gesponsertLichtlaufzeitverfahren Neue Horizonte für 3D-Sensorik

Welchen Mehrwert Automatisierungslösungen schaffen, hängt oft vom großen Durchbruch im Kleinen ab. Ein Beispiel sind Fahrzeuge, Maschinen und Roboter, die autonom agieren sollen. Sie müssen häufig räumlich „sehen“ können. Die Produktstudie eines neuen 3D-Sensors zeigt, wie bestehende Grenzen überwunden und so ganz neue Anwendungen möglich werden.

Die Echtzeit-Erfassung von Objekten und Umgebungen in drei Dimensionen gehört zu den anspruchsvollsten Aufgaben der Sensorik und Automatisierungstechnik. Stereokameras können menschliches Sehen simulieren, sie sind aber auf eine ausreichende und möglichst schattenfreie Ausleuchtung des Sichtfeldes angewiesen. Rotierende LiDAR-Sensoren sind mit ihrem bewegten Strahl von den Lichtverhältnissen zwar unabhängig, benötigen aber eine ebenso aufwendige wie empfindliche Mechanik und sind daher relativ teuer.

Warum eine umfassende 3D-Bildgebung so wichtig ist

Eine alltagstaugliche und kostengünstige Technologie für diese Aufgabe hätte nicht nur das Potenzial, bereits implementierte 3D-Sensoren in der Fabrikautomation zu optimieren, sondern könnte auch ganz neue Einsatzfelder erschließen: von Smart-City-Prozessen über Bau- und Service-Robotik bis zum fahrerlosen Personentransport. Pepperl+Fuchs hat mit der Produktstudie R3000 die Tür zum umfassenden Einsatz einer hochauflösenden 3D-Detektion aufgestoßen. Die Produktstudie kombiniert die Pulse Ranging Technology (PRT) mit einem mikroelektromechanisch bewegten Spiegel. Damit wird eine hochgradig robuste Lösung erreicht.

Wie PRT-Sensoren ihre Vorteile ausspielen

Die Pulse Ranging Technology (PRT) ist ein von Pepperl+Fuchs perfektioniertes Licht-Laufzeitverfahren. Es ermittelt die Entfernung aus der Zeitspanne, in der ein Lichtpuls von seinem Zielpunkt reflektiert wird. PRT-Geräte senden sehr kurze und starke Pulse aus. Damit erreichen sie eine große Reichweite, eine hohe Geschwindigkeit und Genauigkeit des Signals sowie einen sehr großen Signal-Rauschabstand. Eine flächige Ausleuchtung des Erfassungsbereichs ist nicht nötig. Die reflektierten Lichtpulse werden auch bei sehr ungünstigen Verhältnissen von störenden Einflüssen wie Spiegelungen oder Streulicht eindeutig unterschieden. PRT-Sensoren von Pepperl+Fuchs, zum Beispiel aus der Baureihe R2000, gelten in der Welt der fahrerlosen Transportsysteme als Benchmark für Navigationsanwendungen mit optischen Sensoren.

Welche Rolle der mikroelektromechanisch bewegte Spiegel spielt

In der Produktstudie R3000 werden die starken infraroten PRT-Laserpulse von einem kleinen beweglichen Spiegel über das gesamte Sichtfeld gelenkt. Der Spiegel ist Teil eines vom Fraunhofer Institut für Siliziumtechnologie entwickelten Micro-Electro-Mechanical System (MEMS), das Logikelemente und mikromechanische Strukturen in einem Chip vereint. Der Spiegel wird von piezoelektrischen Elementen auf zwei Achsen so bewegt, dass ein Field-of-View von 40° x 30° entsteht. Dabei verteilt er pro Sekunde über 250.000 Laserpulse auf das Sichtfeld. Das Gerät kann so Entfernungen zwischen wenigen Zentimetern und zehn Metern bei sehr hoher Winkelauflösung auf den Millimeter genau messen. Anders als bei Chip-basierten 3D-Sensoren entsteht bei der Erfassung des Messfelds kein Pixelraster. Stattdessen erreicht der R3000 mit einem besonders kleinen Lichtfleck eine lückenlose Abtastung des Messfeldes und erzeugt eine ultra-hochauflösende 3D-Punktewolke mit außerordentlicher Detailgenauigkeit.

Wie neben der Punktewolke ein Intensitätsbild zustandekommt

Der Laserpuls wird von Oberflächen mit unterschiedlichen Farben und Strukturen unterschiedlich stark reflektiert. Diese Varianz nutzt der Sensor, um neben der Punktewolke ein Intensitätsbild zu erzeugen. Es ähnelt einem Grauwertbild und hilft bei der intuitiven Bedienung des Geräts. Außerdem kann man einen sichtbaren Laserprojektor zuschalten, um Messpunkte anzuzeigen, den Flächenrahmen zu projizieren oder mit anderweitig mit dem Nutzer zu interagieren.

Mit diesen Hilfsmitteln lässt sich die Szene visualisieren und das Gerät bei der Inbetriebnahme ohne weitere Hilfsmittel exakt ausrichten; sie ermöglichen eine sehr einfache und intuitive Programmierung und Bedienung. Die Auslenkung des Spiegels lässt sich im Betrieb konfigurieren. Aus der Verkleinerung seiner Auslenkwinkel entsteht de facto eine Zoom-Funktion: Die bereits hohe Auflösung wird noch weiter gesteigert. Anders als bei einer 3D-Kamera ergibt sich so die Möglichkeit, das Sichtfeld optimal an die Anwendung anzupassen. Die umfangreiche Datengrundlage steht darüber hinaus für granulare Auswertungen mit den Mitteln der künstlichen Intelligenz (KI) zur Verfügung.

Automatisierte Bildverarbeitung

Vision-Sensoren können immer mehr Aufgaben übernehmen

Welche Anwendungen mit dem PRT-Sensor möglich werden

Der R3000 liefert präzise 3D-Bilder von unbekannten Umgebungen auf Grundlage einer intrinsisch robusten und kostengünstigen Technologie, die sich in einem kompakten Gerät unterbringen lässt. Der Sensor schafft somit die Grundlage für bisher nicht praktikable Anwendungen, etwa für die nächste Generation des autonomen Fahrens, von fahrerlosen Transportsystemen in der Industrie bis zur automatisierten Beförderung von Patienten.

Gerade für Anwendungen in der Alten- und Krankenpflege sind hochpräzise Echtzeitbilder entscheidend, damit autonom arbeitende Roboter in der Nähe von Menschen eingesetzt werden können. Eine leistungsstarke 3D-Sensorik kann außerdem dazu beitragen, dass ältere Menschen länger in den eigenen vier Wänden bleiben können, indem sie Unfälle oder kritische Situationen anhand von abweichenden Signalmustern erkennt. Nach demselben Prinzip lässt sich die Technologie auch für Überwachungsaufgaben in der Industrie, im Sicherheitsbereich oder im automatisierten Supermarkt einsetzen. In der Logistik- und Fabrikautomation ist der Sensor für zahllose Aufgaben geeignet, wie zum Beispiel Volumenüberwachung, Leerbehälterkontrolle, Konturabbildung oder Robotersteuerung. Mit seiner Vielseitigkeit hat der LiDAR-Sensor R3000 das Potenzial, zu einer Schlüsselkomponente von IIoT, Industrie 4.0 und einer All-Electric-Society zu werden.

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