Dreieinhalb Jahre lang wurde im Rahmen des Europäischen Verbundforschungsprojektes TACO an der Entwicklung eines neuartigen 3D-Kamerasystems gearbeitet, das Roboter befähigen soll, anspruchsvollere Aufgaben zu übernehmen.

Farben und Helligkeiten zu unterscheiden, Entfernungen einzuschätzen, Gegenstände und Bewegungensekundenschnell dreidimensional zu erkennen: Was Dank unserer Augen und unseres Gehirns für uns Menschen ein Leichtes ist, bedeutet für Maschinen eine große Herausforderung.

Bisher ist es nur in Ansäten gelungen, Roboter zu entwickeln, die anspruchsvolle Aufgaben wie beispielsweise Reinigung, Bau, Wartung, Sicherheit oder persönlicher Betreuung übernehmen könnten. Die Gründe hierfür sind, dass es den Robotern entweder an in Echtzeit aufgelösten räumlichen Informationen oder der notwendigen Schärfe mangelt oder die Fülle der erfassten Bildinformationen zu groß ist, um schnell genug verarbeitet und in Handlungen umgesetzt werden zu können.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS haben jetzt eine auf Fertigungsmethoden der Mikrosystemtechnik aufbauende extrem kompakte Scantechnologie (›LinScan‹) für ›time of flight‹ (ToF)-Entfernungsmesssysteme entwickelt, die eine dreidimensionale Bildaufnahme mit flexibler Abtastgeschwindigkeit und somit ein Scannen mit angepasster Auflösung ermöglicht.

Geringere Datenmengen dank LinScan-Technologie

Mit LinScan ausgestattete 3D-Kamerasysteme könnten Roboter zukünftiger Generationen dazu befähigen, ihr Umfeld nach im Sichtfeld auftauchenden Objekten grob abzusuchen und lediglich die gesuchten Objekte mit größerer Genauigkeit aufzulösen. Der Roboter hätte es mit vergleichsweise geringen Datenmengen zu tun und wäre dennoch in der Lage, ein besseres Verständnis seiner Umgebung zu gewinnen, um mit alltäglichen Objekten und unserer Umwelt interagieren zu können.

Voraussetzung für eine Umsetzung dieses so genannten Prinzips der Foveation ist allerdings, dass der Roboter weiß, wonach er suchen soll, und dass er auch in der Lage ist, die gesuchten Objekte sekundenschnell zu erkennen und zu interpretieren. Neben der Hardware (Auge) benötigt er dazu entsprechende Bildanalyse-Software-Algorithmen (Gehirn). Außerdem sollte der Roboter auch mit Bildsensoren und -Software für dreidimensionales Sehen ausgestattet sein, um ein räumliches Verständnis seiner Umwelt zu gewinnen und so Objekte präzise ansteuern zu können.

TACO - Three dimensional Adaptive Camera with Object Detection and Foveation

Um all diesen Anforderungen gerecht zu werden, arbeitete das Fraunhofer IPMS im Rahmen des Europäischen Verbundforschungsprojektes TACO mit vier weiteren Forschungseinrichtungen und zwei Industrieunternehmen gemeinsam an der Entwicklung eines neuartigen adaptiven 3D-Kamerasystems.

Herzstück des Systems ist ein optischer Scankopf mit fünf synchron betriebenen LinScan-Spiegeln des Fraunhofer IPMS. Das MEMS-Scannerarray gewährleistet die erforderliche Empfangsapertur des TOF-Entfernungsmesssystems von effektiv 5 mm und wurde für ein adaptives 3D-Kamerasystem mit mindestens 40° x 60° optischem Scanbereich, 1 MVoxel/s Messrate des TOF-Entfernungsmesssystems und 3 mm Messunsicherheit bei 7,5 m Messentfernung ausgelegt.

Der quasistatische Antrieb der Mikroscanner ermöglicht einen zeilenweisen Bildaufbau mit variabler Bildwiederholrate von <1 - 100 Hz, wobei im relevanten Bildbereich die vertikale Messpunktdichte durch Verringerung der Scangeschwindigkeit lokal erhöht werden kann.
Die horizontale Bildaufnahme mittels des kardanisch gelagerten 1,6 kHz resonanten Mikrospiegels gewährleistet im Vergleich zu einem 2D-quasistatischen Antrieb eine größere Empfangsapertur und somit höhere Auflösung der TOF-Entfernungsmessung bei gleichzeitig großem optischen Scanwinkel von bis zu 80°.

Das TACO-Projekt wurde kürzlich mit der Entwicklung eines voll funktionsfähigen Komplettsystems abgeschlossen. Dieser Prototyp wird am Messestand des Fraunhofer IPMS Nummer 4407 auf der Fachmesse Photonics West erstmals dem Fachpublikum vorgestellt.