Schwerpunkte

TOF-Sensoren für Transportroboter

Unabhängig vom Umgebungslicht

24. November 2020, 08:00 Uhr   |  Von Sebastian Bauer

Unabhängig vom Umgebungslicht
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Wechselnde Lichtverhältnisse erschweren die Umgebungserkennung von mobilen Transportrobotern. In CMOS integrierte APDs ermöglichen Time-of-Flight-Sensoren, die quasi unabhängig vom Umgebungslicht messen.

Ein schwarzes Hosenbein ist so etwas wie der ultimative Test für die optischen Sensoren von autonomen Transport­robotern. Immer mehr dieser meist kniehohen Maschinen bewegen sich frei in Logistikzentren oder Produk­tionshallen und arbeiten ihren menschlichen Kollegen zu. Damit die Kooperation zwischen Mensch und Maschine funktioniert, muss der Roboter Hindernisse und Personen unter allen Umständen zuverlässig erkennen. Als Sensoren werden Kameras und optische Abstandssensoren eingesetzt. Letztere messen Entfernungen, indem sie, stark vereinfacht gesagt, ein bestimmtes Lichtsignal aussenden und das von Objekten in ihrer Umgebung reflektierte Licht registrieren und auswerten.

Die schwarze Hose wird da schnell zu einer Herausforderung, zumal wenn sie vor einer weißen Wand steht und der Raum gut ausgeleuchtet ist. Der Sensor
muss das schwache Signal von der Hose sicher aus dem Umgebungslicht­anteil herausfiltern, auch bei wechseln­den Beleuchtungssituationen – zum Beispeil wenn neben der Person mit der schwarzen Hose eine weitere Lichtquelle auftaucht oder sie vor einer weißen Wand steht. Die Messung muss außerdem so gut ortsaufgelöst sein, dass das Bein als separates Objekt, beispielsweise neben einem Regal, zu erkennen ist.

Optische Abstandssensoren nutzen drei unterschiedliche Messmethoden (siehe am Ende des Artikels: Optische Methoden der Entfernungsmessung). In jedem Fall sendet ein Laser oder eine LED ein infrarotes oder rotes Lichtsignal aus und ein Detektor registriert das von den anvisierten Objekten reflektierte Licht. Als Detektoren dienen Photodioden oder Avalanche Photodioden (APDs). Bei Triangulationssensoren spannen Detektor, Lichtquelle und Objekt ein Dreieck auf, und die Entfernung ergibt sich aus der Änderung des Winkels, unter dem das reflektierte Licht auf den Detektor trifft. Sensoren, die mit Laufzeitmessung arbeiten, registrieren als Maß für die Entfernung die Zeit, die das Licht vom Sensor zum Objekt und zurück unterwegs ist. Man unterscheidet zwischen der direkten Laufzeitmessung eines ultrakurzen Laserpulses und der Korrelationslaufzeitmessung. Letztere misst die Phasenverschiebung, die ein moduliertes Signal durch die zurückgelegte Wegstrecke im Vergleich zu einem Referenzsignal erfährt.

In der Industrie erfüllen optische Ab­standssensoren verschiedene Aufgaben: Sie messen an definierten Messpunkten hochgenau Entfernungen. Sie überwachen in bestimmten Bereichen die Bewegung von Objekten und sorgen zum Beispiel dafür, dass Menschen der Maschine nicht zu nahe kommen. Drohnen benötigen Abstandssensoren, um Kollisionen zu vermeiden und um sicher zu landen. Inspektionsdrohnen müssen, um zum Beispiel Gebäude auf Schäden zu überwachen, feste Abstände zum Objekt einhalten. So verschieden die Anwendungen für optische Abstandssensoren sind, die typischen Anforderungen sind fast immer gleich. Die Sensoren sollen klein sein und wenig Strom benötigen. Sie sollen unabhängig von der jeweiligen Beleuchtungssituation sicher funktionieren, auch kleine Objekte zuverlässig entdecken und über einen breiten Entfernungsbereich einsetzbar sein.

Kompakte und leistungsfähige ToF-Sensoren

Kompakte und stromsparende Time-of-Flight-Sensoren bieten in ihrem jeweili­gen  Einsatzbereich ähnliche Funktionen wie LiDAR- Module.
© Bild: Broadcom

Bild 1. Kompakte und stromsparende Time-of-Flight-Sensoren bieten in ihrem jeweili­gen Einsatzbereich ähnliche Funktionen wie LiDAR- Module.

Diese Bedürfnisse waren der Ausgangspunkt für die Entwicklung einer Technologieplattform für kompakte, stromsparende und leistungsfähige Time-of-Flight (ToF)-Sensoren bei Broadcom. In Bild 1 ist einer von aktuell vier ToF-Sensorvarianten gezeigt, der mit der neuen Technologieplattform gefertigt werden kann. Herzstück der Sensoren ist die Integration von APD-Arrays in CMOS. Die Technologie ermöglicht elektrische Schaltelemente in jedem Detektorpixel. So lassen sich weitere Funktionsbausteine monolithisch im Detektor realisieren. Für jedes Pixel lässt sich individuell das reflektierte Signal bearbeiten und das Nutz­signal sicher von Störquellen unterscheiden. Die so entstandenen ToF-Sensoren kombinieren geringe Baugröße mit einem hohen Funktionsumfang.

Die neue Plattform umfasst Varianten für die hochgenaue Abstandsmessung genauso wie Bausteine für die Überwachung größerer Areale. Die technischen Details der einzelnen Sensoren sind im nächsten Abschnitt beschrieben. Generell beinhalten sie Laser mit Treiber, Detektor mit integrierter Elek­tronik und Optik. Als Lichtquelle dienen rot oder infrarot emittierende VCSEL (Vertical Surface Emitting Laser). Die Entfernungsmessung beruht auf dem Korrelationslaufzeitverfahren.

Robust gegen Umgebungslicht

Eine typische Anforderung an optische Abstandssensoren ist, dass sie weit entfernte und schwach reflektierende Objekte auch bei starkem Umgebungslicht oder hohen Kontrasten sicher erfassen sollen. In der prallen Sonne, unter sehr starkem künstlichem Licht, im Licht von Retroreflektoren oder durch Laserstrahlen anderer Sensoren »sieht« der Sensor Lichtstärken von deutlich über 100.000 lx. Dann gelangt trotz enger Wellenlängenfilter so viel Fremdlicht auf den Detektor, dass das Nutzsignal überstrahlt wird. Ähnliches gilt für das gleichzeitige Erkennen schwach und stark reflektierender Objekte, wie in dem Beispiel mit der schwarzen Hose vor der weißen Wand. Durch integrierte Ausleseschaltungen im Detektor-Array arbeiten die ToF-Sensoren bis zu 200.000 lx Umgebungslicht zuverlässig. Erreicht wird dies durch die pixelweise elektrische Kompensation des Umgebungslicht­signals. Auf diese Weise wird pro Pixel das Nutzsignal sauber herausgefiltert, ohne es im Nachgang weiter prozessieren zu müssen. Die Technik verhindert, dass Pixel mit starken Lichtsignalen benachbarte, schwächer beleuchtete Pixel überstrahlen. So erkennt der Sensor auch das Signal von schwach reflektierende Objekten, die sich direkt neben oder vor einem Retroreflektor befinden.

Fremdlichtunabhängige Multi-Pixel-Messung

Sensoren, die einen größeren Bereich überwachen, müssen eine gewisse Ortsauflösung bereitstellen, um kleinere Objekte zu registrieren oder um mehrere Objekte als separat wahrzunehmen. Eine hohe Anzahl an Pixeln ermöglicht auch das Erkennen von Bewegungen und Gesten anhand des über den Detektor wandernden Si­gnals. Das APD-Array der ToF-Plattform hat eine große aktive Fläche mit 4 x 8 Pixeln, die für das Erkennen von Wischgesten und Objektannäherungen völlig ausreichen. Je nach Sensorva­riante wird der Detektor ganz oder teilweise ausgeleuchtet. Weil das Nutzsignal pixelweise herausgefiltert wird, registriert der Sensor unter allen Lichtverhältnissen kleine, schwach reflektierende Objekte zuverlässig. Mehrere Objekte im Blickfeld werden als voneinander getrennte Punkte registriert und Bewegungen genau erfasst. Nutzt der Messpunkt des Sensors nur einen Teilbereich des Detektors, können Pa­­rallaxefehler korrigiert werden.

Eindeutigkeitsgrenze bei 48 Metern

Viele optische Abstandssensoren für Industrieanwendungen arbeiten bei Entfernungen, die für direkte Laufzeitmessungen zu kurz sind (siehe am Ende des Artikels: Transportroboter: Generationswechsel im Logistikzentrum). Sie verwenden deshalb die Phasenverschiebung des Lichtsignals. Das bedeutet aber, dass das Messergebnis nicht mehr eindeutig ist, wenn die Verschiebung mehr als eine Periode beträgt. Um trotzdem einen breiten Entfernungsbereich mit einem Sensor abzudecken, arbeiten manche Sensoren mit mehreren Modulationsfrequenzen. Die ToF-Plattform bietet bis zu 30 m Reichweite, obwohl sich aus der Modulationsfrequenz von 25 MHz eine theoretische Eindeutigkeitsgrenze von 6 m ergibt. Zwei fast gleichzeitig ausgesandte Lichtsignale mit leicht unterschied­licher Modulationsfrequenz verschieben diese theoretische Grenze auf 48 m.

Integrierte Funktionsüberwachung

Sicherheitsrelevante Anwendungen adressiert die ToF-Plattform mit einer aktiven optischen Selbstüberwachung. Ein Beispiel sind Sensoren, die dafür sorgen, dass Menschen nicht in eine Maschine greifen. Ihre Messung muss immer garantiert funktionieren. Broadcom hat hierzu im Laser-Kompartment ein kleines Pixel integriert, welches aktiv das emittierte Lasersignal überwacht und so die volle Funktionalität des Sensors sicherstellt. Das Pixel ist identisch mit einem Pixel des Detektor Arrays und wird auf die gleiche Weise ausgewertet. Es ist so integriert, dass es das an der Unterseite der Linse reflektierte Licht registriert. Mit diesem Aufbau lässt sich nicht nur feststellen, ob der Laser Licht emittiert, sondern auch, ob die Signalverarbeitung und damit die Abstandsmessung korrekt funktionieren. Davon profitieren neben Sicherheitsanwendungen auch Langzeitmessungen wie die drohnengestützte Inspektion von Bauwerken.

Eine Plattform für verschiedene Anwendungen

Tabelle. Übersicht der ToF-Plattform: Sie besteht aus vier Sensorvarianten zur Entfernungs- und Richtungsbestimmung mit punkförmiger oder flächiger Ausleuchtung.
© Quelle: Broadcom

Tabelle. Übersicht der ToF-Plattform: Sie besteht aus vier Sensorvarianten zur Entfernungs- und Richtungsbestimmung mit punkförmiger oder flächiger Ausleuchtung.

Die neue AFBR-S50 Sensorplattform umfasst (Tabelle) aktuell vier Sensor­varianten. Sie sind etwa einen guten Zentimeter groß und beinhalten in einem Gehäuse Laser mit Treiber, Detektor Array mit integrierter Elektronik und unterschiedliche Linsen. Sie alle beruhen auf demselben APD-CMOS-Chip. Die Lichtquellen sind in­­frarote VCSEL mit 850 nm. Eine Variante mit rotem Licht (680 nm) adressiert Industrieanwendungen, die einen sichtbaren Messpunkt benötigen. Die Linsen sind entsprechend der Anwendung des Sensors gewählt. Der Strombedarf beträgt typisch 30 mA bei 5 V.

Gegeneinander versetzte, hexagonale Pixel erhöhen die Packungsdichte im Vergleich zu rein quadratischen Pixeln.
© Bild: Broadcom

Bild 2. Gegeneinander versetzte, hexagonale Pixel erhöhen die Packungsdichte im Vergleich zu rein quadratischen Pixeln.

Das APD Array besteht aus 32 dicht gepackten, hexagonalen Pixeln (Bild 2).
Dank der hexagonalen Wabenstruktur bringen die gegeneinander versetzten Pixel effektiv die doppelte horizontale Auflösung im Vergleich zu regelmäßig angeordneten, rechteckigen Pixeln. Die Elektronik ist am Chiprand untergebracht und ermöglicht so 100 % Füllfaktor der fotosensitiven Fläche. Die Optiken sind so gewählt, dass die Auflösung pro Pixel 1,5 ° x 1,5 ° beträgt. Das entspricht pro Meter Abstand in etwa 1 Zoll (2,54 cm). Die Bildwiederholrate lässt sich frei parametrieren, um die Reaktionszeit des Sensors anzupassen. Allerdings ist zu beachten, dass sehr hohe Wiederholraten und damit kurze Reaktionszeiten die Qualität der Messung beinträchtigen. Der Sensor gibt die Amplitude, Phasenkorrelation und Zeitstempel der erfassten Lichtsi­gnale aus. Für die weitere Verarbeitung stellt Broadcom Software zur Verfügung, die in vorhandene Mikrocontroller in­­tegriert wird.

Die vier Sensoren unterscheiden sich in der Strahldivergenz des Lasers und dem daraus resultierenden Sichtfeld und genutzten Detektorbereich. Bereits verfügbar ist der AFBR-S50MV85G, der mit 4 ° x 4 ° Divergenz ein bis zu 12 ° x 6 ° großes Sichtfeld abdeckt. Je nach Reflektivität und Abstand des Objekts werden damit 7 bis 16 Detektorpixel ausgeleuchtet. Die Reichweite beträgt für schwarze Objekte maximal 10 m. Bei Abständen kleiner 1 m misst der Sensor auf 1 mm genau und kann so beispielsweise die Bewegung einer Membran erfassen. Entfernungen bis zu 30 m erfasst ein Sensor mit 2 ° x 2 ° Abstrahlwinkel und 2 bis 3 ausgeleuchteten Pixeln. Die 680-nm-Variante mit sehr fokussiertem Strahl (< 1 ° x 1 °) nutzt nur einen Detektorpixel und misst präzise Abstände bis zu 10 m. Stärker in die Breite „blickt“ der Sensor mit 13 ° x 6 ° Strahldivergenz unter Ausnutzung der vollen Detektorfläche. Der Strahl ist rechteckig geformt, sodass er das Sichtfeld des Detektors maximal effizient ausleuchtet.

Zusammenfassung

Eine neue Technologieplattform für ToF-Sensoren adressiert typische Herausforderungen für die optische Abstandsmessung in industriellen Anwendungen. Die hohe Integrationstiefe von Detektor, IC und Lichtquelle ermöglicht kompakte Designs mit hoher Leistungsfähigkeit. Die Leistungssteigerung wird durch die Integration von APD in CMOS erreicht. Die AFBR-S50-Sensorplattform eröffnet für Anwendungen mit geringem Strom- und Platzangebot eine präzise Erfassung der Umgebung. Beispiele sind autonome Transportroboter oder Drohnen. Der erste Sensor ist bereits verfügbar, nun kommt eine Reihe weiterer Varianten auf dem Markt. Auf lange Sicht plant Broadcom, seine Plattform um flexible Lösungen zu ergänzen, die in vielen Parametern kundenspezifisch angepasst werden können.

Der Autor

Sebastian Bauer | Broadcom
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Sebastian Bauer | Broadcom

Sebastian Bauer

ist Marketing Manager bei Broadcom IFPD und im Buisness Development für ToF-Sensoren, NIR SiPM and APDs tätig. Er hat einen Abschluss als Wirtschaftsingenieur und einen Master in Business Administration von der University of Texas in Dallas (UTD). Seit rund sechs Jahren befasst er sich mit Optoelektronik für industrielle und Automobilanwendungen mit Schwerpunkt auf Abstandsmessungen mit LiDAR- oder ToF-Sensoren.

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1. Unabhängig vom Umgebungslicht
2. Anhang 1: Optische Methoden der Entfernungsmessung
3. Anhang 2: Anwendungsbeispiel Transportroboter für Logistikzentren

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