Das sind die neuen Wege der Gerätebedienung

Das Bild einer modernen HMI haben Smartphones mit ihren Touchscreens geprägt. Zwar ist diese Benutzerschnittstelle recht universell einsetzbar, es gibt aber auch Anwendungsgebiete, bei denen sie an ihre Grenzen stößt: Hat man im wahrsten Sinne des Wortes alle Hände voll, dann ist eine Touch-Bedienung keine Lösung. Erfordert die Aufgabe zudem die genaue Beobachtung eines Vorgangs, z. B. das Positionieren einer schweren Last mit einem Kran, so ist aus Sicherheitsgründen der ablenkende Blick auf einen Bildschirm zu vermeiden. Oder ist Hygiene gefordert, dann ist jede Berührung einer von mehreren Personen genutzten Bedienfläche bereits ein Ausschlusskriterium.

Alternative Bedienkonzepte wurden in den letzten Jahren entwickelt, konnten sich aber aus Kostengründen nur in Einzelfällen durchsetzen. Die moderne Embedded-Computing-Technik ermöglicht nun aufgrund ihrer Leistungsfähigkeit und Vielseitigkeit eine kostengünstige Umsetzung dieser Konzepte zur Verbesserung der Bedienung von Geräten und Maschinen. Insbesondere die Fortschritte im Bereich der künstlichen Intelligenz (KI) und der Konnektivität kommen hier zum Tragen.

Bildverarbeitung mal anders

Kam die Bildverarbeitung bislang hauptsächlich zur Steuerung und Regelung von Prozessen in der Automation zum Einsatz, gewinnen nun HMI-Aufgaben an Bedeutung. Hier punktet die berührungslose Bedienung, um Verschmutzungen von Tasten und Kontakten zu vermeiden. Beispiele finden sich in der Küche, wenn Geräte mit fettverschmierten Händen bedient werden müssen: Mit Handgesten lassen sich berührungslos Herdparameter einstellen oder die Geschwindigkeit von Rührmaschinen umschalten.

Auch die Personenerkennung eröffnet vielfältige neue Möglichkeiten: Alters- und Geschlechtserkennung optimieren Verkaufsautomaten und Kundenleitsysteme (POS / POI). So könnte das In-Seat-Entertainment-System im Flugzeug erkennen, dass ein Kind vor ihm sitzt und die Filmauswahl altersgerecht anpassen, das Spieleangebot hervorheben und den Duty-Free-Shop sperren. Oder Getränkeautomaten erkennen ihre Stammkunden und optimieren die Auswahl entsprechend mit den persönlichen Favoriten.

Über optische Personen-/Situationserkennung können auch proaktive Anpassungen initiiert werden, die keine direkte Interaktion durch die Nutzer benötigen: Beispielsweise längere Türöffnungszeiten bei Aufzügen, wenn Rollstuhlfahrer oder Kinderwagen anwesend sind. Damit wandelt sich das HMI zu einem Assistenzsystem, das mehr Komfort und Sicherheit bietet – ein Trend, der sich nicht auf die Automobilindustrie beschränken wird.

KI-Beschleuniger von weniger als 1 W

Hier kommen vor allem KI-Techniken zum Einsatz, die zu einem erhöhten Performancebedarf bei der Hardware führen und den Einsatz von KI-Beschleunigern ratsam machen – dies darf aber nicht zu Lasten des Energie-/Wärmebudgets gehen, eine genügsame Stromaufnahme ist also gefordert. Einige Halbleiterhersteller haben diesen Trend bereits erkannt und KI-Beschleuniger (NPUs) mit einer Leistungsaufnahme von weniger als 1 W in ihre CPUs integriert.

Nicht jeder Mensch soll jede Maschine bedienen oder Zugang zu ihr haben. Hier punktet die biometrische Authentifizierung mit dem Gesicht, da es im Gegensatz zu Schlüsseln und NFC-Tokens/Karten nicht verloren gehen kann und auch mit vollen Händen zur Verfügung steht.

Die Gesichtserkennung per Kamera eignet sich auch als Zwei-Token-Authentifizierung für Anwendungen mit erhöhtem Sicherheitsbedarf. Hier ist ebenfalls KI gefragt, allerdings gekoppelt mit zusätzlichen Sicherheitsfunktionen, die möglichst tief in die Hardware integriert sind. Eine mögliche Anwendung wäre ein Zeiterfassungssystem, das neben der NFC-Karte auch das Gesicht erkennt, um das „kollegiale Einstempeln“ abwesender Kollegen zu verhindern.

KI wird nicht nur in der Bildverarbeitung, sondern auch in der Sprach- oder Geräuscherkennung eingesetzt. Die akustische Steuerung hat vor allem dann Vorteile, wenn alle Hände im Einsatz sind und zusätzlich die Augen nicht abgewendet werden können – zum Beispiel in der Neurochirurgie unter dem Mikroskop. Sprachkommandos des Chirurgen galten bisher den menschlichen Kollegen im OP und könnten nun auch die Geräte schalten. In dieser Situation empfiehlt es sich, dem Benutzer die Rückmeldung ebenfalls akustisch zu geben, um ungewollte Unterbrechungen der diffizilen Arbeit zum Ablesen von Skalen oder Display-Meldungen zu vermeiden.

In bestimmten Situationen, insbesondere bei Auskunftssystemen (POI), stößt eine noch so gute Programmierung und eine noch so umfangreiche Datenbank an ihre Grenzen und es wird menschliche Hilfe benötigt, die mittels Audio- (VoIP) oder Video-Call realisiert werden kann. Dazu sollte die Audioverarbeitung in der Lage sein, mehrere Mikrofone gleichzeitig auszuwerten, um Störgeräusche besser zu minimieren. Auch hier hat die Halbleiterindustrie bereits reagiert und bietet Schnittstellen für bis zu acht MEMS-Mikrofone an. Darüber hinaus muss eine zuverlässige Kommunikation mit Redundanz oder alternativen Netzwerktechnologien bereitgestellt werden, um auch bei Leitungsausfällen verfügbar zu sein.

Klassische Bedienkonzepte optimieren

Auch wenn bei der Einführung neuer Bedienkonzepte häufig an eine komplette Substitution, d. h. einen vollständigen Wechsel von einer Technologie zur anderen gedacht wird, ist es ratsam, dass die integrierte Embedded-Computing-Technik auch weiterhin die gewohnten Bedienkonzepte unterstützen kann – manche Neuerungen werden von den Kunden nicht so schnell akzeptiert wie erhofft. Zudem ist oft an der gewohnten HMI nichts auszusetzen, es müsste nur das Touch-Display verbessert werden, sei es in Größe, Helligkeit, Anzahl oder Auflösung.

In einigen Fällen bringt auch die Auswertung zusätzlicher Sensoren einen Performance-Gewinn für das bestehende Bedienkonzept: So können Beschleunigungssensoren aus der Position der Maschine erkennen, in welchem Zustand sie sich befindet und welche Bedienschritte sinnvoll sind. Oder mithilfe von Lidar-Sensoren kann die automatische Positioniergenauigkeit erhöht und mögliche Positionierzeiten durch den Menschen reduziert werden – hier punktet ein HMI also nicht durch eine intuitivere, sondern durch eine schnellere Bedienung. Allerdings muss die Hardware die entsprechenden Sensorschnittstellen unterstützen.

Man muss sich also Optionen offenhalten, um auf den Geschmack der Kunden reagieren zu können. Ebenso sollte die eingesetzte Elektronik Luft nach oben und unten haben, damit die Produktentwicklung / Markenpflege das Produktportfolio leichter optimieren kann. Ebenso ist es ratsam, die langfristige Lieferfähigkeit im Auge zu behalten, insbesondere bei zulassungspflichtigen Geräten, um zeit- und kostenintensive Rezertifizierungen zu vermeiden.

Für mehr Flexibilität und einen einfacheren Zugang zu neuester Technologie sorgt dabei besonders die Embedded-Modul-Technik, die über einen weiten Leistungs- und Funktionsbereich skalierbar ist. Ein Beispiel hierfür ist das TQMa95xxSA der TQ-Group: Das SMARC-Modul basiert auf dem i.MX 95 von NXP und ist in Varianten mit zwei, vier oder sechs Arm-Cortex-A55-Kernen erhältlich. Der integrierte KI-Beschleuniger hat eine Spitzenleistung von 2 TOPS und ist der Schlüssel zu zahlreichen innovativen HMI-Lösungen.

Fazit

Die Multitouch-Bedienung von Smartphones ist Vorbild für viele HMIs und hat damit eine Revolution in der Benutzerführung unzähliger Geräte ausgelöst. Die Entwicklung hin zu einer intuitiveren, zuverlässigeren und sichereren Gerätebedienung ist damit aber noch nicht abgeschlossen. Aktuelle Embedded-Modul-Designs greifen diese Trends auf und unterstützen Entwickler sowohl bei der Optimierung bestehender HMIs als auch bei der Umsetzung völlig neuer Bedienkonzepte. (neu)