Neue Wege der 3D-Positionsbestimmung

Machine-Vision-Technologie erkennt Bewegungsrichtung im 3D-Raum

  • Automatisierte Produktionsprozesse lassen sich mit 3D-basierter Machine-Vision-Technologie optimieren.
  • Autonome Gabelstapler können sich kollisionsfrei durch die Warenlager bewegen.

Für die Lagebestimmung von Objekten mittels Machine Vision waren bislang zweidimensionale Verfahren Standard. Neue dreidimensionale Technologien ermöglichen nun eine noch präzisere Ortung sowie die exakte Bestimmung der Bewegungsrichtung im Raum. Davon profitieren verschiedenste industrielle Prozesse wie etwa die Interaktion zwischen Menschen und Robotern.

Systeme der industriellen Bildverarbeitung (Machine Vision) leisten wertvolle Dienste in zahlreichen Produktionsprozessen: Unterschiedlichste Objekte lassen sich eindeutig erkennen und zuordnen. Dies automatisiert insbesondere auch die Qualitätssicherung, indem Oberflächen von gefertigten Bauteilen mittels bildverarbeitender Verfahren präzise inspiziert, fehlerhafte Produkte identifiziert und automatisch aussortiert werden können. Auch die Vollständigkeit von Objekten lässt sich zuverlässig prüfen, was die Prozesse rund um Endkontrolle und Verpackung optimiert.
Dabei überzeugt Machine Vision durch besonders zuverlässige Erkennungsraten. Dank der Identifikation anhand optischer Merkmale wird eine hohe Genauigkeit erreicht. Zudem können diese Technologien mit einer sehr hohen Geschwindigkeit umgesetzt werden. Die Algorithmen benötigen nur Millisekunden für die Verarbeitung von Bildinformationen und ermöglichen dadurch Echtzeit-Anwendungen. Dadurch können große Stückzahlen schnell und automatisiert geprüft werden. Dies beschleunigt die Produktions- und Qualitätssicherungsprozesse erheblich und trägt so zu mehr Produktivität sowie zu Kostensenkungen bei. Und nicht zuletzt spielt die industrielle Bildverarbeitung ihre Vorteile in puncto Flexibilität aus, denn es lassen sich sowohl verschiedenste Objekte inspizieren als auch unterschiedliche Bildeinzugsgeräte wie Kameras, Scanner und Sensoren einsetzen, um die digitalen Bildinformationen aufzunehmen.

Die Lage von Objekten exakt bestimmen
Eine besondere Bedeutung erlangen Bildverarbeitungstechnologien bei der exakten Positionsbestimmung von Objekten. Beispielsweise können Bauteile präzise ausgerichtet und damit sicher und fehlerfrei bearbeitet oder verbaut werden. Auch sich bewegende Gegenstände lassen sich lokalisieren und verfolgen. Mit Standard-Software gelang dies bisher jedoch ausschließlich im zweidimensionalen Raum, etwa für die kontinuierliche Ortung von Produkten auf einem horizontalen Fließband.

Die dreidimensionale Positionsbestimmung von Objekten war mit Standardverfahren hingegen nicht möglich, was die Einsatzmöglichkeiten insbesondere in automatisierten Produktionsszenarien stark einschränkte. So können beispielsweise die Bewegungsabläufe von Robotern, die dreidimensional im Raum agieren, nicht mittels zweidimensionalen Machine-Vision-Verfahren koordiniert werden.
Abhilfe schafft eine neue Technologie, die mit dreidimensionalen Bildinformationen arbeitet. Während im 2D-Bereich lediglich eine Kamera digitale Bilddaten liefert, nutzt das aktuelle 3D-Verfahren einen sogenannten Mehrbild-Kameraaufbau. Hierbei nehmen mehrere Bildeinzugsgeräte aus unterschiedlichen Perspektiven Bilder auf. Die Machine-Vision-Software verarbeitet diese Daten und erstellt aus der Bildsequenz quasi ein Bewegungsprofil des betreffenden Objekts in Echtzeit. Dabei werden die genaue Position und die Bewegungsrichtung im dreidimensionalen Raum sowie die Geschwindigkeit ermittelt. Diese Funktionalität ist nun erstmals in einer Standard-Software erhältlich. MVTec hat das Verfahren mit Namen „3D Scene Flow“ in die Version 12 seiner Machine-Vision-Software Halcon integriert.

Optimierung automatisierter Produktionsprozesse
Wie lässt sich nun die 3D-Technologie in der Praxis einsetzen? Einer der wichtigsten Anwendungsfälle ist die Optimierung von automatisierten Produktionsprozessen. Fertigungsroboter, beispielsweise in der Automobilindustrie, operieren in der Regel in einem dreidimensionalen Aktionsradius. Dabei besteht stets das Risiko einer Gefährdung von Mitarbeitern. Um dem entgegenzuwirken, stoppen Lichtschranken sofort die Maschine, sobald ein Mensch eine abgegrenzte Zone betritt. Die Folge ist meist ein längerer Produktionsstillstand, der hohe Kosten nach sich zieht.
Mit dem neuen, 3D-basierten Machine-Vision-Verfahren kann dieses Szenario optimiert und damit die Sicherheit in der Zusammenarbeit von Mensch und Maschine deutlich erhöht werden. Mehrere Kameras überwachen den gesamten Arbeitsbereich. Tritt ein Mensch in den Aktionsradius des Roboters, erkennt die Bildverarbeitungs-Software durch die Sequenz mehrerer Bilder aus unterschiedlichen Blickwinkeln die genaue Bewegungsrichtung und die Geschwindigkeit der Person. Dadurch lässt sich eine eventuelle Kollision präzise voraussagen. Der Roboter wird nur dann angehalten, wenn solch ein Zusammentreffen unausweichlich ist. Dadurch sinkt die Häufigkeit teurer Maschinenstopps und Produktionsunterbrechungen, was deutlich Kosten einspart.
Auch beim Einsatz mobiler Roboter hilft die 3D-Technologie. Hier überwacht sie mittels mehrerer Kameras zuverlässig die Bewegungsrichtung von Robotern und Menschen in der Produktionshalle und stellt damit eine sichere und flüssige Interaktion zwischen allen Akteuren sicher.

Sichere Steuerung autonomer Fahrzeuge
Nicht nur in Industrieunternehmen, sondern auch im Handel spielt die Technologie ihre Vorteile aus. Selbstfahrende Gabelstapler und Hebezeuge können sich dank „3D Scene Flow“ sicher und kollisionsfrei durch das automatisierte Warenlager bewegen. Hierfür sorgen Kameras, die an verschiedenen Stellen installiert sind und mittels entsprechender Machine-Vision-Software die Bewegungsrichtung von autonomen Fahrzeugen und Personen bestimmen. Im Gegensatz zu einfachen Sensoren oder Lichtschranken ist die 3D-basierte Technologie in der Lage, eine mögliche Kollision zweier Objekte rein aus der Bewegungsrichtung zu erkennen. In diesem Fall können selbstfahrende Gabelstapler eigenständig ausweichen.
Schließlich profitieren auch die Automobilindustrie und deren Kunden von dem 3D-Verfahren. Dieses kommt beispielsweise in automatischen Fahrassistenzsystemen zum Einsatz. Hierbei nehmen Kameras, die an der Stoßstange befestigt sind, dreidimensionale Bilddaten auf. Mittels dieser kann das Assistenzsystem die Fahrzeuge optimal in der Spur halten. Zudem werden Hindernisse auf der Straße und entgegenkommende Pkw zuverlässig erkannt. Dies vermeidet gefährliche Zusammenstöße und erhöht die Sicherheit im Straßenverkehr.

Fazit
3D-basierte Bildverarbeitungs-Technologien lassen sich heute vielfältig einsetzen, um die Bewegungsrichtung und die Geschwindigkeit von Objekten im dreidimensionalen Raum zuverlässig zu bestimmen. Dies optimiert die Interaktion zwischen Mensch und Maschine und erhöht damit nicht nur die Sicherheit in automatisierten Produktionsszenarien. Auch autonome Fahrzeuge in Handel und Logistik bewegen sich damit sicherer durch das Warenlager. Und nicht zuletzt optimieren 3D-basierte Machine-Vision-Funktionalitäten Fahrassistenzsysteme und ebnen so den Weg hin zum selbstfahrenden Auto.

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