Embedded-Module Wie ein Embedded-Modul das Ausleuchten kritischer Straßenbereiche unterstützt

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Jährlich kommt es etwa an Fußgängerüberwegen zu Tausenden Unfällen. Es gilt, die Sicherheit zu erhöhen und gleichzeitig Energiekosten und Lichtverschmutzung zu vermeiden. TQs Modul TQMa67xxL meistert dies und weitere Smart-City-Anwendungen.

Zebrastreifen und andere kritische Straßenbereiche stellen Kommunen und Infrastrukturanbieter vor große Herausforderungen. Es gilt, insbesonders bei Dunkelheit oder schlechtem Wetter die Sicherheit zu erhöhen und gleichzeitig Dauerbeleuchtung im Hinblick auf hohe Energiekosten und Lichtverschmutzung zu vermeiden. Gefragt sind deshalb Lösungen, die Licht nur dann bereitstellen, wenn es wirklich gebraucht wird.

Beleuchtungssysteme mit integrierter Kameraauswertung, Bewegungsanalyse und KI-gestützter Objektklassifizierung ermöglichen genau das. Mit dem TQMa67xxL bietet TQ ein Embedded Modul an, das mit leistungsstarker Bildverarbeitung, KI-Unterstützung und flexiblen Schnittstellen nicht nur die Beleuchtung an Zebrastreifen intelligent steuert, sondern auch zahlreiche weitere Smart-City-Anwendungen wie intelligente Ampeln oder Verkehrsflussanalysen realisiert.

Eine smarte Warnbeleuchtung muss anspruchsvollen Umweltbedienungen genügen, und auch die Baugröße sollte möglichst kompakt sein. Da die Verkehrsteilnehmer aus allen vier Himmelsrichtungen auf einen Übergang zustreben, sind zudem mehrere Kameraeingänge – mindestens vier – notwendig, um die Umgebungssituation vollständig zu erfassen. Die so ankommenden Bilddatenströme müssen in Echtzeit aufbereitet und ausgewertet werden, damit sie die Beleuchtungselemente entsprechend steuern können. Für Verkehrsplaner kann es zudem hilfreich sein, wenn der smarte Zebrastreifen auch die entsprechenden statistischen Daten ermittelt. Im Hinblick auf den Datenschutz ist es wünschenswert, wenn die Bildverarbeitung ohne Speicherung oder Datenübertragung erfolgt.

Performance dank TIs CPU-Familie AM67x

Ein anspruchsvolles Aufgabenprofil für das neue, einlötbare Prozessormodul TQMa67xxL unter Verwendung des AM67x-Prozessors von Texas Instruments. Die skalierbare AM67x-Prozessorfamilie enthält bis zu vier Arm Cortex -A53-Cores (64 Bit), einen Vision Pre-Processing Accelerator (VPAC) mit Image Signal Processor (ISP) und mehreren Vision Assist Accelerators, Deep Learning (DL), Dense Optical Flow (DOF) Video- und 3D-Grafikbeschleuniger, einen Cortex-R5F MCU-Insel-Core und zwei Cortex-R5F- Cores für das Geräte- und Laufzeitmanagement.)

Der VPAC bietet grundlegende Bildverarbeitungsfunktionen, darunter Farbverbesserung, Rauschfilterung, Wide-Dynamic-Range (WDR)-Verarbeitung, Korrektur von Linsenverzerrungen, De-Warping, Bildskalierung in Echtzeit und die Erzeugung von Bildpyramiden. Somit übernimmt der VPAC spezielle Pixelverarbeitungsaufgaben und entlastet die Haupt-Cores spürbar.

Das TQMa67xxL-Modul bietet all diese Funktionen und erweitert den Prozessor mit entscheidenden Komponenten wie Speicher und Power-Management zu einem lauffähigen System. Damit stehen an Speicher bis zu 8 GB LPDDR4, bis zu 256 MB NOR-Flash, bis zu 256 GB 3D NAND eMMC und 0/64-kbit EEPROM zur Verfügung. Alle Schnittstellen des Prozessors werden auch herausgeführt.

So verarbeitet die siebte Generation der TI ISPs ein breites Spektrum an Sensoren, einschließlich RGB-Infrarot (RGB-IR) und unterstützt größere Bit-Tiefen (12-Bit RGB- IR und bis zu 16-Bit Input RAW-Format) und Funktionen für Analyseanwendungen. Damit steht dem Einsatz in der Nacht, zur Dämmerung und am Tag nichts im Weg. Mit vier MIPI-CSI-2.0-Schnittstellen (v1.3 Compliant) finden ausreichend Kameras Anschluss, um auch die kompliziertesten Fußgängerübergänge zu erfassen. Hier punktet besonders der integrierte Depth and Motion Perception Accelerator (DMPAC), ein energieeffizienter Hardwarebeschleuniger zur Tiefenberechnung mittels Stereo-Bild-Auswertung und optischen Flussvektoren (Bewegung).

3D-Tiefe mit optischem Flussvektor

Eine sehr robuste Methode zur Gewinnung der 3D-Tiefe aus Bildern ist die Verwendung von zwei Kameras in einem Stereo-Setup. Anhand der beiden Bilder einer gleichen Szene, die aus zwei verschiedenen Kamerapositionen aufgenommen wurden, lassen sich Unterschiede zwischen den einzelnen Pixelpositionen in den Bildern finden. Die Disparitätswerte jedes Pixels eignen sich, um die 3D-Positionen des Objekts/Raums, zu dem sie gehören, durch Triangulation zu bestimmen.

Andererseits zeigt die Analyse von zwei Bildern einer einzelnen Kamera, die zu zwei verschiedenen Zeitpunkten aufgenommen wurden, wohin sich jeder Pixel in den Frames bewegt hat. So lässt sich beispielsweise erkennen, ob ein Fußgänger sich dem Zebrastreifen nähert oder an ihm vorbeigeht. Abgerundet wird das Vision-Paket mit zwei integrierten C7x-DSPs mit Skalar- und Vektorkernen, ein dedizierter MMA-Beschleuniger für Deep Learning in Kombination mit einem großen 2,25-MB-L2-Speicher, der eine Leistung von bis zu 4 TOPS ermöglicht.

Zukunftssicher dank Erweiterungspotenzial

Ebenso bietet der AM67x Hochgeschwindigkeits-IOs, darunter PCIe Gen3 (eine Lane) und einen 3-Port-Gigabit-Ethernet-Switch mit einem internen Port und zwei externen Ports mit TSN-Unterstützung.

Mit diesen Funktionen ist das Modul auch bestens für künftigen Kommunikationsbedarf in Smart Citys geeignet: Von der Ermittlung der Verkehrsdichte bis hin zur Bedarfserkennung einer Straßenreinigung / Schneeräumung, oder sogar direkter Kommunikation mit Kraftfahrzeugen (V2X). Auch zusätzliche Unterstützungsfunktionen für Sehbehinderte sind denkbar. Für all diese Erweiterungsherausforderungen bietet der TQMa67xxL einen umfangreichen Satz an Peripherie-Funktionen wie USB, MMC/SD, OSPI, CAN-FD und GPMC für parallele Host-Schnittstellen zu einem externen ASIC/FPGA.

Bis zu 140 GPIOs geben den Entwicklern viel Freiheit bei der Realisierung der Matrix-LED-Steuereinheit. Alternativ können auch bis zu 2 x SDIO, 6 x I²C, 5 x SPI, 1 x OSPI oder 3 x PWM zum Einsatz kommen. Wenn auch nicht für den laufenden Betrieb erforderlich, so sind Display-Ausgänge für die Einrichtung/Einmessung des Zebrastreifens eine hilfreiche Funktion. So stehen 1 x LVDS, 1 x RGB (24 Bit) und 1 x DSI zur Verfügung, unterstützt von einer 3D-GPU.

Das TQMa67xxL-Modul unterstützt auch Secure Boot für IP-Schutz mit dem eingebauten HSM (Hardware Security Module). Für einen noch weiter erhöhten Security-Bedarf lässt sich das Secure Element SE050 zusätzlich bestücken. Mit Abmessungen von 44 mm x 44 mm, einer Verlustleistung von 3 bis 5 Watt und einem Standard-Temperaturbereich von -25 °C bis 85 °C bzw. im erweiterten Temperaturbereich von -40 °C bis 85 °C bietet das Modul die perfekte Antwort auf die hier anspruchsvollen Einbau- und Umweltsituationen. Als einlötbares Modul ist das TQMa67xxL unempfindlich gegen Vibrationen durch den (Schwerlast-)Verkehr.

Sicher an Fußgängerüberwegen

Das TQMa67xxL ist somit eine ideale Plattform für smarte Licht- und Verkehrslösungen, die mehr Sicherheit und Effizienz versprechen. Mit leistungsstarker Bildverarbeitung, KI-Unterstützung und flexiblen Schnittstellen lässt sich nicht nur die Beleuchtung an Zebrastreifen intelligent steuern, sondern auch eine Vielzahl weiterer Smart-City-Anwendungen realisieren wie intelligente Ampeln oder Verkehrsflussanalysen. So entsteht eine moderne Infrastruktur, die den Verkehrsfluss verbessert und Unfallzahlen nachhaltig reduziert.  (mk)

* Andreas Willig ist Produktmanager bei der TQ-Group im Geschäftsbereich TQ-Embedded.

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