Mehr Bildsensorik für IoT-Anwendungen

Bildsensoren werden heute in zahlreichen Umgebungen eingesetzt. Das Spektrum reicht von industriellen und wissenschaftlichen Anwendungen, bis in den privaten Bereich hinein. Unitronic, Entwicklungsdienstleister aus Düsseldorf und Mitglied des schwedischen Technologiekonzerns Lagercrantz, hat sein Sensor2Cloud-Portfolio jetzt um weitere Line-Image-Sensoren ergänzt. Damit lassen sich neue Anwendungen realisieren, z.B. in Bereich Hinderniserkennung von autonom fahrenden Geräten. Analog dazu steigt die Produktivität zahlreicher Lösungen.

(Bild: ©phonlamaiphoto/Fotolia.com)

Bildverarbeitung ist ein wesentliches Element vieler industrieller Anwendungen. In den vergangenen Jahren haben deshalb Bildsensoren eine rasante Weiterentwicklung durchlaufen. Auf diese Weise konnten Lösungen für unterschiedliche Branchen optimiert werden. Bildverarbeitungssensoren kommen für das Barcode-Scanning, beispielsweise in der Warenwirtschaft oder der Logistik ebenso zum Einsatz, wie in der Verkehrsüberwachung, z.B. für die Erkennung von Kennzeichen. 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 der Saugroboter, verwenden ebenfalls Bildsensoren, um ihren Weg durch die Räume zu finden und ganz speziell um Hindernissen auszuweichen.

Der sensor NSI3000 kann aufgrund seiner Eigenschaften die CCD-Sensoren
ablösen. (Bild: Unitronic GmbH)

Industrie 4.0 braucht Bildsensoren

Die Sensoren mit visuellen Eigenschaften gelten auch als wesentliches Element für Einsatzszenarien im Umfeld von Industrie 4.0 sowie des IoT. So kommen Bildsensoren vielfach bei Applikationen zum Einsatz, die im Umfeld des Edge-Computings genutzt werden. 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.

Das Funktionsprinzip von LiDAR nutzt das Verfahren der Triangulation. (Bild: UNITRONIC GmbH)

Zuwachs für das 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 Line-Image-Sensor für Anwendungen, welche die Welt in ganz anderer Perspektive erfassen soll“, klassifiziert Eduard Schäfer, Leiter der Sensorabteilung. „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 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 40.000FPS ausgelegt. Das verbessert Analysen und Reaktionen auf Ereignisse in verschiedenen Einsatzfeldern. Der NSI3000 wurde speziell für LiDAR-Anwendungen entwickelt. Diese Lösungen sind beispielsweise essenziell für das ‚Autonome Fahren‘ und unterstützen Fahrzeuge dabei, Hindernisse zuverlässig erkennen zu können. Eine Frost & Sullivan-Studie 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, bzw. das Solid-State-LiDAR flächendeckend in den Markt drängt. Die Nachfrage nach 3D-Mapping und Bildgebung, einer verbesserten Gesamtleistung, automatisierter Verarbeitung von graphischer Datenerfassung und autarken Sensoren mit Höchstleistungen in der Dämmerung 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

Der Bildsensor verwendet acht Zeilen mit jeweils 2.048 Pixeln, die aus vier Zeilen mit 4×8µm-Pixeln und vier Zeilen mit 4×4µm-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 Pixel bei geringer Verlustleistung und kompakter Größe liefern können. Der Sensor verfügt über eine konfigurierbare synchronisierte 10 bis 12Bit Parallelausgangsschnittstelle sowie eine proprietäre und I2 C-Schnittstellen. Darüber hinaus verfügt der Sensor über ein 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 Bildsensor unterstützt programmierbare Übertragungsgeschwindigkeiten 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.

Kostengünstig in volumenstarke Märkte gehen

„Mit den Bildsensoren können Unternehmen kosteneffiziente Lösungen für volumenstarke und wettbewerbsintensive Märkte entwickeln“, charakterisiert Eduard Schäfer. Durch den geringen Stromverbrauch sei er auch 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 Technologie kombiniert auf einem Chip digitale Verarbeitung mit analogen Einheiten. „Als Zielmärkte für unsere CMOS-Line-Image Sensoren sehen wir z.B. visuelle Sicherheitslösungen bei LiDAR-Anwendungen für die Automobilindustrie, denn sie bieten auf einer Plattform hohe Empfindlichkeit, Leistung und Genauigkeit“, sagt Eduard Schäfer. So unterstützt eine Hinderniserkennung den Fahrer, um den notwendigen Abstand 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. Diese Technologie wird in aktiven und passiven Fahrzeugsicherheitssystemen verwendet, die Kameras für die Abstandsmessung einsetzen. Aufgrund der höheren Auflösung, ist eine bessere Objekterkennung möglich und wird auch Rückfahrverbesserung, Nachtsicht und Spurhaltemeldung optimieren.

Reinigungsroboter und Drohnen im Einsatz

Die intelligente Haushaltshelfer arbeiten ebenfalls mit Bildsensortechnologien. Das ermöglicht die präzise Erkennung von Hindernissen und erlaubt es beispielsweise dem Saugroboter, bestimmte Objekte bei seinem Reinigungsprozess zu umfahren. Auch Flugdrohnen, die etwa für die Erstellung einer Echtzeitgeländekarte verwendet werden, profitieren durch die hochauflösenden Bilder dank der CMOS-Sensoren.

LiDAR – was steckt dahinter?

LiDAR steht für ‚Light Detection And Ranging‘. Dabei handelt es sich um ein optisches Messverfahren zur Ortung und Messung der Entfernung von Objekten. Im Prinzip ähnelt es dem Radarverfahren. Allerdings werden bei LiDAR anstelle von Mikrowellen Ultraviolett-, Infrarot- oder Laserstrahlen des sichtbaren Lichts (daher LiDAR) verwendet. Die Methode wird zur optischen Abstands- und Geschwindigkeitsmessung, aber auch zur Fernmessung atmosphärischer Parameter verwendet. Die 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 (Aerosole) streuen das Laserlicht und ermöglichen eine hochauflösende Detektion und Entfernungsmessung. Je nach Wellenlänge des verwendeten Laserlichts sind LiDAR-Systeme mehr oder weniger empfindlich für molekulare oder Partikelrückstreuung. Die Stärke der Rückstreuung bei einer Wellenlänge hängt von der jeweiligen Partikelgröße und Konzentration ab. Mit LiDAR-Systemen, die mehrere Wellenlängen nutzen, kann daher die genaue Größenverteilung der atmosphärischen Partikel bestimmt werden.