Mehr sehen: Hochauflösende Bildsensoren können unter anderem autonomen Fahrzeugen oder Servicerobotern einen Rundumblick verleihen.

Bild: iStock, Ultima_Gaina

Breites Einsatzspektrum für Line-Image-Sensoren Rundumorientierung mit leistungsfähigen Augen

01.10.2019

Das Einsatzspektrum von Bildsensoren reicht von industriellen und wissenschaftlichen Anwendungen bis hinein in den privaten Bereich. Mit Line-Image-Sensoren lassen sich neue Anwendungen in Bereich Hinderniserkennung von autonom fahrenden Geräten realisieren.

[]

Bildverarbeitung ist ein wesentliches Element vieler industrieller Anwendungen. In den vergangenen Jahren haben deshalb verschiedene Bildsensoren eine rasante Weiterentwicklung durchlaufen. Auf diese Weise konnten zahlreiche Lösungen für unterschiedliche Branchen und Einsatzgebiete optimiert werden.

Bildverarbeitungssensoren kommen für das Barcode-Scanning – beispielsweise in der Warenwirtschaft oder der Logistik – ebenso zum Einsatz wie in der Verkehrsüberwachung, etwa für die Erkennung von Kennzeichen oder Verkehrsschildern. Aber auch die Führung von Robotern in der „smarten“ Fabrik ist ohne Bildsensoren nicht denkbar.

Darüber hinaus werden diese Komponenten in der visuellen Bildverarbeitung (Machine Vision) benötigt. Intelligente Haushaltshelfer, wie etwa der Saugroboter, verwenden ebenfalls Bildsensoren, um ihren Weg durch die Räume zu finden und ganz speziell, um Hindernissen auszuweichen.

Industrie 4.0 braucht Bildsensoren

Die Sensoren mit visuellen Eigenschaften gelten auch als wesentliches Element für zahlreiche Einsatzszenarien im Umfeld von Industrie 4.0 sowie des Internet of Things (IoT). So kommen Bildsensoren vielfach bei Applikationen zum Einsatz, die im Umfeld des Edge-Computings genutzt werden, das als Architekturkonzept für das IoT gilt. Dafür werden Computer-Anwendungen, Daten und Dienste vom zentralen Rechenzentrum an den äußeren Rändern eines Netzwerks verlagert. Das ermöglicht es, Daten ressourcenschonend an Endgeräten vor Ort zu verarbeiten und von dort aus in die Cloud zu übertragen.

Intelligente Sensoren und Sensornetze sind dabei ein wichtiges Grundelement, um die reibungslose Erfassung, Verarbeitung und den Transport der ermittelten Messwerte und Daten sicherzustellen. Egal, welche Anwendung: Jede hat ihre spezifischen Anforderungen an die eingesetzten Bildsensoren. So verlangen einige Einsatzfelder eine sehr hohe Bildwiederholrate, andere wiederum eine hohe Lichtempfindlichkeit. Manche Anwendungen verlangen höchste Detailgenauigkeit, weshalb in diesem Umfeld Bildsensoren mit sehr hoher Auflösung erforderlich sind.

Zuwachs für Sensor2Cloud-Portfolio

Unitronic verfügt bereits seit geraumer Zeit über ein Sensor2Cloud-Portfolio, das ein breites Anwendungsspektrum abdeckt. Ihre Lösungspalette haben die Düsseldorfer jetzt um den NSI3000 von Newsight Imaging erweitert. „Hierbei handelt es sich um einen neuartigen Line-Image-Sensor für Anwendungen, welche die Welt in ganz anderer Perspektive erfassen soll“, klassifiziert Eduard Schäfer, Leiter der Sensorabteilung bei Unitronic, das neue Produkt. „Dieses stellt einen Wendepunkt bei den Vision-Lösungen für die Automobilindustrie, die Robotik sowie Drohnen, aber auch für Industrie 4.0 dar.“

Der Sensor basiert auf der CMOS-Technologie und arbeitet mit hochempfindlichen Pixeln. Aufgrund seiner Eigenschaften kann der aktuelle Sensor die teureren CCD-Sensoren (Charge-Coubled Device) ablösen, die heute noch in vielen Anwendungen Verwendung finden. Dem Hersteller zufolge ist der Bildsensor für programmierbare Abtastgeschwindigkeiten mit einer hohen Bildrate von bis zu 40.000 fps ausgelegt. Das verbessert Analysen und Reaktionen auf Ereignisse in unterschiedlichen Einsatzfeldern.

Der NSI3000 wurde speziell für Lidar-Anwendungen entwickelt. Diese Lösungen sind beispielsweise essenziell für das autonome Fahren und unterstützen Fahrzeuge dabei, Hindernisse sicher erkennen zu können. Eine Studie des Beratungsunternehmens Frost & Sullivan geht davon aus, dass zahlreiche Automobilhersteller auf Lidar als zentrale Komponente für das automatisierte Fahren setzen.

In der Studie Automotive Lidar Market for Adas and Automated Driving, Global 2016 prognostizieren die Analysten, dass bis zum Jahr 2025 das kontaktlose, beziehungsweise das Solid-State-Lidar flächendeckend in den Markt drängt. Die Nachfrage nach 3D-Mapping und Bildgebung, einer verbesserten Gesamtleistung, automatisierter Verarbeitung von grafischer Datenerfassung und autarken Sensoren mit guten Dämmerungseigenschaften seien Faktoren, welche die Entwicklung und Annahme von Lidar-Sensoren in Sensoreinheiten von Fahrerassistenzsystemen für automatisierte Fahrzeuge vorantreiben, heißt es in der Studie.

Hohe Auflösungen integriert

Das neue Produkt der Sensor2Cloud-Familie ist für dieses Aufgabengebiet prädestiniert. Der Bildsensor verwendet acht Zeilen mit jeweils 2.048 Pixeln, die aus vier Zeilen mit 4-µm-x-8-µm-Pixeln und vier Zeilen mit 4-µm-x-4-µm-Pixeln bestehen. Der Container aus großen Pixeln sorgt für eine hohe Empfindlichkeit, während die kleinen Pixel ein feines Signal mit einer effektiven Auflösung von bis zu 8.192 Pixeln bei geringer Verlustleistung und kompakter Größe liefern können.

Der Sensor verfügt über eine konfigurierbare, synchronisierte 10- bis 12-Bit-Parallelausgangsschnittstelle sowie eine proprietäre und I2C-Schnittstellen. Darüber hinaus verfügt der Sensor über ein integriertes CDS zur Rauschunterdrückung bei festen Mustern, Umgebungslicht-Subtraktion sowie über einen Onboard-Testmodus. Das optimiert die Erfassung von Messwerten und führt zu deutlich besseren Analysen.

Anwendungsbereiche für den Sensor liegen im Bereich von Machine-Vision-Applikationen, wie Roboter-Lidar, Barcodeleser, Industrie 4.0 und Automotive. Die hohe Zahl der Pixel ermöglicht eine detailreiche Auflösung von Messwerten.

Der NSI3100-Bildsensor unterstützt programmierbare Datenübertragungsgeschwindigkeiten mit einer hohen Bildrate und liefert zudem eine automatische Belichtungssteuerung. Damit wird bei nahen Objekten eine Sättigung vermieden, während sich die Empfindlichkeit gegenüber entfernten Objekten erhöht. Auf diese Weise lassen sich realitätsnahe und praxisorientierte Werte in einem breiten Radius ermitteln.

Die automatische Spitzenerkennung für die Triangulation und die Konfiguration pro Bild ermöglicht zudem eine spontane Reaktion auf Ereignisse. Aufgrund dessen können mit dem NSI3100 zahlreiche Lösungen im Bereich des autonomen Fahrens, aber auch in der Logistik oder bei intelligenten Haushaltshelfern realisiert werden.

Bildsensor für Lidar-Anwendungen

„Mit den neuen Bildsensoren von Newsight Imaging können Unternehmen kosteneffiziente Lösungen für volumenstarke und wettbewerbsintensive Märkte entwickeln“, charakterisiert Schäfer die Einsatzfelder des Sensors. Durch den geringen Stromverbrauch sei er auch sehr gut für wieder aufladbare und batteriebetriebene Produkte geeignet.

Unitronic sieht den NSI3100 auch im Einsatz, wenn hohe Leistungen gefragt sind, beispielsweise wenn intensive Algorithmen und Berechnungen gefordert werden. Die von Newsight verwendete Technologie kombiniert auf einem Chip digitale Verarbeitung mit analogen Einheiten. Wesentliche Merkmale seien eine große Genauigkeit, hohe Auflösung und Empfindlichkeit, wodurch die neue Sensor-Generation das Anforderungsprofil von Großserien abdecke, so der Anbieter. „Als Zielmärkte für unsere CMOS-Line-Image-Sensoren sehen wir beispielsweise visuelle Sicherheitslösungen bei Lidar-Anwendungen für die Automobilindustrie, denn sie bieten auf einer Plattform höchste Empfindlichkeit, Leistung und Genauigkeit“, sagt Schäfer.

So unterstützt eine Hinderniserkennung den Fahrer, um den notwendigen Abstand zu anderen Fahrzeugen oder sonstigen Gefahren einzuhalten. Der Sensor bietet die Möglichkeit, den individuell gewünschten Abstand zu den Fahrzeugen vor oder hinter einem Objekt einzustellen. Wird der vorgegebene Wert überschritten, erhält der Lenker automatisch visuelle Informationen des Bordcomputers. Der Entfernungsalarm soll dem Fahrer helfen, mittels der 3D-Bildgebungstechnologie die Geschwindigkeit und Entfernung abzuschätzen.

Diese visionsbasierte, intelligente Technologie wird in aktiven und passiven Fahrzeugsicherheitssystemen verwendet, die Kameras für die Abstandsmessung einsetzen. Aufgrund der höheren Auflösung, die der Line-Image-Sensor bietet, ist eine bessere Objekterkennung möglich und wird auch Anwendungen wie Rückwärtsfahren, Nachtsicht und Spurhalten optimieren.

Reinigungsroboter und Drohnen im Einsatz

Autonome Haushaltsgeräte, wie beispielsweise Service-Wisch- und Staubsaugroboter, erfreuen sich in privaten Haushalten, aber auch im gewerblichen Bereich immer größerer Beliebtheit. Die intelligenten Helfer arbeiten ebenfalls mit Bildsensortechnologien. Das ermöglicht die präzise Erkennung von Hindernissen und erlaubt es beispielsweise dem Saugroboter, bestimmte Objekte bei seinem Reinigungsprozess zu umfahren. Um ihren Reinigungsjob in der erwünschten Qualität zu bewältigen, sind diese Geräte darauf angewiesen, hochauflösende Bilder und genaue Daten über die Objekte und deren Entfernung zu erhalten, um Kollisionen und mögliche Beschädigungen an kostbaren Möbeln zu vermeiden.

Der CMOS-Bildsensor-basierte Chip ermöglicht auch in Drohnen eine effizientere, zuverlässigere und präzisere Echtzeit-Bildverarbeitung. Hersteller der Flugkörper sind beispielsweise verpflichtet, eine hochpräzise Georeferenz von 3D-Bildern und Kartenfunktionen zu liefern. Dafür kommt die Landvermessungstechnik Laser Lidar zum Einsatz, die auf hochpräzisen Laserscannern basiert. Diese ermöglichen die genaue Positionierung und Ausrichtung eines Laserstrahls, wenn er auf ein Objekt trifft.

Drohnen, die etwa für die Erstellung einer Echtzeit-Geländekarte verwendet werden, müssen aus großer Höhe verlässliche Bilder über eine Landschaft und die darin vorhandenen Objekte liefern. „Die neuen CMOS-Image-Sensoren in unserem Portfolio verfügen über die Empfindlichkeit und Auflösung, die in diesem Umfeld zwingend notwendig ist“, bringt es Schäfer auf den Punkt. „Damit lassen sich in Echtzeit und mit ultrahoher Auflösung fundierte Luftdatenkarten erstellen, die als Basis für Entscheidungen und daraus resultierende Maßnahmen dienen können.“

Lidar und was dahinter steckt

Lidar steht für „Light Detection And Ranging“. Dabei handelt es sich um ein optisches Messverfahren zur Ortung und Messung der Entfernung von Objekten. Es ähnelt dem Radarverfahren. Allerdings werden bei Lidar anstelle von Mikrowellen Ultraviolett-, Infrarot- oder Laser-Strahlen des sichtbaren Lichts (daher Lidar) verwendet.

Die Methode wird zur optischen Abstands- und Geschwindigkeitsmessung, aber auch zur Fernmessung atmosphärischer Parameter verwendet. Lidar-Systeme senden Laserimpulse aus und detektieren das zurückgestreute Licht. Aus der Lichtlaufzeit der Signale wird die Entfernung zum Ort der Streuung berechnet.

Wolken- und Staubteilchen in der Luft streuen das Laserlicht und ermöglichen eine hochauflösende Detektion und Entfernungsmessung. Je nach Wellenlänge des verwendeten Laserlichts sind Lidar-Systeme entsprechend empfindlich für Partikelrückstreuung. Die Stärke der Rückstreuung bei einer Wellenlänge hängt von der Partikelgröße und Konzentration ab. Mit Lidar-Systemen, die mehrere Wellenlängen nutzen, kann daher die genaue Größenverteilung der atmosphärischen Partikel bestimmt werden.

Bildergalerie

  • Entwicklungsboard mit einem Lidar-Sensor hilft bei der Realisierung autonom fahrender Fahrzeuge.

    Bild: Unitronic

  • So funktioniert die Lidar-Distanzmessung in der Theorie.

    Bild: Unitronic

  • Das 3D-Laser-Lidar ermöglicht eine sichere Orientierung von autonomen Fahrzeugen im dichten Straßenverkehr.

Firmen zu diesem Artikel
Verwandte Artikel