Sicherheit beim autonomen Fahren Empfindliche Sensoren sorgen für optimale Sicht

SPAD-Sensor-Chips werden mit der CMOS-Technik realisiert.
SPAD-Sensor-Chips werden mit der CMOS-Technik realisiert.

In diesem Jahr sorgte der erste schwere Unfall eines autonomen Elektroautos für Schlagzeilen. Es kollidierte mit einem LKW, da Frontkameras und das Radarsystem nicht zuverlässig reagierten. Das neue Sensor-System vom Fraunhofer IMS soll derartige Unfälle künftig vermeiden und für Sicherheit sorgen.

Bei dem tragischen Unfall spielten laut Hersteller zwei Faktoren eine große Rolle. Die Frontkameras konnten den Sattelzug nicht richtig erkennen. Zudem hatte eine falsche Radarmessung die Vollbremsung verhindert. »Die Genauigkeit der Kamera ist von der jeweiligen Lichtsituation abhängig«, erläutert Werner Brockherde, Geschäftsfeldleiter »CMOS Image Sensors« am Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS in Duisburg. In dem Fall hatten die Kameras versagt. Zwar erkannte das Radarsystem das Hindernis, doch war die genaue Lokalisierung nicht möglich und das System verwechselte den Lkw mit einem Wegweiser-Schild.

Der Forscher und sein Team setzen stattdessen auf die LiDAR-Technik (Light Detection and Ranging), die sie weiterentwickelt haben. Sie schafft in Kombination mit anderen Komponenten die Voraussetzung für das selbstständige Lenken, Bremsen und Beschleunigen. Laut Brockherde hätte LiDAR die Unfälle wahrscheinlich verhindern können. Beim automatisierten Fahren könnte das System die bisher genutzte Kamera- und Radartechnik ergänzen, um eine komplette Aufnahme des Fahrzeugumfelds zu erhalten und so Hindernisse im Verkehr zuverlässig und frühzeitig zu erkennen.

LiDAR-Systeme senden gepulste Laserstrahlen, die an der Oberfläche von Objekten reflektiert werden. Mit TOF-Kameras (Time of flight) – 3-D-Kamerasysteme – empfängt das LiDAR-Gerät die zurückgestreuten Signale: Anhand der Laufzeit, die das Licht zu den Objekten und zurück benötigt, werden Abstand, Position und Geschwindigkeit von Fahrzeugen, Radfahrern, Passanten oder Baustellen errechnet. Mit diesen Daten lassen sich Kollisionen vermeiden.

Laserstrahl erfasst gesamte Umgebung

Beim traditionellen LiDAR wird ein einziger Laserstrahl auf einen rotierenden Spiegel gelenkt, der die Umgebung im 360-Grad-Winkel erfasst. Die Technik wird zum Beispiel von Google für die »Driverless Cars« verwendet. Allerdings sind die Spiegelvarianten sehr klobig und mechanisch fehleranfällig. Viele Automobilhersteller entscheiden sich gegen das System und verbauen es nicht in ihren Fahrzeugen. Die Forscher des IMS verwenden daher sehr empfindliche Sensoren, die ohne rotierenden Spiegel auskommen. Sie erfassen mit einem einzigen Laserblitz die gesamte Szenerie – also die Umgebung des Fahrzeugs. Ihre neue Generation von Sensoren bezeichnen die Forscher als »Flash-LiDAR«. Sie bestehen aus mehreren speziellen am IMS entwickelten Photodioden – sogenannten Single-Photon Avalanche-Dioden (SPADs). »In unserem Fall wird nicht nur ein Punkt beleuchtet wie beim klassischen LiDAR, sondern ein rechteckiges Messfeld«, erläutert Brockherde.

Die SPADs sind hundert Mal empfindlicher als zum Beispiel die in Smartphones integrierten Photodioden. Der Vorteil gegenüber dem klassischen LiDAR-System: Sowohl Sensor als auch Auswertelektronik sind auf nur einem Chip verbaut. Dadurch fällt die Entwicklung besonders klein und flach aus. Automobilhersteller können sie zum Beispiel problemlos hinter der Windschutzscheibe oder dem Scheinwerfer verbauen. Ziel der IMS-Forscher ist es, mit Flash-LiDAR eine Entfernung von bis zu 100 Metern abzudecken.

Laut Brockherde werden die ersten Systeme mit den Sensoren bereits 2018 in Serie gehen. Auch für andere Anwendungsfelder wie Medizin, Analytik oder Mikroskopie sind die empfindlichen Sensoren interessant, da sie auch bei schwachen Lichtintensitäten funktionieren.