LiDAR auf dem Vormarsch

Time-of-Flight-Sensoren für höchste Verkehrssicherheit

28. November 2022, 9:15 Uhr | Autor: Dr. Thomas Luce, Redaktion: Irina Hübner
Ab Level 2+ sind Lidar-Systeme unumgänglich.
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Automatisierte Fahrzeuge der Level 2+ und höher benötigen für ihre Fahrerassistenzsysteme einen Mix aus verschiedenen Sensorvarianten. Dabei werden LiDAR-Systeme zu unverzichtbaren Bestandteilen. Wie lassen sich mit den verschiedenen LiDAR-Sensor-Typen anspruchsvolle ADAS-Lösungen unterstützen?

Auf dem Weg zum autonomen Fahren der Stufe 5 sind Fahrerassistenzsysteme (Advanced Driver Assistance Systems, ADAS) zunehmend auf Daten-Input aus verschiedensten Sensor-Systemen angewiesen (Sensordatenfusion). Dazu zählen Ultraschall- und Radar-Technologien ebenso wie hochauflösende Kameras.

Letztere werden standardmäßig für diverse ADAS-Anwendungen wie etwa Verkehrszeichenerkennung, Spurwechselassistent, Totwinkel-Überwachung oder Notbremssysteme eingesetzt. Allerdings reichen die genannten Sensor-Systeme in den meisten Fällen nicht für die optimale Funktionsweise der ADAS-Lösungen und die höchstmögliche Sicherheit im Straßenverkehr aus.

Dies gilt insbesondere dann, wenn sich Fahrzeuge auf Autobahnen mit hohen Geschwindigkeiten von 130 km/h und mehr bewegen. Denn in diesen Fällen müssen ADAS oft in Sekundenbruchteilen die richtigen Entscheidungen treffen und entsprechende Aktionen auslösen. Eine kritische Situation kann beispielsweise dann entstehen, wenn ein Fahrzeug abrupt die Spur wechselt und unmittelbar vor einem anderen Verkehrsteilnehmer einschert.

Ähnlich verhält es sich, wenn ein Fahrzeug langsam in eine Autobahn einbiegt, auf der die anderen Autos mit hoher Geschwindigkeit fahren. In diesen Fällen müssen die Fahrerassistenzsysteme schnell reagieren und zuverlässig einen Spurwechsel oder Bremsvorgang veranlassen.

Eine weitere Herausforderung für ADAS sind schwankende Lichtverhältnisse, die maßgeblich vom aktuellen Wetter beeinflusst werden. Auch beim Einfahren in einen Straßentunnel nimmt die Lichtintensität plötzlich stark ab, was die Funktionsweise des ADAS beeinträchtigen kann. Es kommt also auf den richtigen Sensor an. Kamerasysteme offenbaren hier einige Schwächen: Sie kommen ähnlich wie das menschliche Auge mit abrupt wechselnden Lichtbedingungen nur schwer zurecht.

Langsame Fahrzeuge oder andere Verkehrshindernisse im Tunnel werden dann möglicherweise nur mit starker Verzögerung wahrgenommen, was ein erhöhtes Unfallrisiko zur Folge hat. Gerade bei der Ein- und Ausfahrt in den Tunnel ist das Risiko besonders hoch. Zudem ermöglichen Kameras lediglich einen 2D-Blick in ein dreidimensionales Geschehen und können nur ein begrenztes Sichtfeld vor dem Fahrzeug erfassen. Auch kann eine Kamera sehr schnell Objekte aus dem Blickfeld verlieren, wenn ein Fahrzeug die Spur wechselt oder verdeckt wird. Ein Radar hilft nur bedingt weiter, denn das Radarsignal kann durch die Tunnelwände beeinträchtigt werden.

Distanzmessung nach dem Time-of-Flight-Prinzip

Eine passgenaue Lösung bieten Sensoren auf Basis von LiDAR-Technologien (Light Detection and Ranging). Sie sind bestens geeignet, um die genannten Schwächen – insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten – auszugleichen. Die meisten LiDAR-Sensoren basieren auf dem Time-of-Flight-Prinzip. Dabei senden die Sensoren Laserpulse aus, die dann von Objekten im Sichtfeld reflektiert und zum Sensor zurückgestrahlt werden.

Anhand der Lichtlaufzeit (Time of Flight), also der Zeit, die das Licht zum Durchlaufen einer bestimmten Strecke benötigt, lässt sich der Abstand zu Objekten sowie deren Geschwindigkeiten berechnen. Das bedeutet, die Distanzmessung erfolgt auf Basis des Zeitunterschieds zwischen dem Aussenden und Empfangen des Lichts. Das System wandelt die gemessenen Werte in elektrische Signale um und analysiert diese in speziellen Steuergeräten. Wie ein Radarsensor arbeitet also auch das LiDAR-System mit elektromagnetischen Wellen. Allerdings werden diese in einem anderen Frequenzbereich ausgestrahlt. Dabei lässt sich LiDAR als aktiver Sensor klassifizieren, da er das empfangene Signal zuvor selbst ausgesendet hat.

Das LiDAR-System erzeugt Daten in Form einer ultrahochauflösenden Punktwolke. Hierbei handelt es sich um eine Ansammlung von Punkten. Ein Punkt wird dargestellt, wenn an dieser Stelle eine Reflektion durch ein Objekt erfolgt und im Sensor registriert wird. Beschrieben wird die Wolke durch die enthaltenen Punkte, die jeweils durch ihre Raumkoordinaten (x, y, z) erfasst sind. Auf diese Weise lässt sich feststellen, wo sich auf der Straße Objekte bzw. Hindernisse befinden und die Straße sich daher in befahrbare und nicht befahrbare Bereiche einteilen lässt, wobei die jeweiligen Objekte nicht klassifiziert werden müssen.

So kann die ADAS-Lösung auf ein detailliertes, dreidimensionales Abbild der Fahrzeugumgebung inklusive präziser Echtzeit-Messwerte für Entfernungen und Objekte zurückgreifen. Eine Besonderheit der Technologie besteht darin, dass sie auch über größere Distanzen verschiedenste Hindernisse im Straßenverkehr wie etwa Fußgänger oder andere Fahrzeuge exakt erkennen kann – und zwar unabhängig von der Art und Beschaffenheit der Straße.

Scannende versus nicht-scannende LiDAR-Systeme

Welche verschiedenen LiDAR-Systeme sind nun am Markt verfügbar? Grundsätzlich können die Sensoren in scannende und nicht-scannende Varianten unterteilt werden. Erstere wiederum lassen sich in mechanische und nicht-mechanische Systeme unterscheiden. Mechanische LiDAR-Typen nutzen in den meisten Fällen motorisierte Spiegel zur Strahlablenkung. Wie bei allen mechanischen Komponenten findet auch hier unvermeidbar Abnutzung statt, die zu erhöhten Toleranzen führt. Zudem entstehen durch die mechanischen Bewegungen gewisse Ungenauigkeiten. Eine weitere Schwäche dieser Variante besteht darin, dass die praktischen Einsatzmöglichkeiten dieser Variante aufgrund der Baugröße sehr eingeschränkt sind. Und nicht zuletzt treibt die Produktion der mechanischen Teile die Kosten in die Höhe.

Eine praktikablere Lösung unter den scannenden LiDAR-Typen bieten Mikro-Elektro-Mechanische Systeme (MEMS), auch Solid-State-LiDAR genannt. Hierbei werden die Spiegel nicht durch Motoren bewegt, sondern schwingen elektromagnetisch innerhalb ihrer Elastizitätsgrenzen. Ein entscheidender Vorteil dieser Technologie ist, dass hier sämtliche mechanisch beweglichen bzw. gelagerten Teile wegfallen. Dadurch lassen sich LiDAR-Systeme auf Silizium-Wafer-Basis produzieren. Auf diese Weise ist es möglich, die Einbauhöhe zu reduzieren und die Kosten zu senken.

Bei starken Temperaturschwankungen kann jedoch eine Rekalibrierung des Systems notwendig werden. Scannende Solid-State-LiDAR-Sensoren können auch phasengesteuert sein, ähnlich wie entsprechende Radar-Technologien. Sie stellen jedoch besondere Anforderungen an die Produktion: Aufgrund der kurzen Wellenlänge des Lichts müssen die Emitter des Arrays hochpräzise gefertigt sein. Schon kleine Unregelmäßigkeiten können große Verschiebungen zur Folge haben, mit entsprechenden nachteiligen Auswirkungen auf die Präzision des Systems.

Eine gängige, nicht-scannende LiDAR-Variante ist die Flash-Technologie: Wie beim Blitz einer Kamera wird auch hier die ganze Szene komplett erhellt. Wichtig ist, dass die Stärke des Laserblitzes bei größeren Reichweiten entsprechend angepasst wird. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, dass die Lichtintensität des Lasers das menschliche Auge nicht schädigt. Daher sollte bei der Auswahl auf einen guten Mittelweg zwischen einem stärkeren Flash und einem sensitiveren Photodetektor gesetzt werden, um die Augensicherheit zu gewährleisten.

Diese Entscheidung wird jedoch stark von den Kosten der jeweiligen Variante beeinflusst. Ein Focal Plane Array (FPA) beispielsweise detektiert das reflektierte Licht der gesamten Szene. Wie der Film in einer klassischen analogen Kamera erfasst ein FPA direkt ein 2D-Bild, das vom Objektiv auf die Bildebene projiziert wird. Flash-LiDARE werden insbesondere für kürzere Reichweiten eingesetzt.

Objekte mit hoher Detailgenauigkeit erkennen

Welche LiDAR-Variante auch immer eingesetzt wird – die Technologie überzeugt in jedem Fall durch entscheidende Vorteile: So lässt sich damit etwa eine große Bandbreite von Objekten mit einer hohen Detailgenauigkeit und Auflösung erkennen. Dank der kürzeren Wellenlänge – verglichen mit Radarsystemen – werden auch sehr kleine Gegenstände und Hindernisse präzise erkannt. Zudem lässt sich durch den Einsatz mehrerer Sensoren oder scannender LiDAR-Systeme mit motorisierten Spiegeln ein komplettes 360-Grad-Sichtfeld abdecken.

Und auch bei veränderlichen Lichtverhältnissen kann die Technologie insbesondere gegenüber Kamerasystemen punkten: Ob direkte Sonneneinstrahlung oder vollkommene Dunkelheit – LiDAR liefert immer exakte Erkennungsergebnisse. So werden auch in unbeleuchteten Tunnels Hindernisse oder langsame Fahrzeuge sicher detektiert, sodass die ADAS-Anwendung frühzeitig reagieren kann.

Die vielen Vorteile der Technologie vereint der LiDAR-Sensor MAVIN DR von MicroVision. Dieser verfügt über einen Halbleiter-Laser mit einer Wellenlänge von 905 Nanometern. Der Sensor basiert auf MEMS, sodass der Laserstrahl über elektromagnetisch steuerbare Spiegel gelenkt wird. Ein Digital ASIC (Application Specific Integrated Circuit) analysiert die Signale und gibt sie anschließend über eine Ethernet-Schnittstelle an den Domain-Controller des Fahrzeugs weiter.

Der LiDAR-Sensor liefert 13 Millionen Bildpunkte pro Sekunde, die sich auf den Nah-, Mittel- und Fernbereich verteilen. Dabei wird eine maximale Reichweite von bis zu 220 Metern abgedeckt. Das System erzeugt eine ultrahochauflösende Punktwolke mit einer Bildwiederhol-Frequenz von 30 Hertz. Dadurch wird die Latenz niedrig gehalten. Beim Aussenden eines jeden Laserimpulses werden gleichzeitig 16 Bildpunkte aus den verschiedenen Bereichen erfasst. ADAS-Lösungen können dadurch sehr schnell reagieren und die richtigen Aktionen in Sekundenbruchteilen auslösen. Dies gewährleistet auch bei sehr hohen Geschwindigkeiten Sicherheit im Straßenverkehr.

LiDAR-Technologien werden über kurz oder lang zum zentralen Bestandteil der Sensorik in modernen Fahrzeugen. Sie liefern verlässliche Daten über Entfernungen von Objekten, auf deren Basis Fahrerassistenzsysteme optimale Entscheidungen in kürzester Zeit treffen können. Nur so lässt sich auch bei Autobahn-Tempo ein Sicherheitsniveau garantieren, das den Weg zu Stufe 5 des autonomen Fahrens freimacht.

 


Der Autor

Dr. Thomas Luce
ist Vice President Business Development bei MicroVision.


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