理、产品交付、订单获取等方面的压力,叠加以芯片为主的核心零部件价格居高不下,导致上半年机器视觉市场发展遭遇较大阻力,市场增速放缓明显。视觉芯片国产替代迫在眉睫。

  中科融合孵化于中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所,由一批从美国、新加坡、日本、加拿大、英国归国的多领域技术专家组建。目前,中科融合共有逾百名员工,其中有10余名博士、70余名硕士。

  “发生美国制裁事件后,国内诸多企业越来越感受到在芯片上时刻要受制于人,所以加速国产替代,解决‘卡脖子’难题成为了我们的核心驱动。”提及创业初衷时,中科融合联合创始人及CTO刘欣博士如是说。

  对标美国TI、德国BOSCH、意法半导体等国外老牌企业,中科融合目前已拥有三大自研核心技术,即“MEMS芯片+SoC芯片+核心算法”。

  中科融合具有三维视觉芯片技术体系,打通了“光电算”全技术链条,实现了从MEMS微振镜芯片底层工艺开发、高精密微纳光学集成与组装、动态光栅与编码结构光算法、低功耗高性能异构数据流处理器的SoC开发等3D视觉产品全流程核心技术的垂直整合。

  目前已有国内外众多厂家在“接收”单元实现了技术突破,并逐渐形成了稳定的产业化格局,但是在“发射”和“计算”单元,仍有许多未突破的技术壁垒。中科融合表示,作为中科院下属公司,也承担着国家科技发展的重要责任,凭借自身的科研基因,目前仍以‘发射’和‘计算’单元作为主要攻克的方向。

  “从长期来看,中科融合无论是从掌握核心技术的国产力量的角度,抑或高品质普适性价格的产品战略角度,都和机器换人的长期驱动方向一致,为加速推进场景自动化步伐,降本增效添砖加瓦。”中科融合品牌与市场总监刘宇希表示。