Mit Bildsensormodulen kann visuelle Sensorik einfach und kundenspezifisch in Maschinen und Geräte integriert werden. Dadurch bekommen sie quasi Augen und können sehen. Entwickler von beispielsweise Robotern oder Drohnen profitieren von den kleinen Vision-Elementen in ihren Designs, denn so sparen sie sowohl Entwicklungszeit als auch Ressourcen.

Bei Geräten und Maschinen mit integrierter Bildverarbeitung handelt es sich meist um kundenspezifische Lösungen, die häufig von Vertragsherstellern oder OEMs hergestellt werden. Um Entwicklungszyklen kurz zu halten und schnell auf den Markt zu kommen, spielen sie eine entscheidende Rolle. Ein Markteintritt einige Wochen früher kann den Unterschied ausmachen, ob man einen Markt gewinnt oder zumindest einen guten Vorsprung gegenüber dem Wettbewerb einfährt. Bildverarbeitung auf Basis von kleinen, kompakten und spezifisch entwickelten Sensormodulen können daher einen Vorteil bieten. Für Sensormodule werden am Markt verfügbare Sensoren auf einer Leiterplatte mit den notwendigen Schaltkreisen und einem standardisierten Stecker platziert. So kann der Sensor schnell in Betrieb genommen und direkt in ihrer Zielumgebung evaluiert werden. In vielen Fällen sind die Module bereits mit einer Objektivfassung und einem verstellbaren Objektiv ausgestattet. Damit eröffnet sich gerade im Consumer-Bereich die Möglichkeit, existierende Lösung vergleichsweise einfach durch Bildverarbeitungstechnologien zu erweitern und damit neu zu erfinden. Mit einem geringen Platzbedarf ermöglichen Sensormodule die Rohdatenerfassung und sind durch ihre native MIPI-CSI2-Schnittstelle direkt mit Mikroprozessoren, ISPs, GPUs und AI Engines einer großen Bandbreite integrierter Prozessorsystemen (SoCs) wie Nvidia Jetson, NXP i.MX oder Qualcomm Snapdragon kompatibel. Für Vision-Ingenieure und -Entwickler verkürzen diese Module die Time-to-Market und optimieren die Ressourcen vom Prototyping über das Testing bis hin zur Serienproduktion.

Sensormodule und Adapter

Framos hat diesen modularen Ansatz jetzt professionalisiert. Neben einsatzfertigen Sensormodulen bietet die Embedded-Vision-Produktreihe standardisierte Steckverbinder vom Sensormodul bis hin zu einer Vielzahl an Processing-Boards. Mit diesen passenden Konnektoren können Prozessorkarten einfach konfiguriert werden, um praktisch jedes Sensormodul zu unterstützen.
„Unsere Modulreihe basiert auf einer sehr flexiblen Plattform, die die Fähigkeiten und Funktionalitäten bietet, um nicht nur den Sensor, sondern auch seine Leistung auf verschiedenen Processing-Boards zu bewerten. Auch wenn ein Kunde mitten im Projekt den Prozessor wechseln muss, wirkt sich dies nur in einem zusätzlichen Adapter aus. Zeitraubendes Prototyping, um neue oder alternative Sensoren mit einer oder mehreren Plattformen zu testen, entfällt. Alle bisherigen Evaluierungen und Tests bleiben unberührt durch die gleichbleibende Sensorschnittstelle. Jede Komponente ist austauschbar, wodurch die Entwicklung sehr flexibel bleibt und eine ausgezeichnete Referenz für die finale Produktion darstellt“, so André Brela, Produktmanager bei Framos. Laut André Brela bieten diese Produkte die Werkzeuge, die Vision-Entwickler und Ingenieure benötigen, um schnell zu einem funktionierenden Proof of Concept zu gelangen und mit den bereitgestellten Schaltplänen und Board-Designs ihr Endprodukt zu entwickeln.

Beschleunigte Produktentwicklung

Phase 1: Proof of Concept

Eine Produktentwicklung besteht im Wesentlichen aus fünf Phasen. Phase Eins ist der Proof of Concept. Hier wird die Produktidee geprüft, um herauszufinden, ob diese für das angedachte Endprodukt umsetzbar ist. Neben der Prüfung der Funktion des Gesamtkonzeptes stellen die Ingenieure damit sicher, dass die ausgewählten Komponenten für das System geeignet sind. Aus Sicht des Bildverarbeitungs-Subsystems bedeutet dies, die Bilddatenerfassung mit der erforderlichen Qualität und Geschwindigkeiten zu gewährleisten, die Bilddaten im Prozessor nutzbar zu machen und dort Anforderungsgerecht zu verarbeiten, um die für die Applikation notwendigen Ergebnisse zeitgerecht zu liefern. In dieser Phase helfen den Ingenieuren Sensormodule, um aus einer Reihe von Sensoren und Processing-Plattformen eine schnelle und kompromisslose Lösung zu finden. Es ist „wie der Kauf eines Bausatzes und seine Inbetriebnahme“, so Chris Baldwin, Technical Service Manager bei Framos. „Ingenieure können etwa fünf Module, ein paar Adapterkarten und einen Prozessor kaufen, um zu sehen, welche Kombination am besten passt“, fährt er fort. „Sie können nicht nur aus verschiedenen Optionen wählen, sie können auch verschiedene Sensoren und Prozessoren gleichzeitig testen“. Grundsätzlich ist es möglich, zwei Systeme mit unterschiedlichen Processing-Leveln auf derselben Basisplattform parallel zu entwickeln. Die Sensormodule können dabei auch als Evaluation-Kits verwendet werden. Sie eignen sich sogar besser, da sie näher am Endprodukt liegen. Software-Entwickler können mit einem kompletten Kit arbeiten und mit der Entwicklung der Applikation beginnen, während das Hardware-Team parallel an dem endgültigen Hardware-Design arbeitet.  
Aus technischer Sicht können Ingenieure die Produktreihe nutzen, um Zugang zu den kompletten Rohbilddaten zu erhalten, und das gesamte System auf ihre individuellen Anforderungen auszulegen. Dadurch eignen sich Sensormodule besser für die Validierung und das Testing als dies zum Beispiel komplexe und sehr restriktive Kameramodule tun. Durch die hohe Variantenvielfalt können Ingenieure mehrere Versionen, mehrere Preisniveaus sowie verschiedene Produkt-Optionen in einer kontrollierten und bekannten Entwicklungsumgebung bewerten, erste Bilder sind in wenigen Minuten verfügbar. Sie können von Open-Source-Software wie Linux oder Open CV profitieren, die von einer großen Support-Community unterstützt wird. Für einen gründlichen Start ist „known good Hardware“ der Schlüssel, den Proof of Concept einfach, schnell und erfolgreich zu gestalten.

Phase 2: Prototyping

In der zweiten Phase, dem Prototyping, machen Sensormodule aus der Evaluierungsplattform einen veritablen Testaufbau, der als Arbeitsreferenz beim Debuggen neuer Hard- und Software hilft. Die Prototypen müssen als erste Muster des Endprodukts über alle erforderlichen Funktionen verfügen, einschließlich aller ISPs/FPGAs und/oder Mikrocontroller, die die endgültige Software ausführen. Die Sensormodule geben Ingenieuren ein gutes Beispiel, wie eine eigene Hardware und eine Schnittstelle zum Sensor erstellt, sowie gleichzeitig ein einfaches Testing sichergestellt wird.
Da die Sensormodule mit bewährter Hardware ausgestattet sind, lässt sich die Frage „Ist es ein Hardware- oder Software-Fehler?“ leicht beantworten. Die Ingenieure können sich auf solide Komponenten verlassen, um die Ursache möglicher Probleme zu finden.
Das Ausprobieren verschiedener Kombinationen von Sensoren und Processing-Boards ist so einfach wie das Zusammenklicken der Boards. Daher dominiert die Sensorauswahl nicht mehr die Entwicklung, sondern birgt Freiheit und Flexibilität. Der modulare Ansatz der Framos-Produktreihe gleicht dem Bauen mit Lego und ermöglicht eine homogene Entwicklung. Um das Design sicher zu validieren, ist es nicht mehr notwendig, mehrere Prototyp-Boards zu bauen. Mit der Nutzung eines bereits vorhandenen Designs für die Prototypen und das Endprodukt entfallen bisher notwendige Anpassungen, um Fehler im Originalbauteil zu korrigieren.

Phase 3: Pilot-Produktion

Nach erfolgreichem Abschluss des Prototypings beginnt die dritte Phase, die Pilotproduktion. Auch in dieser Phase bieten Sensormodule wieder die Möglichkeit, sich auf standardisierte modulare Hardware zu verlassen. Der erste Produktionslauf ist in der Regel der beunruhigendste. Mit Hilfe von Sensormodulen können die Fertigungsingenieure sicherstellen, dass es bei den ersten Produktchargen keine Probleme mit der Auftragsfertigung (Contract Manufacturing, CM) gibt, was effektiv zu einer 100-prozentigen Ausbeute führt. Für ein Unternehmen ermöglicht dies eine schnelle Reaktion auf spontane Vertriebsanforderungen oder die schnelle Erstellung verschiedener Modelle für verschiedene Zielgruppen.
"Der 120-Pin-Stecker ermöglicht es, gleichzeitig verschiedene Versionen eines Produkts zu bauen. Der Sensor kann bei Bedarf einfach ausgewechselt werden.“ Chris Baldwin, Technical Service Manager
Die Verwendung von Hardware, die leicht miteinander verbunden werden kann, macht den Herstellungsprozess einfacher und zuverlässiger. Der Einsatz von Standardprodukten bedeutet, dass die Lagerbestände niedriger gehalten werden können, was besonders wichtig ist, wenn die Produkte über mehrere Bauoptionen, den Einsatz unterschiedlicher Sensoren und Sensortechnologien sowie sehr lange Lieferzeiten verfügen. Wareneingangstest und die Qualitätssicherung können ebenfalls auf Teile der Produktreihe zurückgreifen, um neu gebaute Komponenten von Auftragsfertigern zu testen und deren Funktionsfähigkeit und Einhaltung von Spezifikationen zu bestätigen. Mithilfe der Framos-Embedded Vision-Produktreihe können während der Pilot-Produktion weitere Test-Suiten und -Versionen erstellt werden, während bereits die ersten Designs beim Auftragsfertiger vom Band laufen. Dies verringert die Zeitspanne bis zur Markteinführung weiter.

Phase 4: Serienproduktion

Die Serienproduktion ist Phase Vier und profitiert von Sensormodulen durch geringere Stückkosten und einen verbesserten Cashflow. Kunden mit kleineren Stückzahlen (<10.000 Stück) können durch die in großen Mengen und damit kostengünstig hergestellten Module günstige Einkaufspreise erzielen und sparen gleichzeitig durch weniger komplexe Herstellungsprozesse sowie durch einfachere Wareneingangskontrollen. In jedem Unternehmen, aber vor allem bei kleineren, ist der Cashflow eine wichtige Kennzahl. Die Verwendung von Sensormodulen, die abrufbereit bei einem Lieferanten im Regal liegen, minimiert die ansonsten notwendige Lagerhaltung von Komponenten zur Abdeckung der üblichen Lieferzeiten. Gleichzeitig bieten sie Schutz vor Überbeständen, falls das neue Produkt einen längeren Akzeptanzzyklus auf dem Markt hat.
Die Serienproduktion ist der denkbar schlechteste Zeitpunkt, an dem noch Qualitätsprobleme auftreten sollten. Unternehmen, die von der Fertigung geringer Stückzahlen zur Großserienfertigung übergehen, sehen sich oft mit unvorhergesehenen Problemen konfrontiert. Etwa wenn sie den Auftragsfertiger wechseln, der sich dann möglicherweise in einem fremden Land befindet oder weniger qualifizierte Arbeitskräfte vorhält. Module bieten einen robusten und kostengünstigen Ansatz, um diese Probleme zu entschärfen. Gleichzeitig können sie die Stückkosten zum Volumen skalieren und die Auswirkungen von unvorhergesehenen Änderungen innerhalb der Lieferkette minimieren.

Phase 5: Einfaches Update zur nächsten Generation

Die Vorteile von Sensormodulen enden nicht, wenn das Produkt entwickelt und auf den Markt gebracht ist. In Phase fünf geht es um Innovation und einen schnellen Weg, um die nächste Produkt-Generation auf den Weg zu bringen. Mit einem tiefen Verständnis der im Einsatz befindlichen Produktreihe können Ingenieure neue Komponenten wie verschiedene Sensoren oder Prozessoren betrachten, um die bestehenden Produkte weiter auszubauen. Neue Komponenten können schnell in bestehende Produkte einfügt werden, welche dies nativ unterstützen. Die Entwickler können sofort sehen, wie es funktioniert. Die Vertrautheit mit der Produktreihe macht den neuen Proof of Concept schnell und ermöglicht die sofortige Entwicklung von Next-Gen-Produkten, welche den Wettbewerb weiter verdrängen, da die neuen Folgeprodukte schneller auf den Markt kommen. Der modulare Aufbau der Embedded-Vision-Produktreihe von Framos ermöglicht inkrementelle Technologieschritte, da diese Basisplattform einen einfachen Austausch von Sensoren und Prozessoren ermöglicht. Dieser Ansatz ermöglicht R&D-Entscheidungen, die einfacher und mit weniger Risiko gefällt werden können, um Produktinnovationen auf den Weg zu bringen.

Merkmale für die Auswahl des richtigen Moduls

Das passende Modul stellt immer das Match zwischen den Eigenschaften des Sensors und den Anforderungen der Applikation dar. Parameter wie die Auflösung, Verschlussart, das optische Format, und Pixelgröße sind dabei entscheidend. Ingenieure können dabei aus einer breiten Palette von verfügbaren Sensormodulen mit Sensoren verschiedener Hersteller wählen. Auch die Spezifika der Sensorschnittstelle wie Taktfrequenz, Spannung und Datenformat sowie mechanische und umgebungsbedingte Spezifikationen wie Objektivfassung, Größe oder Betriebstemperaturbereich helfen bei der Auswahl des richtigen Modells, welches die Leistung des Vision-Systems maximiert.
Zusätzlich reduzieren die bereitgestellten Referenztreiber mit Source Code den Aufwand für die Produktentwicklung erheblich. Software-Ingenieure bekommen eine solide Basis an die Hand durch die ein schneller Einstieg gewährleistet ist und welche um eigene Funktionalität erweitert und optimiert werden können um in kürzester Zeit eine auf das Gesamtsystem maßgeschneiderte Lösung zu entwickeln.
Datenblätter sind dabei die wichtigste Informationsquelle eines Hardware-Ingenieurs für die Integration der Modul-Komponenten. Sie erklären die Pinbelegungen der Konnektoren und liefern die elektrischen Details jedes Moduls, um es in ein neues Design zu integrieren. Zudem werden Schaltpläne, Gerber- und Layout-Dateien bereitgestellt. Diese ermöglichen es den Ingenieuren, Designs neu zu entwerfen und enger in ihre Endprodukte zu integrieren. Nicht benötigte Teile können unkompliziert entfernt werden, um den Platzbedarf zu minimieren und Kosten zu senken. Die technischen Zeichnungen sowie elektrischen Referenzen ermöglichen die schnelle und einfache mechanische sowie elektrische Integration in die Gesamtarchitektur. Darauf basierend das physische Design des Gesamtsystems sowie die tiefe elektrische Integration erfolgen, um Größe, Platzierung und Kosten der Boards bis aufs letzte hin zu optimieren.

Sensormodule: Chance für KMU, Machine Vision umzusetzen

Sensormodule eliminieren Design-, Geschäfts- und zeitliche Risiken, die typischerweise mit der Integration von Bildverarbeitung in Maschinen und Geräte verbunden sind. Insbesondere für kleine und mittlere Unternehmen und Start-ups bieten Sensormodule eine schnelle Möglichkeit, maschinelles Sehen in ihren Anwendungen umzusetzen. Das Testen der endgültigen Konzepte kann bereits früh in der Designphase beginnen. Ingenieure sehen auf einen Blick, wie das System funktioniert und können Einstellungen übernehmen und ändern oder neue Sensoren oder Prozessing-Platformen ausprobieren. Vom Start-up bis zum hoch-volumigen OEMs ist die Skalierbarkeit ein wesentlicher Vorteil von Sensormodulen. Die Embedded-Vision-Produktreihe von Framos ermöglicht es den Kunden, das gleiche Standard-Sensormodul in der frühen Produktentwicklungsphase zu verwenden, während es mit seinen Kostenvorteilen auch in großen Volumina effektiv eingesetzt werden kann.