LiDAR

LiDAR – mehr Sicherheit, Effizienz und Autonomie im Fahrzeug

Innovative Lidar-Sensoren sind eine Schlüsseltechnologie in der Automobilbranche der Zukunft. Zahlreiche automatisierte Prozesse, die beim autonomen Fahren eine Rolle spielen, könnten ohne Lidar-Unterstützung teilweise nur schwer realisiert werden. Tausende einzelne Abstandsmessungen werden aus 10 bis 30 3D-Bildern pro Sekunde zusammengesetzt und erzeugen so ein exaktes dreidimensionales Abbild der Fahrzeugumgebung. Ähnlich wie bei der Radarmessung helfen die Sensoren, Hindernisse zu erkennen und Abstände zu messen.

Was ist LiDAR – Light Detection and Ranging

Im Unterschied zur Radar Messung verwendet LiDAR, wie der Begriff „Light“ im Namen verrät, ein optisches Messverfahren.
Dabei werden Laserstrahlen vom Sensor ausgesandt und von einem Objekt reflektiert. Die reflektierten Laserstrahlen werden dann vom Sensor wieder empfangen und von einer angeschlossenen Rechnereinheit ausgewertet.

Für die Auswertung der Laserstrahl-Emissionen stehen verschiedene technologische Verfahren zur Verfügung.

Wie funktioniert die LiDAR-Technologie?

Die derzeit meist verbreitete Methode ist die sogenannte Time to Flight Messung (ToF).

Hierbei wird ein gepulster Infrarot-Laser (850 und 905 nm) gesendet und die Laufzeit gemessen, bis der reflektierte Strahl wieder vom Sensor erkannt wird. Die Herausforderung dabei ist, dass die im Tageslicht vorhandenen Infrarot Anteile der gleichen Wellenlänge den Strahl durch Rauschen negativ beeinflussen. Aus diesem Grund versieht man die Laserpulse mit einem Code, ähnlich einem Morse-Code. Nur empfangene Signale mit dem gleichen Code werden ausgewertet.
Unabhängig davon wird eine sehr hohe Lichtleistung für den Laserstrahl benötigt, damit der gesendete Impuls bei größeren Entfernungen nicht im Rauschen verschwindet. Die Sendeleistung muss jedoch aufgrund des Augenschutzes von Personen begrenzt werden. Dadurch ist die Reichweite des ToF-Verfahrens begrenzt. Ziel ist es, Autos mit schwarzem Lack auch noch aus 200 Meter Entfernung zu erkennen. Aktuell liegen die Reichweiten bei maximal 80 – 100 Meter.
Um die Geschwindigkeit von sich bewegenden Personen oder Objekten zu bestimmen, bedarf es mit dieser Methode mehrere Messungen. Aktuell wird an Algorithmen (FireFly-Prozess) gearbeitet, um die Reichweite der ToF-Methode zu erhöhen.

Der FireFly-Prozess stützt sich auf Hypothesen-Tests, welche in verrauschten Signalen mithilfe von Bewegungsmustern der Pixel bestimmen, welche realistisch sind und welche nicht. Das bedeutet, dass sich nur „echte“ Messpunkte nach den Grenzen der Physik verhalten. Die „falschen“ Messpunkte können so herausgefiltert werden.

Ein neueres Verfahren ist die Frequency Modulated Continous Wave (FMCW) Methode.
FMCW ist bereits aus der Radar-Technik bekannt, jedoch aktuell für LiDAR noch nicht in der Serie verfügbar.

Der ausgesendete Laserstrahl (1550 nm) wird mit der FMCW-Methode kontinuierlich moduliert und „gechirpt“ (zirpen). Das bedeutet, dass die Frequenz des Signals periodisch erhöht und abgesenkt wird. Trifft der Laserstrahl auf ein Objekt, wird er daran reflektiert. Aufgrund der Laufzeit und der periodischen Frequenzänderung weicht die Frequenz des empfangenen Strahls vom gerade gesendeten ab. Die Differenz dieser beider Frequenzen ist proportional zur Entfernung und gibt somit Aufschluss über den Abstand zum Objekt. Bewegt sich das Objekt, so kommt es zu einer zusätzlichen Frequenzverschiebung aufgrund des Doppler-Effekts. So kann auch die Geschwindigkeit des Objekts bestimmt werden.

Systeme mit 1550 nm Wellenlänge (FMCW-LiDAR) sind gegenüber Sonneneinstrahlung robuster und können mit deutlich geringerer Lichtleistung augenschonender arbeiten (40 Mal bessere Augensicherheit). FMCW-LiDAR bietet zusätzlich eine höhere Auflösung als ToF-LiDAR.

LiDAR-Sensoren

Die ersten LiDAR Sensoren waren sehr teuer (> 10.000 €) und mechanisch aufwendig. Somit war der Serieneinsatz im Fahrzeug mehr als fraglich. Rotierende Spiegel lenkten den Laserstrahl Zeile für Zeile in die gewünschte Richtung – wie bei einem Scanner. Die dafür nötige Mechanik ist sehr groß und schwer und erfordert höchste Präzision für die drehenden Teile.
Zudem sind diese Scanner sehr empfindlich auf Vibration und Schock. Erst als sogenannte Solid State Sensoren entwickelt wurden, die ohne mechanische Teile auskommen, schien der Weg in das Serienfahrzeug frei zu sein. Die Preise sollen sich in Zukunft im 3-stelligen Bereich einpendeln.
Es werden hier auf teils scheckkarten-großen Sensorfeldern Sender und Empfänger für etwa 80 Zeilen und mit mehr als 100 Punkten pro Zeile realisiert. 25 Bilder pro Sekunde können so erfasst werden.
Wenn man mehrere dieser Sensoren strategisch am Fahrzeug platziert, wird ein 360° Rundumblick ermöglicht.

Vor- und Nachteile von LiDAR-Sensoren

LiDAR-Sensoren sind in der Lage, ein komplettes 3-dimensionales Abbild der Umgebung des Fahrzeugs zu erzeugen.
Dieses Abbild lässt keinen Spielraum für Interpretationen zu und produziert reale 3D-Daten.
Mit LiDAR lassen sich Entfernungen und Geschwindigkeiten von Objekten sehr präzise bestimmen.

LiDAR Sensoren haben aber zwei gravierende Nachteile:

• Sie können keine Farben erkennen, was das Lesen von Verkehrsschildern unmöglich macht.
• Sie haben Probleme bei Nebel – durch die feuchte Luft kann der Infrarot-Laser keine zuverlässigen Daten mehr liefern.

LiDAR-Sensoren

LiDAR Sensoren sind ein wesentlicher Bestandteil, um das autonome Fahren sicherer zu machen und realisieren zu können.
In der Praxis zeigen sich aber auch wesentliche Nachteile dieser Technologie. Die meisten Fahrzeughersteller sind sich darüber einig, dass es eine Kombination aus LiDAR, Radar, Kameratechnik und GPS (Sensor Fusion) braucht, um ein Auto in der Zukunft auch in schwierigen Verkehrsabschnitten autonom betreiben zu können.