Startseite > Automotive > Assistenzsysteme > ToF-Sensoren fit für Fahrerzustandserfassung

Sensorik

ToF-Sensoren fit für Fahrerzustandserfassung

24. November 2014, 13:16 Uhr | Von Gaetan Koers

▶ Diesen Artikel anhören

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

ToF-basierte Bildverarbeitungssysteme kontra Stereo-Kamera

Optische Time-of-Flight-Erfassungsmechanismen (ToF) arbeiten nach dem Laufzeitprinzip und sind bereits im Spielemarkt äußerst beliebt (Bild 1). Dabei projiziert eine Infrarot-Lichtquelle (IR) einen Strahl, der auf Hindernisse trifft und zurück auf den ToF-Sensor reflektiert wird. Der Sensor erkennt das reflektierte IR-Signal und vergleicht es mit einem Referenzsignal. Anschließend wird die Phasenverschiebung ermittelt, die zwischen dem Aussenden und dem Empfang des Signals liegt. Damit lässt sich der Abstand zum Hindernis berechnen und damit 3D-Bilder erstellen.

Stereokameras sind seit Langem die vorrangige Methode für Echtzeit-3D-Bildverarbeitung. Deren Einsatz kann aber durch die physikalischen Gegebenheiten der Sensoranwendung eingeschränkt sein. Leider haben Stereokameras große Schwierigkeiten, Objekte zu erfassen, die eine gleichmäßige Farbe aufweisen und verdeckt sind. Die präzise Ausrichtung des Stereokamera-Paars kann sich ebenfalls als schwierig erweisen, genauso wie die Zuteilung einer angemessenen Datenverarbeitungskapazität. Zusammen mit einer hochleistungsfähigen Datenerfassung und Bearbeitungs-Software bieten ToF-basierte Bildverarbeitungssysteme eine operativ wirksamere 3D-Bildgebung als Stereokamera-Systeme (Bild 2).

Jobangebote+ passend zum Thema

Regional Key Account (m/w/d) für Elektronische Bauteile

KOA Europe GmbH, Dägeling

Alle Jobangebote im Elektroniknet Karrierebereich anzeigen

Moderne Spielekonsolen, wie die Microsoft Xbox One, haben den Weg für eine ToF-Erfassung geebnet. Es gibt also keinen Grund, warum diese Technik nicht auch in anderen Bereichen zum Einsatz kommen könnte. ToF-Sensorsysteme lassen sich zum Beispiel im Armaturenbrett eines Fahrzeugs verbauen, damit das Fahrerassistenzsystem wichtige Daten über die Aufmerksamkeit des Fahrers sammeln kann. Voraussetzung: Das System ist resistent gegen einstrahlendes Sonnenlicht, denn nur so lassen sich die Kopf- oder Körperposition bestimmen. Erst dann lässt sich feststellen, ob es für das ADAS erforderlich ist, einzugreifen. Das kann in Form einer automatischen Notbremsung sein oder aber, wenn der Fahrer Herr der Situation ist, die am besten geeignete Reaktion auf die aktuelle Situation.

Eigenschaften des ToF-Sensors MLX75023

Durch ein optimiertes Layout und moderne Prozesstechniken ist der Automotive-Halbleiterhersteller Melexis in der Lage, Multi-Pixel-Bildsensoren herzustellen, die einen hohen Dynamikbereich und eine Empfindlichkeit bieten, mit der sich relevante Szenarien mit ein bis zwei Prozent Tiefengenauigkeit erfassen lassen. Damit erübrigen sich die Probleme in Hinsicht auf die Robustheit gegen Sonnenlichteinstrahlung. ToF kann damit vom Spielebereich in ein leistungsfähigeres Umfeld überführt werden, das speziell für die nächste Generation von Automotive-Designs ausgelegt ist.

Der MLX75023 ist ein Multi-Pixel-ToF-Sensor mit einer Spektralempfindlichkeit von 800 bis 900 nm. Damit deckt er den Infrarot-Bereich ab. Er bietet QVGA-Auflösung (320 × 240 Pixel) und eine schnelle Rohbild-Auffrischrate von 600 Bildern/s. Zusammen mit einer modulierten Lichtquelle, zum Beispiel LED oder Laser, kann der Sensor detaillierte Informationen in Bezug auf den Abstand und das Reflexionsvermögen bereitstellen. In Kombination mit der Bildverarbeitungs-Software IISU, die über Melexis’ Technologiepartner SoftKinetic bereitgestellt wird, lässt sich so die Aufmerksamkeit des Fahrers dauerhaft überwachen, um die Gesamtsicherheit zu erhöhen.

Der 3D-Sensor wird in Melexis’ proprietärem, Automotive-konformen CMOS-Mixed-Signal-Prozess gefertigt. Die kleinen Pixel haben die Abmessungen 15 µm × 15 µm. Der hohe Dynamikbereich jedes einzelnen Pixels unterstützt bis zu 120 kLux Hintergrundbeleuchtung, was die Robustheit bezüglich der Umgebungsbeleuchtung vollständig abdeckt. Zwei digitale Eingänge regeln die Pixel-Demodulation, die bis zu einer Frequenz von 40 MHz reicht. Zwei analoge Dual-Ended-Ausgänge sind in die 9-bit-Pixelzeilen- und 8-bit-Pixelspalten-Adressfunktion für bis zu 50 MHz integriert. Der MLX75023 wird im kompakten Chip-Scale-Glas-BGA-Gehäuse mit den Abmessungen 6,6 mm × 5,5 mm ausgeliefert, das verschiedene Integrationsmöglichkeiten bietet. Der Baustein ist AEC-Q100-qualifiziert, er eignet sich somit für den Einsatz in Fahrzeugen und er unterstützt einen Betriebstemperaturbereich von –40 bis +105 °C.

ToF-Sensoren sind durch ihre schnelle Reaktionsfähigkeit und genaue Erkennungsfunktion die beste Möglichkeit, große Echtzeit-Datenmengen zu verarbeiten, wie sie für 3D-Bilder gefordert sind. Durch ihre Robustheit gegenüber sehr hellem Umgebungslicht lässt sich die ToF-Technik nun auch im Automotive-Bereich einsetzen, so dass alles Mögliche getan werden kann, um die Aufmerksamkeit des Fahrers zu ermitteln.

Der Autor

Gaetan Cesar Koers
ist Product Line Manager im Geschäftsbereich Optoelektronik bei Melexis in Tessenderlo, Belgien. Er arbeitet seit 7 Jahren für das Unternehmen, darunter in den Bereichen Projektmanagement und Anwendungsentwicklung mit Fokus auf CMOS-Bildsensoren und ToF-Sensoren. Seit 2012 zeichnet er für Melexis’ optische 3D-Sensoren verantwortlich. Im Jahr 2000 graduierte er an der Vrije Universiteit Brussel als Ingenieur für Telekommunikation. Im Jahr 2006 promovierte er mit einer Dissertation zum Thema „System-Level-Analyse und Rauschunterdrückung in aktiven Millimeterwellen-Focal-Plane-Bildsystemen“.

Gaetan Cesar Koers

ist Product Line Manager im Geschäftsbereich Optoelektronik bei Melexis in Tessenderlo, Belgien. Er arbeitet seit 7 Jahren für das Unternehmen, darunter in den Bereichen Projektmanagement und Anwendungsentwicklung mit Fokus auf CMOS-Bildsensoren und ToF-Sensoren. Seit 2012 zeichnet er für Melexis’ optische 3D-Sensoren verantwortlich. Im Jahr 2000 graduierte er an der Vrije Universiteit Brussel als Ingenieur für Telekommunikation. Im Jahr 2006 promovierte er mit einer Dissertation zum Thema „System-Level-Analyse und Rauschunterdrückung in aktiven Millimeterwellen-Focal-Plane-Bildsystemen“.