3D-Sensor überlebt Crashtest

Am Fraunhofer-Institut für angewandte Optik und Feinmechanik werden seit vielen Jahren Systeme für die Hochgeschwindigkeitserfassung von 3D-Daten entwickelt. Mit goCRASH3D präsentieren Forscher des Instituts jetzt ein neues System, das 3D-Daten bei Crashtests im Inneren des Versuchsfahrzeugs aufnimmt. Es zeigt die Verformung und Bewegung von Fahrzeugkomponenten während eines Aufpralls, wie es bisher nicht oder nur eingeschränkt möglich war.

Schon seit mehr als zehn Jahren wird am Fraunhofer-IOF an der Erfassung von 3D-Daten mit Hochgeschwindigkeitskameras gearbeitet. Im Wesentlichen besteht so ein System aus zwei Kameras, einer Beleuchtung und einem Computer. „Der Knackpunkt dabei ist eigentlich nicht die Kamera, sondern die Beleuchtung“, erklärt Projektleiter Kevin Srokos. Dafür haben die Forscher schon vor Jahren die GOBO-Technologie aus der Bühnentechnik für ihre Zwecke weiterentwickelt.

Bei der GOBO-Technik rotiert eine Scheibe mit einem unregelmäßigen Streifenmuster vor einer starken Lichtquelle. Das ergibt ein nichtperiodisches Sinusmuster auf dem zu messenden Objekt. Damit lassen sich Punkte in den Bildern der Kameras, die unter verschiedenen Winkeln auf das Objekt schauen, eindeutig zuordnen. Aus der Position der Kameras und dem Versatz der Bildpunkte werden die 3D-Koordinaten für die Punkte der Aufnahmen berechnet.

Schon sehr früh haben die Forscher ihr System in der Automobilindustrie getestet. „Damals konnte man mit dem System das Entfalten eines Airbags zeitaufgelöst verfolgen“, berichtet Srokos. „Bereits 2017 gab es aber auch die Idee, das System in das Innere des Fahrzeuges zu verlagern.“ In einem gemeinsamen Projekt mit einem großen deutschen Automobilhersteller haben die Forscher dafür einen Demonstrator aufgebaut, der seit 2023 für Tests beim Projektpartner eingesetzt wird.

Mit goCRASH3D lassen sich Vorgänge zum Beispiel im Fußraum beobachten, die vorher nicht oder nur sehr eingeschränkt zugänglich waren. Auch Bereiche, die der sich entfaltende Airbag verdeckt, können so verfolgt werden.

Beim Einsatz von goCRASH3D im Fahrzeug spielt die Beleuchtung einmal mehr die Hauptrolle: „Je kürzer die Belichtungszeit, desto stärker muss die Beleuchtung sein«“, so Srokos. Im konkreten Fall wird eine Einzel-LED mit 15.000 Lux Leuchtstärke benutzt. Die beiden Kameras liefern jeweils 12.000 Bilder pro Sekunde mit 512 mal 512 Pixeln. Daraus berechnet der Computer etwa 1200 3D-Bilder pro Sekunde. Das Bildfeld in den Versuchen war 70 mal 70 Quadratzentimeter in einem Meter Abstand. Diese Parameter können an die Versuche angepasst werden.

Das System mit zwei Kameras und der Beleuchtungseinheit ist in einem Rahmen montiert, in dem die Komponenten über Elastomerpuffer gegen die Beschleunigung geschützt sind. Dadurch kann das System Beschleunigungen bis zu 200g und Schocks bis 60g regelmäßig standhalten. Der Rahmen wird dafür im Fahrzeug fest montiert.

Aktuell wird das goCRASH3D-System beim Projektpartner genutzt und am Fraunhofer-IOF weiterentwickelt. Am Institut in Jena wurden die Hochgeschwindigkeitsaufnahmen auch schon mit weiteren Kameras gekoppelt, so dass die 3D-Bilder mit zusätzlichen spektralen Informationen verbunden werden konnten.

Das goCRASH3D-System wurde zwar für und mit der Automobilbranche entwickelt. „Wir können uns aber auch andere Anwendungen im Sicherheitsbereich oder auch in der Sportmedizin vorstellen“, erläutert Srokos. Mittelfristig passt die Technik für 3D-Hochgeschwindigkeitsaufnahmen hervorragend zu den wachsenden Sicherheitsansprüchen im Automobilbereich.

Fh.-IOF / RK