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Hochintegrierter Fotodioden-Array-ASIC

Gestensteuerung für alle Klassen

Gestensteuerung mittels Fotodioden-Array
© Shutterstock.com | elektroniknet

Die Steuerung des Infotainmentsystems über Gesten verringert die Ablenkung des Fahrers. Time-of-Flight-Kameras sind zu rechenintensiv und zu teuer für untere Fahrzeugsegmente. Doch ein hochintegrierter Fotodioden-Array-ASIC reduziert die Komplexität und die Kosten drastisch.

Mehr Sicherheit und Komfort für den Fahrer, das verspricht die Gestensteuerung von Infotainmentsystemen, die derzeit nur in Fahrzeugen der Oberklasse verfügbar ist: Mit der Steuerung per Handbewegung sinkt das Unfallrisiko, denn der Fahrer muss nicht mehr die Augen von der Straße abwenden, um Touchscreens oder Drehknöpfe zu bedienen. Der Fahrer kann mit einer Geste das Radio leiser stellen, das Gebläse der Klimaanlage justieren, Anrufe auf verbundenen Telefonen ablehnen, eine Musik-Playlist ändern und vieles mehr.

Die Gestensteuerung kann die Verwendung und dadurch die Ablenkung durch Touchscreens minimieren und die Sprachsteuerung ergänzen. So kann der Fahrer zum Beispiel einen virtuellen Assistenten bitten, ein bestimmtes Musikstück abzuspielen und dann mit einem Wink die Lautstärke aufdrehen, während sein Blick die ganze Zeit auf der Straße bleibt.

Im Gegensatz zur Gestensteuerung erfordert der Einsatz von Spracherkennung eine LTE-Verbindung zu einem Cloud-Rechner, um mithilfe einer großen Datenbank alle Dialekte und Sprachen zu verstehen. Außerdem funktioniert die Spracherkennung nicht, wenn die Fenster oder das Schiebedach geöffnet sind oder die Musik im Auto laut ist. Die Gestenerkennung dient aber nicht nur der Verkehrssicherheit, sondern hilft auch tauben und stummen Menschen, die keine Spracherkennungstechnologien nutzen können.

Touchscreens sind sehr ablenkend, da der Fahrer sich die Position der Tasten merken und sich auf sein Tastgefühl verlassen muss, um auf dem Display zu navigieren. Während berührungsbasierte Befehle unweigerlich zu einer gewissen Abnutzung der berührten Oberflächen führen, nutzt sich bei der Gestenerkennungstechnologie an den Steuerelementen nichts ab.

Aktuell werden Gestensteuerungstechnologien aufgrund ihrer hohen Komplexität und Kosten nur in Luxusfahrzeugen eingesetzt. Die Vorteile dieser Technologie rechtfertigen jedoch jede Anstrengung, um ihren Einsatz auf Fahrzeuge des mittleren und unteren Marktsegments zu erweitern. Es gibt inzwischen einen neuen Ansatz, der hochintegriert und kosteneffektiv ist und die Einführung der Gestenerkennung in einer weitaus höheren Anzahl von Fahrzeugen ermöglicht.

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Standardsystem der Gestenerkennung

Bild 1 zeigt eine Standardtechnologie, die basierend auf einer ToF-Kamera (Time of Flight) eine dreidimensionale Szene erkennt und abscannt. Die ToF-Technik besteht darin, einen Infrarotstrahl auf ein zu analysierendes Ziel zu senden.

Typische Gestensteuerungs-Anwendung mit einem ToF-System für die Oberklasse
Bild 1. Typische Gestensteuerungs-Anwendung mit einem ToF-System für die Oberklasse.
© Analog Devices

Das reflektierte Signal wird von einem analogen Frontend (AFE) verarbeitet und die Rohdaten werden an den Anwendungsprozessor (AP) zur Gestenerkennung weitergeleitet.

Dieses System hat eine hohe Pixelanzahl (60.000) und kann Augen-, Gesichts-, Körper- und Fingerbewegungen tracken, komplexe Gesten erkennen und verfügt über Kontextbewusstsein. Es erzeugt eine enorme Datenmenge, die eine komplexe MCU für die Verarbeitung erfordert. Die Verwendung einer Kamera und einer komplexen MCU macht dieses System vielseitig, aber auch teuer. ToF-Systeme erkennen zwar viele mögliche Gesten, aber die Komplexität ist für Anwendungen im Automobilbereich zu groß. Der Kunde würde ein Handbuch zur Programmierung benötigen, was es für den alltäglichen Gebrauch untauglich macht.

Fotodioden-Array-ASIC als Alterntive

Integriertes Gestensensor-System: Der MAX25205 enthält eine Optik, ein Fotodetektor-Array sowie ein analoges Frontend
Bild 2. Integriertes Gestensensor-System: Der MAX25205 enthält eine Optik, ein Fotodetektor-Array sowie ein analoges Frontend.
© Analog Devices

Die Vorteile der Infotainment-Gestensteuerung sind so groß, dass sich jede Anstrengung lohnt, die Komplexität und Kosten zu reduzieren und eine einfache, aber wirkungsvolle Gestensteuerung für eine breitere Nutzung bereitzustellen, wie den neuartigen Fotodioden-Array-ASIC MAX25205 von Analog Devices: Er integriert eine Optik, ein Fotodetektor-Array und ein analoges Frontend (Bild 2).

Gestensensor-Gesamtsystem: Integrierte Optik und AFE-Querschnitt
Bild 3. Gestensensor-Gesamtsystem: Integrierte Optik und AFE-Querschnitt.
© Analog Devices

Der integrierte Gestensensor wird für den Erkennungsprozess über SPI oder I2C-Bus mit einer einfachen MCU verbunden. Ermöglicht wird die Integration durch ein proprietäres optisches QFN-Gehäuse mit einer Größe von nur 4 mm x 4 mm. Bild 3 zeigt das gesamte System, einschließlich der Sensor-Photodioden auf dem ASIC zusammen mit dem optischen Filter.

Schutz des Sensors vor Sonneneinstrahlung mithilfe eines optischen Hochpassfilters
Bild 4. Schutz des Sensors vor Sonneneinstrahlung mithilfe eines optischen Hochpassfilters.
© Analog Devices

Die Sensoranordnung muss vor Sonneneinstrahlung geschützt werden. Bei 940 nm gibt es einen Einbruch der Sonneneinstrahlung aufgrund der H2O-Absorption in der Atmosphäre. In diesem Bereich arbeitet der Sensor. Ein optischer Hochpassfilter unterdrückt die gesamte Sonneneinstrahlung unter 875 nm (Bild 4).

Integriertes Gestensensorsystem auf Basis des MAX25205
Bild 5. Integriertes Gestensensorsystem auf Basis des MAX25205
© Analog Devices

Vier 940-nm-IR-LED-Dioden beleuchten das Ziel. Das reflektierte Licht wird von einem 60-Pixel-Sensor-Array auf dem ASIC erfasst, der auch die gesamte erforderliche Signaldigitalisierung und -steuerung enthält (Bild 5).


  1. Gestensteuerung für alle Klassen
  2. Integrierter Gestensensor erleichtert Einsatz

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