Sensoren der nächsten Generation Lidar und die Zukunft des autonomen Fahrens

Die Sensortopologie in dem hoch- und vollautonomen Automobilen ist ein wichtiges Thema in der Zukunft.

Die Gestaltung der Sensortopologie für hoch- und vollautonome Fahrzeuge ist eines der wichtigsten Zukunftsthemen der Automobilindustrie. Aufgrund seiner Sicherheitsrelevanz wird Lidar dabei neben Kameras und Radar als dritte essenzielle Sensorenart eine Schlüsselrolle spielen.

Die richtige Sensortopologie für hoch- und vollautonome Fahrzeuge ist und bleibt ein spannendes Diskussionsthema in der Automobilindustrie. Harman ist der Meinung, dass der Lidar-Technologie in der automobilen Zukunft dabei eine zentrale Rolle zukommt. Lidar steht für »Light Detection and Ranging« und verwendet Lichtimpulse einer Laserquelle, um die Umgebung abzutasten. Diese lichtbasierte Sensorik ist entscheidend für die Lösung aktueller Herausforderungen bei der Erfassung der Fahrzeugumgebung (Bild 1). Allerdings ist Lidar in seiner heutigen Form mit Kosten von bis zu mehreren tausend Euro für hochauflösende Sensoren zu teuer für den Massenmarkt und überdies technisch noch sehr komplex und fehleranfällig. Die ab diesem Jahr neu verfügbaren Solid State Lidars werden viele der aktuell bestehenden Probleme der Lidar-Technologie lösen. Entscheidend für einen möglichen Masseneinsatz in automatisierten und autonomen Fahrzeugen ist, dass in der Steuergerätearchitektur der Autos noch einige technische Herausforderungen bewältigt werden müssen.

Radar und Kameras reichen nicht aus

Momentan ist die Automobilindustrie bezüglich des richtigen Wegs in die autonome Zukunft des Fahrens noch uneins. Diskutiert wird insbesondere über die am besten geeignete Sensorkonfiguration zur Gewährleistung der Sicherheitsanforderungen beim hoch autonomen Fahren. Einige Hersteller gehen davon aus, dass Kameras und Radarsysteme ausreichen, um automatisiertes Fahren zu ermöglichen. Sie sind mit dieser Meinung aber innerhalb der Branche in der Minderheit.

Obwohl beide Sensorsysteme äußerst wichtige Bestandteile fürs autonome Fahren darstellen, haben sie Unzulänglichkeiten. Aktuelle automobile Radarsysteme liefern ihre Informationen nur punktuell und mit einem kleinen Erfassungsbereich an die Selbstfahrsysteme. Erschwerend kommt darüber hinaus hinzu, dass sie durch Sensoren des gleichen Typs gestört werden können sowie teilweise sogar fälschlicherweise Phantomobjekte »erkennen«.

Bestmögliche Sicherheit nur mit Lidar

Kameras sind abhängig von den Lichtverhältnissen und der Ausleuchtung der von ihnen erfassten Umgebung. Außerdem sind sie bei schwierigen Wetterbedingungen wie Regen, Nebel oder Schnee oftmals nicht robust genug, um dauerhaft und fehlerfrei die für automatisiertes Fahren benötigte Menge an Detailinformationen vollständig liefern zu können. Aufgrund dieser Defizite erscheint eine Fokussierung auf diese beiden Technologien nicht ausreichend.

Harman ist – wie die meisten Branchenexperten – der Ansicht, dass Lidar aufgrund der Unzulänglichkeiten von Radar und Kamera als dritte Sensortechnologie benötigt wird, um unter allen Umfeldbedingungen einen sicheren automatisierten oder autonomen Fahrbetrieb zu gewährleisten. Die aktuelle Generation von hochauflösenden Lidar-Sensoren verfügt auch bei großen Entfernungen und räumlichen Abdeckungsbereichen über eine hohe Messauflösung von bis zu 0,1° x 0,1°. Aufgrund seiner detaillierten Umgebungserfassung liefert Lidar ein hochpräzises 3D-Abbild der Fahrzeugumgebung in Form einer 3D Point Cloud, die von fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen (Advanced Driver Assistance Systems, ADAS) umfassend weiterverarbeitet werden kann (Bild 2). Lidar ist außerdem störfest gegenüber Sensoren des gleichen Typs und als aktives Ausleuchtungsverfahren völlig unabhängig von Tageslicht und Beleuchtungsgrad der Umgebung.

 

Vor allem die große Reichweite von 150 m und mehr, die detaillierte Auflösung sowie die Störfestigkeit sind kritische Vorteile von Lidar-Systemen gegenüber Kamera und Radar. Da keiner der drei Sensortypen alle Umfeldbedingungen abdecken kann, lassen sich die nötigen Anforderungen an Diversität und Redundanz in ADAS für automatisiertes und autonomes Fahren nur durch die Kombination von Lidar, Radar und Kameras erreichen.

Lidar ist Schlüsseltechnologie

In einigen zukünftigen Anwendungsszenarien ist Lidar darüber hinaus die unbestrittene Schlüsseltechnologie zur detaillierten Umgebungserfassung. Zu diesen Szenarien gehören beispielsweise Highway-Pilot-Systeme zum autonomen Fahren auf der Autobahn mit entsprechend hohen Geschwindigkeiten und der Anforderung, auch kleine Objekte zu erkennen und zu klassifizieren. Dies kann ausschließlich durch die Lidar 3D Point Cloud zuverlässig gewährleistet werden.

Aber auch autonomes Fahren in der Innenstadt mit Hilfe eines Urban Pilots macht aufgrund des extrem komplexen Szenarios mit seiner hohen Dynamik durch zahlreiche unterschiedliche Verkehrsteilnehmer wie Autos, Radfahrer oder Fußgänger in der gesamten Fahrumgebung den Einsatz von Lidar zwingend notwendig. Neben der umfassenden Detailerfassung aller Objekte in der Fahrzeugumgebung ist Lidar hierbei insbesondere bei der korrekten Entfernungsmessung ausschlaggebend.

Da nur Lidar unter allen Umgebungsbedingungen mit der nötigen Systemzuverlässigkeit und Erfassungsrate für Objekte operieren kann, ist die entsprechende Technologie außerdem die Grundlage für viele zukünftige autonome Fahrzeuge. Neben Personenwagen und Robotaxis gehören hierzu auch Lastkraftwagen sowie Nutzfahrzeuge für Bauindustrie und Landwirtschaft.

Solid State Lidar gehört die Zukunft

Bis vor Kurzem gab es jedoch einige grundlegende Probleme bei der Lidar-Technologie, die ihren umfassenden Einsatz in der nötigen Breite verzögerte. Momentan verwenden handelsübliche Lidar-Systeme überwiegend mechanisch rotierende Bauteile und sind damit anfällig gegenüber Vibrationen und Erschütterungen oder verfügen nur über eine sehr begrenzte Auflösung und Reichweite. Auch der Schutz vor eindringendem Staub oder Feuchtigkeit ist umso schwieriger, je komplexer und größer ein Bauteil ausgeführt werden muss. Um trotz ihrer relativ anfälligen Konstruktionsweise die nötige Robustheit für den Einsatz in der Automobilbranche zu erreichen, müssen aktuelle Lidar-Typen daher sehr massiv ausgelegt sein. Dadurch entstehen hohe Stückkosten bei gleichzeitigem großem Platzbedarf.

Da die mechanischen Lidar-Varianten entweder die Daten der Fahrumgebung nicht in der benötigten Qualität liefern beziehungsweise in der gewünschten Leistungsstufe zu groß und zu teuer sind, sind sie trotz aller Vorteile für das Fahren der Zukunft bislang noch nicht tauglich für den Masseneinsatz in autonomen Fahrzeugen der nächsten Generation. Abhilfe schafft die neu entwickelte Solid-State-Lidar-Technologie. Diese neue Bauart kommt ohne bewegliche Teile aus und vermeidet damit einen Großteil der bisherigen Nachteile der mechanisch rotierenden Varianten. Solid-State-Lidar-Systeme bieten die gleiche Leistungsfähigkeit wie aktuelle mechanische High-End-Varianten, sind dabei aber erheblich effizienter. Da sie über weniger Bauteile verfügen, benötigen sie außerdem nur einen Bruchteil des Bauraums aktueller Lidar-Modelle und sind dabei gleichzeitig bis zu 80 Prozent kostengünstiger. Trotz ihrer kompakteren Bauform haben Solid-State-Lidar-Systeme eine höhere Reichweite und liefern mit 0,1° x 0,1° typischerweise eine höhere Auflösung als die aktuellen, mechanisch rotierenden Varianten. Damit können nun auch kleine Objekte über große Distanzen detektiert werden. SAE L3 (Society of Automotive Engineers Level 3) ist die nächste Stufe automatisierten Fahrens, die in den kommenden Jahren Realität werden wird. Als Planungsgrundlage hat Harman in diesem Zusammenhang determiniert, dass für die entsprechenden klassischen Pkw mit Fahrer ein einzelner, nach vorne ausgerichteter, hochauflösender Lidar mit großer Reichweite (50 bis 200 m) ausreicht. Robotaxis benötigen dagegen deutlich mehr erfasste Umgebungsdaten. Neben je einem Lidar mit großer Reichweite vorne und hinten brauchen sie daher an jeder Fahrzeugseite noch zwei weitere Lidar-Systeme mit kurzer Reichweite (weniger als 20 m). Alle zukunftsfähigen Lidar-Systeme müssen eine Auflösung von mindestens 0,1° x 0,1°, ein Sichtfeld von circa 115° horizontal und 25° vertikal sowie eine Frame Rate von 25 Bilder/s erzielen und gleichzeitig Temperaturschwankungen von -40 bis zu +85 °C aushalten.

Solid State ist bereits verfügbar

Der israelische Hersteller und Harman-Partner Innoviz bietet mit seiner MEMS-basierten Solid-State-Lidar-Lösung InnovizOne ein Beispiel für ein bereits aktuell verfügbares Solid-State-Lidar-System, das die zukünftigen technischen Anforderungen bereits heute erfüllt (Bild 3).

InnovizOne wurde speziell für Automobilhersteller sowie Anbieter von automatisierten Taxi- und Lieferdiensten entwickelt. Der Lidar-Sensor lässt sich nahtlos in Systemarchitekturen integrieren und liefert unabhängig von Licht- und Wetterverhältnissen eine hochauflösende 3D Point Cloud bis zu einer Entfernung von 250 m. In Verbindung mit entsprechender Software ermöglicht der Sensor eine hervorragende Objekterkennung, -klassifizierung und -verfolgung mit einer hohen Winkelauflösung. InnovizOne ist nach ISO 26262, ISO 9001:2015 sowie IATF 16949 zertifiziert und soll als erster Solid State Lidar in der Automobilindustrie in der für 2021 geplanten, ersten Generation autonomer BMW-Fahrzeuge eingesetzt werden.

Die Herausforderung für die Nutzung von Lidar im Verkehrsalltag zukünftiger automatisierter und autonomer Fahrzeuge liegt darin, die erfassten Sensordaten durch neue, leistungsstarke Umfeldmodellierungsalgorithmen angemessen zu nutzen. Lidar bietet dabei die Basis, um ein klassifiziertes 3D-Modell der Fahrumgebung zu erstellen.