Die neue Lidar-Generation Schlüsseltechnik

Die Lidar-Technik - eine Schlüsselrolle bei den Assistenzsystemen.
Lidar als Schlüsseltechnik für moderne Assistenzsysteme.

Vom sündhaft teuren Prototypen-System zum serientauglichen Laserscanner im Kompaktformat: Die Lidar-Technik hat sich rasant weiterentwickelt und steht nun kurz davor, eine Schlüsselrolle bei der Realisierung anspruchsvoller Assistenzsysteme bis hin zum Autopiloten einzunehmen.

Die ersten Google-Autos mit dem riesigen Laserscanner auf dem Dach waren nicht unbedingt die besten Werbeträger für die Lidar-Technik: Das dort installierte System ist viel zu groß und mit einem Stückpreis von rund 70.000 US-Dollar vor allem viel zu teuer für einen Serieneinsatz. Doch inzwischen steht eine neue Generation von Laserscannern in den Startlöchern, die nicht nur erheblich günstiger, sondern auch um ein Vielfaches kompakter geworden sind.

Dass etwa der fahrerlose Audi A8 L W12, der den Schauspieler Daniel Brühl zur Eröffnungs-Gala der diesjährigen Internationalen Filmfestspiele Berlin brachte, mit Lidar-Technik ausgerüstet war, dürfte kaum jemand bemerkt haben. So dezent war das System im Fahrzeug integriert. Doch was genau steckt hinter der Lidar-Technik und warum ist sie so wichtig für das hochautomatisierte Fahren?

Technische Grundlagen

Die Abkürzung Lidar kommt aus dem Englischen und steht für Light Detection and Ranging. Ein Lidar-System basiert auf dem sogenannten „Time of Flight“-Verfahren, bei dem mit verschiedenen Methoden die Zeit gemessen wird, die z.B. ein Objekt benötigt, um sich innerhalb eines Mediums fortzubewegen. Im Automotive-Bereich wird dieses Verfahren vor allem mit Laserpulsen umgesetzt. Dazu wird ein kurzer Laserpuls emittiert und dann die Zeit gemessen, die vergeht, bis der von einem Objekt in der Umgebung reflektierte Laserpuls von einem Sensor empfangen wird. Aufgrund der konstanten Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht kann durch die benötigte Zeit die Entfernung zum reflektierenden Objekt in der Umgebung errechnet werden.

Mit den heute im Automotive-Bereich eingesetzten Lidar-Systemen können kooperative Ziele in Entfernungen von bis zu 300 Metern erfasst werden. Kooperative Ziele sind z.B. Reflektoren wie etwa Nummernschilder, Rücklichter oder Straßenschilder. Üblicherweise werden Laserpulse mit einer Breite von 3 bis 20 ns verwendet. Dabei gilt, je kürzer der Puls, desto höher ist die Messgenauigkeit. Die verwendeten Laserlichtquellen arbeiten im Infrarotbereich, der vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen werden kann.

Um eine komplette Erfassung des Fahrzeugumfeldes zu erreichen, werden Laserscanner eingesetzt. Ein Laserscanner ist ein Lidar-System, das Laserpulse in schneller Folge in unterschiedliche Richtungen aussendet und empfängt. Durch dieses als Scannen bezeichnete Verfahren lässt sich ein zwei- bzw. sogar ein dreidimensionales Abbild der Umgebung erzeugen. Diese Fähigkeit prädestiniert die Lidar-Technik für den Einsatz zur Umfelderkennung im Automotive-Bereich.

Stärken und Schwächen

Lidar-Systeme – speziell Laserscanner mit hoher Winkelauflösung und großem Sichtfeld – bieten im Vergleich mit anderen Sensortechnologien wie z.B. Radarsensoren und Kameras eine hohe Winkel- und Abstandauflösung. Diese Eigenschaften erlauben es, mittels geeigneter Software-Verfahren aus den erfassten Messdaten ein hochgenaues Modell der Fahrzeugumgebung zu erzeugen. Dieses Modell beinhaltet neben anderen Verkehrsteilnehmern wie Pkw, Lkw, Zweirädern und Fußgängern auch Informationen über die Straßeninfrastruktur wie z.B. die Position von Leitplanken, Verkehrszeichen und Fahrbahnmarkierungen (Bild 1).

Neben Position und Form der Objekte können mittels Objektverfolgungsalgorithmen (Tracking) auch deren Geschwindigkeit und andere relevante dynamische Größen wie beispielsweise die Drehrate ermittelt werden (Bild 2).

Beim Lidar-System handelt es sich also um ein Abstands- und Geschwindigkeitsmesssystem für die Erfassung von Objekten. Ein solches System kann Hindernisse erkennen, damit diese umfahren werden sowie ein Bremsvorgang oder andere Funktionen eingeleitet werden können. Die Lidar-Technik arbeitet mit einem aktiven Messverfahren, das weitgehend unabhängig von den Umgebungslichtbedingungen funktioniert. Dies ist ein Vorteil gegenüber Kamerasystemen, deren Genauigkeit immer von der Lichtsituation abhängig ist. Eine weitere Stärke von Lidar als aktivem Messverfahren ist die explizite Erkennung von Freiraum im gesamten Sichtfeld (Bild 3). Somit können Hindernisse direkt erkannt werden, um z.B. eine Geschwindigkeitsanpassung zur Vermeidung einer Kollision zu initialisieren.

Aufgrund der genannten Stärken stellt die Laserscanner-Technik eine Schlüsseltechnik für das automatisierte und autonome Fahren dar. Mit dem Einsatz von Lidar steht darüber hinaus ein wichtiges Bindeglied zur Verfügung, das die Sensoren für den Nahbereich mit denen für den Fernbereich verknüpft. Dementsprechend hat auch die Popularität von Laserscannern im Fahrzeug in jüngster Vergangenheit stark zugenommen.

Neben vielen Vorteilen hat die Lidar-Technik auch eine spezifische Schwäche. So kann eine mögliche Trübung der Atmosphäre beispielsweise durch Nebel oder starke Gischt die Messungen latent beeinflussen. Doch auch dieser Schwäche lässt sich noch etwas Positives abgewinnen: So können die Informationen über eine Atmosphärentrübung dazu genutzt werden, den Fahrer oder eben auch Assistenzsysteme zu warnen, um für eine der Sichtsituation angemessene Fahrweise zu sorgen.

Kurzportät Ibeo Automotive

Ibeo erforscht und entwickelt bereits seit fast 20 Jahren Automotive-taugliche Laserscanner sowohl für Fahrerassistenzsysteme als auch für das hochautomatisierte Fahren und gehört zu den weltweit führenden Anbietern solcher Systeme. OEMs, Zulieferer sowie Forschungsinstitute und Entwicklungsabteilungen im Automotive-Bereich setzen Laserscanner von Ibeo ein. Mit der beginnenden Serienproduktion des Laserscanners ScaLa wird das erste Produkt auch dem Endkunden zur Verfügung gestellt.