Time of Flight TOF – Technologie mit großem Potenzial

Von Thomas Tzscheetzsch

In der Automatisierung wird es immer wichtiger, Objekte oder Personen zu detektieren und darauf zu reagieren. Hier gewinnt Time-of-Flight (ToF) zunehmend an Bedeutung.

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Mit Time of Flight (ToF) werden 2D-Bilder aufgenommen, die eine dritte Dimension in Form von Farben enthalten. Diese Farben aus dem Farbspektrum von violett nach rot (380 nm – 750 nm) stehen für die jeweiligen Entfernungen der Objekte zur Kamera.
Mit Time of Flight (ToF) werden 2D-Bilder aufgenommen, die eine dritte Dimension in Form von Farben enthalten. Diese Farben aus dem Farbspektrum von violett nach rot (380 nm – 750 nm) stehen für die jeweiligen Entfernungen der Objekte zur Kamera.
(Bild: Analog Devices)

Time of Flight (ToF) ist eine Technologie, mit der 3D-Bilder aufgenommen werden. Dabei enthalten die 2D-Aufnahmen eine weitere Dimension in Form von Farben. Diese Farben aus dem Farbspektrum von violett nach rot (380 nm bis 750 nm) stehen für die Entfernungen der Objekte zur Kamera.

Nun eignen sich diese Farben nicht für die Automatisierungstechnik, da zu geringe Abstufungen dargestellt werden. Aber sie veranschaulichen für den Benutzer die Entfernung. Je nach benutztem ADC (Analog-to-Digital Converter oder Analog-Digital-Wandler, typisch sind 8 bis 14 bit) werden die entsprechenden Entfernungsdaten zu jedem Bildpunkt als zusätzliche Daten gespeichert.

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Grundsätzlich sind drei verschiedene Funktions- blöcke nötig: eine Lichtquelle, ein Bildaufnehmer und eine Recheneinheit, die die Differenz zwischen ausgehendem und eingehenden Lichtinformationen berechnet. Die Lichtquelle ist ein Laser mit einer Wellenlänge von 850 nm oder/und 940 nm. Um eine möglichst große Fläche abzudecken, wird das Licht durch einen Difusor geschickt und dabei gestreut. Zwei unterschiedliche Methoden – kontinuierlich oder gepulst – kommen dabei zum Einsatz.

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Umgebung reflektiert das Licht, das der ToF-Sensor aussendet

Es ist wichtig, auf den Sicherheitsaspekt zu achten, vorrangig um Augenverletzungen durch zu große Laserenergie zu vermeiden. Dazu ist in den meisten Fällen eine Fotodiode mit der Laserdiode gekoppelt. Das ausgesendete Licht wird von der Umgebung reflektiert und auf den Bildsensor zurückgeworfen. Hierbei werden entweder ein CCD- oder ein CMOS-Sensor eingesetzt, deren Auflösung mindestens VGA (etwa 300.000 Bildpunkte) oder besser ein Megapixel betragen sollte.

Die Recheneinheit vergleicht für jeden einzelnen Bildpunkt die Dauer vom Aussenden durch die Laserdiode mit dem Eintreffen auf dem Bildsensor und ergibt so einen Zeitwert zu jedem Bildpixel im Speicher. Zu jedem 2D-Bildpunkt ergibt sich eine Entfernung. Diese wird mit der Formel D = c * t / 2 berechnet. Hierbei ist D die Distanz zum Objekt in Meter [m], c die Lichtgeschwindigkeit in [m/s] und t die Zeit, die das Licht benötigt in [s].

Leider können nicht alle Objekte gleichermaßen detektiert werden. Die Beschaffenheit, der Reflektionsgrad und die Geschwindigkeit des Objektes beeinflussen das Messergebnis. Ebenso können Umwelteinflüsse wie Nebel oder starkes Sonnenlicht das Messergebnis verfälschen. Bei letzterem hilft jedoch eine Umgebungslichtunterdrückung (engl. Ambient Light Suppression).

Vorteile gegenüber Lidar-Technologie

Im Gegensatz zu Lidar (engl. Light Detection And Rang­ing) lässt sich mit Time of Flight ein komplettes Bild auf einmal aufnehmen. Es muss weder zeilenweise abgetastet werden, noch muss eine relative Bewegung zwischen Sensor und den betrachteten Objekten vorliegen.

3D-ToF bietet ein breites Feld für Anwendungen in den verschiedenen Bereichen. Im Automotive-Bereich sind Anwendungen im Außenbereich sowie im Innenraum denkbar. So können Assistenten zur Erkennung des toten Winkels durch ToF realisiert werden oder Einparkhilfen, die derzeit meist mit Ultraschall Sensoren arbeiten und durch ToF verbessert werden.

Im Innenraum kann eine Fahrerüberwachung realisiert werden, in dem die Position des Kopfs erfasst und ausgewertet wird und somit der gefährliche Sekundenschlaf oder ein Herzinfarkt des Fahrers erkannt werden. Die Position der Hände und des Kopfs kann auch eine Ablenkung durch beispielsweise die Bedienung eines Mobiltelefons anzeigen, was bekanntlich während der Fahrt vermieden werden sollte.

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Viele Industrieanwendungen denkbar

In der Industrie sind vielfältige Anwendungen denkbar:

  • Erste Ideen gibt es zum Einsatz an Robot/Cobot-Armen: Die ToF-Kamera erkennt die Entfernung einer oder mehrerer Personen zum gefährlichen Aktionsbereich des Robot/Cobot-Arms und kann die Geschwindigkeit des Arms reduzieren. So soll ein Schlag vermieden werden und die Anlage geht direkt in den „Not Stop“-Modus. Dies erhöht die Sicherheit im Arbeitsumfeld und verringert Produktionsunterbrechungen.
  • Mit den Informationen einer 3D-ToF-Kamera können auch Volumenkörper berechnet werden und damit z. B. die Beladung von Paketlieferfahrzeugen oder die Lagerhaltung optimiert werden.
  • In der Medizin können die Position von Patienten oder Geräten einfacher erkannt werden. Dies käme einer automatischen Patientenüberwachung gleich. Es gibt bereits erste Versuche, den Herzschlag zu erkennen. Das könnte zu einer kabellosen Überwachung des Patienten führen, was damit den Komfort erhöhen würde.
  • In der Gebäudetechnik sind Personenzählungen als mögliche Anwendung im Gespräch. Damit könnten z. B. die Auslastung von Konferenzräumen und einhergehend die Regelung der Klimaanlage oder von Beleuchtungsszenarien ermöglicht werden. Mögliche andere Anwendungen könnten bei der Personenerfassung in Aufzügen oder in der Verkehrstechnik das Zählen von Personen in Zügen oder Bahnsteigen sein.
  • Zuletzt sei auch noch der private Bereich erwähnt. Beispielsweise für Audiosysteme, insbesondere 3D-Soundsysteme, die ohne Rücklautsprecher auskommen sollen. ToF kann den Bereich zwischen dem Lautsprecher und dem Audiokonsumenten überwachen und mögliche Hindernisse im Signalweg erkennen, um die Audiosignale nachzuregeln bzw. anzupassen.

Dieser Artikel gibt nur eine kurze Übersicht über mögliche Anwendungen und eine vereinfachte Beschreibung der Funktion der 3D-ToF-Technologie – den Anwendungen scheinen kaum Grenzen gesetzt.

* Thomas Tzscheetzsch ist Technical Director bei der Analog Devices GmbH, München.

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