Ob als Einsatzhelfer bei Großveranstaltungen oder als hochauflösende 3D-Vermesser von Straßenzügen: Intelligente Schwärme aus Flugrobotern eignen sich als universelles Werkzeug für Polizei, Krisenmanager oder Städteplaner. Für einwandfreie Flugmanöver ohne Kollisionen sorgt ein spezieller 3D-Sensor von Fraunhofer-Forschern.
Herzstück der Technologie, die Kollisionen verhindert, ist ein CMOS-Sensor von Fraunhofer-Forschern des Instituts für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS in Duisburg. »Der Sensor kann sehr effizient dreidimensionale Abstände vermessen«, sagt Werner Brockherde, Leiter der Entwicklungsabteilung. Wie bei einer Schwarz-Weiß-Kamera erfasst jeder Bildpunkt auf dem Sensor einen Grauwert. »Obendrein bekommt man zu jedem Pixel aber noch einen Abstandswert«, erklärt Brockherde. Auf diese Weise kann der Flugroboter die Position von anderen Objekten im Raum genau bestimmen.
Gegenüber dem Radar, das mit Hilfe von reflektierten Echos Abstände von Objekten erfasst, bietet der IMS-Abstandssensor erhebliche Vorteile: »Die örtliche Auflösung ist sehr viel höher«, sagt Brockherde. »Ein Radar wäre bei dieser Nahfeldmanövrierung viel zu grob.« Auf eine Entfernung von bis zu 7,5 Metern erkennen die Flugroboter selbst kleinere Objekte von bis zu 20 mal 15 Zentimeter. Zudem werden die Abstandsinformationen mit einer sehr hohen Rate von 12 Bildern pro Sekunde übertragen.
Selbst bei starkem Störlicht, etwa wenn die Sonne direkt blendet, liefert der Sensor präzise Bilder. Dieser arbeitet nach dem Time-of-Flight-Verfahren (TOF). Dabei senden Lichtquellen kurze Impulse aus, die von den Objekten reflektiert und vom Sensor wieder eingefangen werden. Um zu verhindern, dass zu starkes Hintergrundlicht das eigentliche Signal überdeckt, öffnet sich der elektronische Verschluss nur für wenige Nanosekunden. Zudem erfolgt eine Differenzmessung, bei der jeweils eine Aufnahme nur mit Hintergrundlicht und eine zusammen mit dem eigentlichen Signal erfolgen. Die Differenz liefert die Informationen über das gewünschte Signal. »Das alles geschieht in Echtzeit«, sagt Brockherde.
Eingebaut sind die 3D-Abstandssensoren in Kameras der Firma TriDiCam, einer Ausgründung des Fraunhofer IMS. »Für uns bietet dieses Forschungsprojekt neue Herausforderungen in Bezug auf Umgebungsbedingungen und die Sicherheit dieser Sensortechnologie«, sagt Jochen Noell, Geschäftsführer von TriDiCam. Die Entwicklung ist Teil des Projekts AVIGLE, das zu den Gewinnern des Spitzentechnologie-Wettbewerbs »Hightech.NRW« gehört und vom Land Nordrhein-Westfalen und der EU gefördert wird. Am 12. und 13. Juni stellen die IMS-Ingenieure ihre Sensortechnologie beim Fraunhofer CMOS Imaging Workshop in Duisburg vor.
