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Lidar-Modul Direct Time-of-Flight wird auf dem Modul verarbeitet

Von Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter 2 min Lesedauer

Die Integration von 3D-Umgebungserfassung in kompakte Systeme scheiterte bisher oft an der Baugröße oder der hohen Rechenlast für die Rohdatenverarbeitung. Das Modul verlagert die dToF-Auswertung direkt auf den Chip und hochauflösende Sensorik wird auf ressourcenbeschränkten Edge-Controllern möglich.

Mit einem kompakten direkten Time-of-Flight-3D-Lidar-Modul können Roboter ihre Umgebung wahrnehmen.Möglich sind bis zu 100 Bilder pro Sekunde.(Bild: STMikroelectronics)
Mit einem kompakten direkten Time-of-Flight-3D-Lidar-Modul können Roboter ihre Umgebung wahrnehmen.Möglich sind bis zu 100 Bilder pro Sekunde.
(Bild: STMikroelectronics)

Ob autonome Mobile Roboter (AMR), Sturzerkennung in der Altenpflege oder Gestensteuerung bei AR/VR: Die Anforderungen an die räumliche Auflösung von Time-of-Flight-Sensoren (ToF) nehmen zu. Mit dem VL53L9 stellt STMicroelectronics sein erstes Direct-Time-of-Flight- (dToF-)Modul vor, das 2.268 Zonen mit einer Auflösung von 54 x 42 Pixel erfasst. Damit ist der Sensor in der Lage, nicht nur Entfernungen zu messen, sondern detaillierte 3D-Tiefenkarten mit 100 Bildern pro Sekunde zu erstellen.

Die Hardware-Basis

Der technologische Sprung basiert auf der Kombination von STs proprietärer BSI-SPAD-Sensortechnologie mit der Bezeichnung Backside Illuminated Single-Photon Avalanche Diode und optischen Metasurface-Elementen (MOE).

Statt wie bei herkömmlichen Systemen auf mechanische Scanteile oder komplexe Linsensysteme zu setzen, ermöglicht MOE eine kompakte Bauform von 12,8 mm x 6,1 mm x 4,6 mm bei gleichzeitig weitem Sichtfeld von 54° x 42°. Die Flutbeleuchtung (Flood Illumination) minimiert dabei Bewegungsartefakte und eliminiert tote Zonen, was besonders bei der Erkennung kleiner, sich schnell bewegender Objekte in der Robotik entscheidend ist.

Parameter Spezifikation VL53L9
Technologie Direct Time-of-Flight (dToF) mit BSI-SPAD
Auflösung 2.268 Zonen (54 x 42)
Sichtfeld (FoV) 54° x 42°
Messbereich 5 cm bis 9 Meter
Bildrate Bis zu 100 Bilder pro Sekunde (fps)
Schnittstellen MIPI, I3C
Abmessungen 12,8 mm x 6,1 mm x 4,6 mm
Besonderheit Integrierte dToF-Verarbeitung & Power-Management

On-Chip-Verarbeitung entlastet die MCU

Ein Kernproblem bei hochauflösenden 3D-Sensoren ist die Flut an Rohdaten, die das Host-System (oft kleine MCUs) verarbeiten muss. Der VL53L9 integriert die komplette dToF-Verarbeitung sowie das Power-Management direkt auf dem Modul.

  • Edge-KI-Ready: Die ausgegebenen Daten sind bereits so aufbereitet, dass KI-Algorithmen sie ohne massiven Rechenaufwand für Objekterkennung oder SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) nutzen können.
  • Kalibrierungsfrei: Das Modul wird ab Werk kalibriert geliefert, was den Integrationsaufwand in der Serienfertigung massiv reduziert.

Von Sturzerkennung bis Smart Inventory

Die Kombination aus kurzem Nahbereich ab 5 cm und einer Reichweite von bis zu neun Metern eröffnet neue Anwendungswege:

  • Präzise Hindernisvermeidung und Kartierung auch bei schwierigen Lichtverhältnissen.
  • Sturzerkennung in der Altenpflege, die anonymisierte Tiefendaten statt Videobilder nutzt und so die Privatsphäre wahrt.
  • Volumenmessung in Tanks oder Bestandsmanagement in automatisierten Lagern.

Die Verlagerung der komplexen dToF-Berechnungen auf den Sensorchip ermöglicht es Entwicklern, anspruchsvolle 3D-Features auch auf Systemen mit begrenzten Ressourcen, wie STM32-Plattformen, zu implementieren. Die hohe Zonen-Auflösung bei 100 fps setzt zudem einen neuen Standard für die Echtzeit-Wahrnehmung im Miniaturformat. (heh)

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