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Sicherheit beim automatisierten Fahren

Fraunhofer-Mikroscannerspiegel erfasst Reichweiten von 200 m

05. Januar 2021, 11:00 Uhr   |  Stefanie Eckardt

Fraunhofer-Mikroscannerspiegel erfasst Reichweiten von 200 m
© Fraunhofer IPMS

Die in LiDAR-Sensoren eingesetzten MEMS-Scanner des Fraunhofer IPMS ermöglichen Fahrzeugen die dreidimensionale Wahrnehmung der Umgebung.

Ein automatisiertes Fahrzeug muss eigenständig Hindernisse und Gefahren erkennen und rechtzeitig bremsen. Der neue Mikroscannerspiegel des Fraunhofer IPMS scannt die Umgebung dreidimensional und erfasst Reichweiten von über 200 m. Eingebaut in ein LiDAR-System ersetzt er das menschliche Auge.

In den nächsten Jahren werden Notfallsysteme wie der Ausweichassistent in Neuwagen verpflichtend installiert sein und den Weg zum automatisierten Fahren ebnen. Doch auch in den kommenden Fahrzeuggenerationen muss der Mensch die Umgebung im Auge behalten und in Gefahrensituationen reagieren. Dies soll sich künftig durch LiDAR-Systeme ändern, die die Entfernung zwischen Fahrzeug und Objekt messen. Sie erkennen die Umwelt und ersetzen das Auge des Fahrers. Sie stellen einen entscheidenden Baustein auf dem Weg zum sicheren automatisierten Fahren dar.

Das Fraunhofer IPMS hat mit einem neuartigen Mikroscannerspiegel eine wichtige Komponente für LiDAR-Systeme entwickelt, die das digitale Sehen in drei Dimensionen ermöglicht. Das Bauteil trägt durch die Lenkung des Abtastlasers zur dreidimensionalen Vermessung der Umgebung bei. AEye verwendet die Mikroscannerspiegel bereits – das Unternehemen setzt die Mikroscannerspiegel in seinem LiDAR-Sensor 4Sight ein. »Mit unserer Technologieplattform können wir den jeweiligen Designbedürfnissen für die Entwicklung von Mikroscannerspiegeln für LiDAR gerecht werden. LIDAR-Systeme können die Umgebung dreidimensional erfassen und sind so in der Lage, Fußgänger, Radfahrer oder andere Fahrzeuge zu detektieren. Dabei verteilt unser MEMS-Spiegel Laserstrahlen in zwei Dimensionen und bündelt das Licht in der aktuell gemessenen Position. Mit der Laufzeit des reflektierten Lichts wird die Entfernung zum Objekt als dritte Dimension gemessen«, erläutert Dr. Jan Grahmann, Wissenschaftler am Fraunhofer IPMS.

Im Detail findet dabei folgender Prozess statt: Das Licht, das von einer Laserdiode oder Laserquelle gesendet wird, trifft zunächst auf den Microscannerspiegel, der sich auf der Sendeeinheit des LiDAR-Systems befindet. Der Spiegel scannt die Szenerie zweidimensional ab. Die dritte Dimension wird anhand des vom Objekt reflektierten Lichts von einem LiDAR-Sensor auf der Empfangsseite eingefangen. Dabei gilt: Je mehr Licht auf dem Sensor auftrifft, desto genauer lässt sich die Entfernung bestimmen – eine Aufgabe, die ein Auswertealgorithmus übernimmt. Die Abstandsinformation für jede gescannte Position in der Szenerie ergibt eine 3D-Punktwolke, die den Sichtbereich des LiDARs darstellt.

Robuste Technik treibt automatisiertes Fahren voran

Der MEMS-Scanner wird aus einkristallinem Silizium hergestellt. Der Vorteil des Materials: Es ist ermüdungsfrei und robust und zeichnet sich durch hohe Schock- und Temperaturfestigkeiten aus. Auf dem Silizium befindet sich eine reflektierende Beschichtung, die die Reflektion des Lichts verstärkt. Dank einer in den Chip integrierten Positionsdetektion lässt sich zu jedem Zeitpunkt bestimmen, wo der Spiegel das Laserlicht hinlenkt und welche Position im Bild gemessen wird. Das wiederum ermöglicht Korrekturen des Arbeitspunkts. Im Fahrzeug befindet sich der LiDAR-Sensor in der Regel hinter dem Rückspiegel und scannt die Szenerie direkt durch die Frontscheibe. Neben der normalen Wahrnehmung durch das Auge des Passagiers oder des Fahrers kann auf diese Weise die 3D-Messung im Infrarot-Bereich realisiert werden.

Die Mikroscannerspiegel des Fraunhofer IPMS arbeiten beispielsweise mit den für LiDAR typischen Wellenlängen von 905 bis 1550 nm und beeinflussen durch ihre Öffnungsweite die Reichweiten maßgeblich. Eingebaut in den smarten LiDAR-Sensor von AEYE sind hohe Reichweiten von mehr als 200 m möglich. Erste Fahrtests des Unternehmens mit den im LiDAR-System eingesetzten MEMS-Scannern des Fraunhofer IPMS sind erfolgreich abgeschlossen.

Es ist geplant, im nächsten Schritt die Mikroscannerspiegel in einer größeren Stückzahl zu produzieren und in die Großserie zu überführen.

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