Fahrerassistenzsysteme sind insbesondere dann gefragt, wenn sich die Person am Steuer voll auf die Arbeit konzentrieren muss – beispielsweise beim Umsetzen sperriger Ladungen. Häufig fehlt nämlich der komplette Überblick über den Fahrweg sowie über drohende Gefahren oder Hindernisse in der Umgebung. Typische Einsatzgebiete für Fahrerassis­tenzsysteme finden sich daher in der Transportlogistik, der Landwirtschaft, auf Baustellen, in Minen und Häfen – eben da, wo Flurförderfahrzeuge, Lader, Kipper oder Containerfahrzeuge mit teils gigantischen Ausmaßen das Bild bestimmen. Doch wie lassen sich die Bereiche absichern, die sich dem menschlichen Blick aufgrund toter Winkel entziehen? 

Die 3D-Snapshot-Sensoren eignen sich auch für kollaborierende Produktionen, wenn Menschen im direkten Umfeld von Robotern arbeiten.

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3D-Snapshot ermöglicht zwei Techniken: Time-of-Flight und stereoskopische Triangulationsmethoden. 

3D-Time-of-Flight (ToF) bedeutet das Messen der Flugzeit von Lichtimpulsen zwischen dem Sensor und dem Ziel­objekt für jedes Pixel des Bildes. Sobald die Ankunftszeit oder Phasenverschiebung des reflektierten Lichts bekannt ist, lässt sich der Abstand zum Zielobjekt be­stimmen. 

Bei der Stereoskopie stammt die Tiefeninformation aus zwei Bildern, die von zwei synchronisierten Kameras ­auf­ge­nommen werden. Diese Kameras sind so positioniert, dass die Szenerie aus leicht unterschiedlichen Perspektiven erfasst wird. Dadurch kann die Tiefeninforma­tion unter ­Verwendung einer Dreiecksbeziehung für jeden Punkt des Bildes berechnet werden.

Da beide Technologien auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien basieren, weisen sie unterschiedliche Eigenschaften auf. Lösungen, die auf dem 3D-ToF-Prinzip basieren, liefern beispielsweise 3D-Daten mit hoher Genauigkeit. Stereoskopische Messungen werden dagegen kaum von Objekten mit unterschiedlichen Refle­xionseigenschaften beeinflusst. Unabhängig von der physischen Quelle liefern beide 3D-Snapshot-Technologien Warnsignale basierend auf 3D-Bilddaten in Echtzeit.
Die Erfassungszone eines 3D-Snap­shot-Sensors hängt von Parametern wie etwa der Konfiguration, dem Abstand zu einer begrenzenden flachen Oberfläche (zum Beispiel Boden, Decke oder Wand) oder dem Installa­tionswinkel des Sensors in Bezug auf den Boden ab.

‚Visionary-B‘ und ‚Visionary-T‘ sind Sensoren von Sick, die auf die 3D-Snapshot-Technik setzen. Sie erfassen Szenen mit kurzen Belichtungszeiten dreidimen­sional als Ganzes. Laserscanner hingegen tasten ihr Sichtfeld zeilenweise ab. Folglich kommt es hier bei einem statischen Bild immer zu einem zeitlichen Versatz – und damit quasi zu einer Unschärfe, was die Beurteilung einer Szene im aktuellen Augenblick betrifft. Die 3D-Snapshot-Technik arbeitet hingegen wie eine ‚normale‘ Digitalkamera, bei der jedes einzelne Pixel einer Aufnahme zur gleichen Zeit belichtet wird. Dieses Verfahren schließt aus, dass sich plötzliche Ereignisse in den zeilenweise ablaufenden Scan-Prozess einschleichen können.

Ganze Bilder ohne Zeitversatz

Die Aufnahme eines dreidimensionalen Bildes erfolgt entweder auf Grundlage der Stereoskopie durch zwei Objektive oder durch die Lichtlaufzeit-Messung mit einem Objektiv. In beiden Fällen sind mechanisch bewegte Teile nicht nötig. 3D-Laserscanner hingegen arbeiten mit rotierenden Spiegeln oder sind auf die Bewegung der Objekte vor dem Scanner angewiesen. Dies macht sie anfälliger gegenüber Vibrationen und Stößen, wie sie beispielsweise in rauen industriellen Umgebungen von Minen, Bergwerken oder Steinbrüchen an der Tages­ordnung sind. Auch statische Szenen schränken die Einsatz­möglichkeiten von 3D-Laser­scannern prinzipbedingt ein. 

Der Verzicht auf mechanisch bewegte Teile erhöht somit bei den 3D-Snapshot-Sensoren die Ausfallsicherheit und die Ver­füg­barkeit des Systems gleichermaßen. Be­gleitet wird das Aufnahmeprinzip von einem auf die Einsatzbedingungen abgestimmten robusten Aufbau der Kameras samt stoß- und wasserfestem Gehäuse. Der Sensorkopf von ‚Visionary-B‘ beispielsweise lässt sich mit dem Feuerwehrschlauch reinigen. 

Schnell reagiert

Denkbar ist zum Beispiel folgendes Szenario: In einem Bergwerkstunnel tritt ein Mitarbeiter aus einer Kurve heraus, während sich ein Grubenfahrzeug gerade in der Rückwärtsbewegung befindet. Entsprechend schnell muss die Sensorik arbeiten und den Fahrer umgehend über die Gefahr informieren. Da ‚Visionary-B‘ mehrere Bilder pro Sekunde aufnimmt, ist die Basis geschaffen für einen hohen Informationsgehalt der Stereoaufnahmen, die ein Computer zu einem dreidimensionalen Bild zusammenfügt und auswertet.

Diese Datendichte ist erforderlich, um Gefahren oder Hindernisse sicher erkennen zu können. Aber: Die Fahrer dürfen nicht von dieser Informationsflut abgelenkt werden. Daher filtern die Algorithmen der Geräte-Software alle Informationen heraus, die für den Fahrer irrelevant sind – zum Beispiel kleinere Unebenheiten und Steine sowie auch Regen oder Nebel. So warnt das System den Fahrer nur vor wirklich kritischen Situationen. 
 

Skalierte Lösung auch für Innen

'Visionary-B' nimmt mehrere Bilder in der Sekunde auf und schafft damit die Basis für einen hohen Informations­gehalt der Stereo­aufnahmen. Ein Computer fügt die Daten zu einem dreidimensionalen Bild zusammen und wertet sie aus.

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Während ‚Visionary-B‘ mit dem robusten Aufbau und geringen Ansprüchen an die Lichtverhältnisse vor allem für den Außenbereich konzipiert ist, gibt es für Fahrer­assistenzsysteme im Innenbereich ‚Visionary-T‘. Hier arbeitet die Kameratechnik ebenfalls mit einer intelligenten Analysesoftware. Abstands- und Größeninfor­mationen von Objekten werden dabei aber nicht durch die Messung der Disparitäten im Stereobild ermittelt, sondern durch Lichtlaufzeiten (Time-of-Flight). ‚Visio­nary-T‘ ist einäugig aufgebaut und misst über Infrarot-Lichtquellen die Lichtlaufzeiten zwischen erfasten Objektflächen und der Kamera. Auch hier liefert der Sensor für jedes Pixel Tiefeninforma­tionen in Echtzeit.

Das System misst die feinen Zeitunterschiede, die das Licht von seiner Quelle bis zum Objekt und wieder zurück benötigt, sodass das Verfahren bis zu 50 dreidimensionale Aufnahmen pro Sekunde liefern kann. Die Differenzen lassen eine Berechnung der Entfernung zur Reflexionsfläche zu. Und diese Daten wiederum bilden die Grundlage für die Errechnung dreidimensionaler Darstellungen, bei denen unterschiedliche Farben unterschiedliche Abstände zeigen. 

Aufgrund der integrierten aktiven Beleuchtung der Umgebung arbeitet die Kamera selbst in kompletter Dunkelheit. Grenzen für die 3D-Time-of-Flight-Technik finden sich in Einsatzgebieten mit starken externen Lichtquellen, wie sie etwa durch direkte Sonneneinstrahlung in offenen Produktions- oder Logistik­bereichen herrschen. Deshalb bietet sich im Außenbereich die klassische Stereo­kamera an, bei der weder Spiegelungen noch direkt einfallendes Sonnenlicht die Überwachung gefährden kann.

Im Innenbereich aber – beispielsweise in großen Logistikzentren oder weit reichenden Produktionsflächen – lässt sich mit ‚Visionary-T‘ und der 3D-Snapshot-Technik ein verlässliches Detektions­system installieren. Dabei gehen die Möglichkeiten der Geräte über die reine Kollisionswarnung hinaus, denn auch in kollabo­rierenden Produktionen, in denen Menschen im direkten Umfeld von Robotern arbeiten, lassen sie sich nutzen. Hier sind die Sensoren zielgerichtet parametrier- und einsetz­bar, sodass ein Roboter erkennen kann, wer oder was sich ihm nähert. Handelt es sich zum Beispiel um ein fahrerloses Transportfahrzeug (Automated Guided Vehicle, AGV), fährt der Roboter mit unvermin­derter Geschwindigkeit weiter. Weicht das detektierte Objekt hingegen von eingelernten AGV-Konturen ab, weil sich etwa ein Mensch nähert, lassen sich exakt definierte Szenarien aufbauen – von eingeschränkter oder verlangsamter Bewegung bis zum kompletten Stillstand. Neben Objekten sind zudem Gesten erkennbar – eine wesentliche Grundlage für Mensch-Maschine-Kollaborationen. 

Weitere Applikationsbeispiele für ‚Visionary-T‘ sind in der Logistik und dem Materialfluss angesiedelt: Mit den Sensoren lassen sich beispielsweise die Maße von Paketen oder Verpackungseinheiten verlässlich ermitteln. Darüber hinaus lässt sich die 3D-Snapshot-Technik dafür nutzen, Positionen bei der Einlagerung und Auslagerung von Paletten im Hochregal­lager sicher zu erkennen. Beim Palettieren selbst treten mit den 3D-Sensoren freie Bereiche ans Tageslicht. So kann das ­Materialhandling besser gesteuert und optimiert werden.

Autor: 
Fabian Zimmer ist Produktmanager 3D Compact Systems bei Sick in Waldkirch.