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Die Ermittlung der Entfernung zu einem Objekt ist scheinbar eine triviale Aufgabe. Dafür hat die Menschheit Zollstöcke, Maßbänder und – nachdem klar war, dass Licht eine mehr oder weniger konstante Geschwindigkeit hat – optische Sensorgeräte erfunden. Interessanter wird diese Aufgabe, wenn gleichzeitig andere Parameter des Objekts gemessen werden müssen, z. B. die Geschwindigkeit oder die räumliche Orientierung. Störende Faktoren wie variables Umgebungslicht, komplexe Oberflächen oder Vibrationen erschweren die Aufgabe zusätzlich.

Das Grundprinzip ist die sogenannte „Time of Flight“ (ToF), also die Messung der Zeit, die ein Objekt, ein Teilchen oder eine Welle (sei es akustisch, elektromagnetisch usw.) benötigt, um eine Strecke durch ein Medium zurückzulegen. Diese Information kann dann verwendet werden, um die Geschwindigkeit oder die Streckenlänge abzuleiten oder um etwas über die Eigenschaften des Teilchens oder des Mediums zu erfahren. Das sich bewegende Objekt kann direkt (z. B. über einen Ionendetektor in der Massenspektrometrie) oder indirekt (z. B. durch das von einem Objekt gestreute Licht in der Laser-Doppler-Velocimetrie) erfasst werden, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: Prinzip der optischen ToF-Abstands-/Bewegungsmessung

Anwendungsbereiche

Lichtlaufzeitsensoren (ToF-Sensoren) werden schon seit Jahren zur Messung und Überwachung von Automatisierungs- und Produktionsaufgaben in der Fertigungsindustrie eingesetzt. Zu den gängigen Anwendungen in der Fertigung zählen die Verfolgung der Position eines auf einem Förderband transportierten Objekts, die Überprüfung der Ausrichtung und des Oberflächenprofils eines Objekts vor dem Verpacken und die Analyse des Bewegungsmusters eines Roboterarms, um das Risiko von Fehlern zu minimieren und die Sicherheit von Mitarbeitern zu gewährleisten.

Es gibt neue Anwendungsbereiche für die optische Abstandsmessung, bei denen präzise 3D-Informationen und eine größere Reichweite erforderlich sind. Bei optischen Störeinflüssen kann es eine große Herausforderung sein, diese Anforderungen zu erfüllen, vor allem wenn Türen häufig geöffnet und geschlossen werden, so dass Licht von außen in eine Fertigungsanlage fällt, oder wenn sich die Lichtverhältnisse in der Umgebung einer Schweißroboterzelle stark verändern. In der Robotik gibt es verschiedene Anwendungen: Mobile Roboter können sehr schnell eine Karte ihrer Umgebung erstellen, so dass sie Hindernissen ausweichen oder einer führenden Person folgen können. Da die Entfernungsberechnung einfach ist, wird nur wenig Rechenleistung benötigt.

Im Automotive-Bereich werden ToF-Sensoren in Assistenz- und Sicherheitsfunktionen für moderne Automotive-Anwendungen eingesetzt, wie beispielsweise aktiver Fußgängerschutz, Pre-Crash-Erkennung und Indoor-Anwendungen wie Out-of-Position-Erkennung (OOP).

Eine besondere Lösung

Broadcom hat diese Anforderungen in seiner neuesten Sensorplattform AFBR-S50 berücksichtigt und die Leistung der optischen Abstands- und Bewegungsmessung auf ein neues Niveau gebracht. Der AFBR-S50 basiert auf dem indirekten optischen Time-of-Flight (ToF)-Prinzip. Diese Sensortechnologie wurde mit besonderem Augenmerk auf Anwendungen entwickelt, die eine hohe Messgeschwindigkeit und -genauigkeit bei großer Reichweite, geringem Platzbedarf und niedrigem Stromverbrauch erfordern. Durch die hervorragende Umgebungslichtunterdrückung von bis zu 200k Lux kann die Technologie auch in Außenbereichen eingesetzt werden. Die Sensoren funktionieren bei verschiedenen Objekten, beispielsweise bei weißen, schwarzen und farbigen Oberflächen sowie bei reflektierenden Metalloberflächen.

Zu den typischen industriellen Anwendungen zählen Präsenzerkennung, Bewegungsgeschwindigkeit/-richtung, Gestenerkennung in der Mensch-Maschine-Schnittstelle, Kollisionsvermeidung in der Robotik, Kamerafokus/Überwachung, Ausrichtungsfunktionen, Füllstandskontrolle und Parksensoren. Im Gesundheitswesen sind Atemmonitore und Patientenfahrzeuge interessante Zielanwendungen.

Die Bauelemente dieser Produktfamilie kombinieren ToF mit proprietären Technologien und erfüllen so spezifische Anforderungen (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2: Funktionsprinzip der AFBR S50-Plattform

Durch die Korrelation der Phaseninformation von gesendeten und empfangenen Signalen lassen sich Entfernungen exakt berechnen. In Verbindung mit der High Dynamic Range-Detektortechnologie von Broadcom können die Sensorsysteme Signale auch bei starkem Umgebungslicht verarbeiten.

Die integrierte Laserlichtquelle arbeitet mit der IR-Wellenlänge von 850 nm. Eine Ausnahme bildet der AFBR-S50MV68B, der mit rotem Licht um 680 nm arbeitet.

Konfiguration und Analyse

Die Funktionen des ToF-Sensors sind vollständig über ein SPI-Protokoll von einem beliebigen Mikrocontroller aus zugänglich. Diese externe MCU löst die Konfigurations- und Messaufgaben mit Hilfe der ToF-Treiber-Firmware aus. Die Firmware extrahiert sowohl die Entfernungs- als auch die Amplitudenwerte aller verwendeten Pixel auf einer Pro-Frame-Basis. Dadurch lassen sich Framerate, Pixel und der Dynamikbereich leicht anpassen. Sensorergebnisse wie der pixelbasierte Abstand über die Zeit (3/2D), Hintergrundlicht und Amplitude (Signalqualität, SNR) stehen dem Benutzer ebenfalls zur Verfügung. Eine Software-Entwicklungsplattform vereinfacht diesen Prozess.

Die entsprechenden Evaluierungskits beinhalten ein Arm Cortex-M0+ Mikrocontroller-Board, ein Adapterboard mit einem eingelöteten AFBR-S50LV85D/AFBR-S50MV68B Sensor und ein USB-Kabel. Die AFBR-S50x-EK-Dokumentation enthält eine Anleitung für die ersten Schritte und ein Referenzhandbuch für die Anwendungsprogrammierschnittstelle (API) für die finale Systemintegration.