Auf dem Markt befindliche ToF-Systeme müssen bisher immer einen Kompromiss aus Reichweite, großem, aber planarem Sichtfeld oder Rundumblick mit einer sehr eingeschränkten, vertikalen Auflösung eingehen. Jabil Optics hat dieses Problem erkannt und einen neuen Sensor entwickelt, der zugleich ein großes horizontales als auch vertikales Sichtfeld besitzt. Aus der Kombination neu entwickelter optischer Komponenten und einem aktiven Beleuchtungsansatz ist so ein völlig neuer 3D-ToF-Sensor entstanden. Im Gegensatz zu herkömmlichen ToF-Kameras ermöglicht das Sichtfeld des omnidirektionalen Sensors eine nahtlose Erkennung, Klassifizierung und Verfolgung von Objekten im Fahrweg eines Roboters. Die 360°-ToF-Optik eliminiert nahezu sämtliches Streulicht. Die Nutzung von Szeneninformationen zur dynamischen Beleuchtung vermindern zudem Sensorrauschen sowie Interferenzen und verbessern gleichzeitig sowohl Datenqualität als auch Energiemanagement. Besonders herausfordernd bei der Entwicklung waren die komplexen Kalibrierungsalgorithmen, um eine konstant hohe Genauigkeit im gesamten Sichtfeld des Sensors zu erreichen.
Bild: Jabil Optics Germany GmbH 
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ToF-Grenzen der Bildgebung erweitern
Der Sensor liefert in der aktuellen Ausbaustufe in einem horizontalen Sichtfeld von 270° Intensitäts- und 3D-Informationen. Eine Erweiterung des Sichtfelds auf 360° ist möglich und wurde in einem Prototyp bereits getestet. Anstatt wie bisher üblich drei bis vier ToF-Sensoren zu verbauen und deren Bilder zusammenzusetzen, reicht nun ein einzelner Sensor für den Rundumblick. Die 360°-Optik wurde für die Sensorauflösung von 640×480 Pixel entsprechend angepasst. In der vertikalen Richtung sind 60° darstellbar, sodass auch Überhänge, Durchfahrten und die Navigation unter Regalen möglich sind. Aufgrund der hohen Reichweite von mehr als 5m und 30fps werden relevante Hindernisse frühzeitig in die Betrachtungen des Roboters mit einbezogen, was auch bei hohen Geschwindigkeiten eine sichere Navigation ermöglicht.
Als weiteres Alleinstellungsmerkmal wird eine API angeboten, mit dem Anwender ihre eigene Software, Programme und Algorithmen direkt im Sensor ausführen und damit die Datenvorverarbeitung beschleunigen können. Ein entsprechend performanter i.MX8M Quad ARM Cortex-A53 inklusive GPU ist dafür vorhanden. Für die externe Kommunikation stehen 1G Ethernet, USB, WiFi und Bluetooth zur Verfügung. Zur einfachen Sensorintegration wird eine entsprechende ROS-Schnittstelle angeboten, sodass unter anderem Rohbilddaten, vorverarbeitete 3D-Tiefeninformationen, Point-Cloud-, oder SLAM-Daten einfach übertragen und ausgewertet werden können. Zum Ausrichten und Testen des Sensors reicht ein Smartphone, Tablet oder Laptop mit WiFi-Schnittstelle aus, um die 3D-Bilddaten binnen Sekunden ohne weitere Software darzustellen.
Die omnidirektionale Sensorarchitektur wurde unter Berücksichtigung der zugrunde liegenden Technologien modular aufgebaut, sodass eine einfache Adaptierung von Innovationen der bildgebenden Sensoren (iToF, dTOF und SPAD) und der Beleuchtung (LED, VCSEL und kantenemittierender Laser) möglich ist. Darüber hinaus ist die Verwendung der Plattform für NIR und SWIR möglich. Der omnidirektionale Sensor in seiner aktuellen Ausbaustufe stellt somit lediglich eine von vielen Möglichkeiten bei der Implementierung dar.