Lidar und ToF statt Kamera und Ultraschall Laser für sichere Zusammenarbeit von Mensch und Roboter

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AMRs und Cobots brauchen schnelle, genaue 3D-Umgebungsdaten. ToF-Lidar liefert Punktwolken mit Reichweiten über 100 m, auch ohne Zusatzbeleuchtung. Kameras und Ultraschallsensoren stoßen bei Licht, Distanz und Umgebungseinflüssen an Grenzen.

Der Trend zu mehr Genauigkeit, Effizienz und Automatisierung in Fertigungsumgebungen und intelligenten Fabriken geht mit unübertroffenem Tempo weiter. Hierzu gehört der Einsatz fortschrittlicher Robotersysteme, zu denen AMRs (Autonomous Mobile Robots) ebenso gehören wie die direkt mit Menschen zusammenarbeitenden Cobots (Collaborative Robots). Da die Zukunft auf dem Fertigungssektor auf die sichere und reibungslose Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter angewiesen ist, müssen letztere in der Lage sein, sich dynamisch an die Anwesenheit und die Bewegungen menschlicher Arbeitskräfte anzupassen. Um das Potenzial dieser kollaborativen Umgebungen maximal ausschöpfen zu können, ist die Fähigkeit zur schnellen, präzisen und zuverlässigen 3D-Umgebungserfassung zwingend erforderlich.

Traditionelle Erfassungsmethoden stossen in dynamischen industriellen Umgebungen, die nach verlässlicher Leistungsfähigkeit und hoher Auflösung verlangen, jedoch oftmals an ihre Grenzen. Präzise Lasertechnologien, und hier insbesondere die Time-of-Flight- (ToF) und die FMCW-Lidartechnik (Frequency Modulated Continuous Wave) entwickeln sich deshalb zu wichtigen Lösungen für die detaillierte Umgebungssensorik, auf die Roboter angewiesen sind, um in der Gegenwart von Personen sicher zu navigieren und die Arbeitsabläufe zu optimieren, ohne die Sicherheit der anwesenden Menschen zu gefährden.

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Fortschrittliche Lidarsysteme ermöglichen durch hochpräzise Hinderniserkennung, Entfernungsmessung und Echtzeitkartierung eine sicherere Interaktion zwischen Mensch und Roboter. Entwickler integrieren diese Technik in automatisierte Fabriksysteme, um einerseits die Herausforderungen der modernen Fertigung zu bewältigen und andererseits die allgemeine Genauigkeit, Betriebssicherheit und Produktionseffizienz zu verbessern.

Lichtbasierte Entfernungsmessung in smarten Fabriken mit ToF-Lidar

ToF-Lidar ermöglicht hochpräzise Entfernungsmessungen durch Messung der Zeit, die Laserimpulse für den Weg bis zu einem Hindernis und zurück benötigen. Dabei werden präzise dreidimensionale Punktwolken sämtlicher Objekte in der Umgebung erzeugt, um AMRs und Cobots ein detailliertes Echtzeit-Abbild ihres Arbeitsbereichs zu geben. Ein ToF-Lidarsystem sendet hierfür einen Impuls aus unsichtbarem Laserlicht an das betreffende Objekt und empfängt die Reflexion dieses Impulses.

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Anhand der Zeit, die das Licht bis zum Objekt und zurück benötigt, wird anschliessend die Distanz zu diesem Objekt berechnet. Bild 1 verdeutlicht die Funktionsweise eines optikbasierten Single-Point-ToF-Lidarsystems.

Kameras und Ultraschallsensoren sind in dynamischen Anwendungen überfordert

Kamerabasierte Systeme und die Ultraschalltechnik können nicht die Geschwindigkeit und Genauigkeit bieten, die die ToF-Lidartechnik bei der Entfernungsmessung erreicht. Kameras überzeugen beim Extrahieren von Textur- und Farbinformationen aus ihrer Umgebung, haben aber Probleme mit der Tiefenwahrnehmung – insbesondere bei schlechten Lichtverhältnissen.

Damit Kameras korrekt funktionieren können, ist oftmals die Ausleuchtung des gesamten relevanten Bereichs erforderlich. ToF-Lidarsysteme, wie sie auf dem in Bild 2 gezeigten Roboter angebracht sind, sorgen dagegen mit ihren Laserimpulsen selbst für die nötige Beleuchtung. Die meisten ToF-Lidarsysteme nutzen hierfür Laserlicht mit der für Menschen unsichtbaren Wellenlänge von 905 nm und können unter Wahrung des Augenschutzes Objekte in mehr als 100 m Entfernung detektieren. Einige scannende ToF-Lidarsysteme erlauben sogar Distanzmessungen in einem Umkreis von vollen 360° und eignen sich deshalb speziell für den Einsatz in AMRs, bei denen es auf die Umgebungswahrnehmung in allen Richtungen ankommt.

Um aus Kamerabildern präzise dreidimensionale Entfernungsinformationen zu extrahieren, sind komplexe und rechenaufwändige Bildverarbeitungs-Algorithmen erforderlich, die zu Latenzen und potenziellen Ungenauigkeiten führen können. Abgesehen davon benötigen kamerabasierte Systeme wie erwähnt gute Lichtbedingungen, um korrekt zu funktionieren. Infolge der Lichtstreuung bieten kamerabasierte Systeme eine exakte Distanzmessung nur bei Objekten, die maximal einige Meter entfernt sind. Bei grösseren Distanzen geht die Genauigkeit jedoch zurück, sofern keine grossen und teuren Objektive zum Einsatz kommen.

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Ultraschallsensoren sind zwar eine kostengünstige Lösung für die Näherungserkennung, jedoch ist ihr Erfassungsbereich sehr begrenzt und ihre Genauigkeit unzureichend. Überdies sind sie anfällig gegen Störeinflüsse durch Rauschen und die jeweiligen Oberflächeneigenschaften. Die Genauigkeit der Entfernungsmessung fällt bereits bei Distanzen von einigen Zentimetern ab, und ausserdem werden die Ergebnisse stark durch Umgebungseinflüsse wie Temperatur und Feuchtigkeit sowie die Beschaffenheit der Objektoberfläche beeinflusst. Nicht zuletzt macht es das grosse Sichtfeld schwierig, die genaue Position eines Hindernisses zu bestimmen, wodurch das Risiko von Fehlalarmen zunimmt.

FMCW-Lidar sorgt dank Geschwindigkeitsmessung für eine sicherere Kooperation von Mensch und Roboter

FMCW-Lidar entwickelt sich zusehends zu einer erstklassigen Sensortechnik für smarte Fabriken, und hier insbesondere für Cobot-Anwendungen. Im Gegensatz zur ToF-Technik, die die Distanz anhand der Zeit bis zur Rückkehr eines ausgesendeten Laserimpulses ermittelt, senden FMCW-Lidarsysteme ein länger dauerndes Lasersignal mit veränderlicher Frequenz aus. Durch Auswertung des Frequenzunterschieds zwischen gesendetem und empfangenem Signal kann das System mithilfe des Dopplereffekts mit extrem hoher Genauigkeit sowohl die Distanz als auch die Geschwindigkeit des jeweiligen Objekts bestimmen.

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Diese Fähigkeit zur Geschwindigkeitsmessung stellt ein entscheidendes Plus in Umgebungen dar, in denen Roboter gemeinsam mit Menschen und anderen Roboter arbeiten, denn es ist eine proaktive Reaktion auf Bewegungen möglich, wodurch das Risiko von Kollisionen und Verletzungen deutlich sinkt. FMCW-Lidar kann ausserdem bei gleicher Laserleistung wesentlich grössere Distanzen messen als ToF-basierte Systeme. Das Funktionsprinzip eines FMCW-Lidarsystems geht aus Bild 3 hervor.

In durchsatzstarken Fertigungsumgebungen, in denen Transportbänder zum Einsatz kommen, bietet FMCW-Lidar bei der Objekterkennung und -verfolgung deutliche Vorteile gegenüber traditionellen Bildverarbeitungssystemen auf Kamerabasis. Kamerabasierte Systeme stützen sich auf Bildverarbeitung und Mustererkennung, was einen hohen Rechenaufwand erzeugen kann und von der Ausrichtung der Objekte abhängig ist. Die FMCW-Lidartechnik dagegen misst Entfernung und Geschwindigkeit unabhängig von diesen Faktoren, sodass auch bei sich schnell bewegenden Objekten eine raschere und zuverlässigere Detektierung möglich ist.

Die Fähigkeit der FMCW-Lidartechnik zur Generierung einer dichten 3D-Punktwolke erlaubt Entwicklern ohne komplexe Bildanalyse das Bestimmen der genauen Grösse und Form von Objekten, wodurch der Durchsatz der gesamten Fertigungslinie und die Systemgenauigkeit entscheidend verbessert werden.

Der nächste Schritt bei der Automatisierung smarter Fabriken

Der zunehmende Bedarf an Automatisierung, Effizienz und Sicherheit in der modernen Fertigung treibt die zügige Einführung fortschrittlicher Wahrnehmungstechniken wie ToF und FMCW-Lidar voran. Beide Techniken bieten in dynamischen Umgebungen, in denen die Kooperation zwischen Mensch und Roboter an erster Stelle steht, substanzielle Vorteile gegenüber kamerabasierten Bildverarbeitungssystemen und Ultraschallsensoren. ToF-Lidar stellt präzise, räumliche 3D-Daten für die zuverlässige Hinderniserkennung und exakte Distanzmessungen zur Verfügung, und FMCW-Lidar bringt eine zusätzliche Verbesserung der Leistungsfähigkeit durch die direkte Distanz- und Geschwindigkeitsmessung, die wichtig für die proaktive Kollisionsvermeidung und das Verbessern der Sicherheit ist.

Unternehmen wie Texas Instruments bieten wichtige Halbleiterbausteine wie etwa Transimpedanzverstärker, Lasertreiber, A/D-Wandler (ADCs) und D/A-Wandler (DACs) sowie eine umfassende Palette von Power-Produkten an, die entscheidend für das Design und den Bau leistungsfähiger ToF- und FMCW-Lidarsysteme sind. Die anhaltende Innovation in der Lasertechnik und Signalverarbeitung verspricht weitere Fortschritte bei den Fähigkeiten von Lidarsystemen und macht diese zu einer Schlüsseltechnologie für die Weiterentwicklung im Bereich der smarten Fabriken sowie für die industrielle Automatisierung.

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