Innovative Lidar-Sensoren sind eine Schl\u00fcsseltechnologie in der Automobilbranche der Zukunft. Zahlreiche automatisierte Prozesse, die beim autonomen Fahren eine Rolle spielen, k\u00f6nnten ohne Lidar-Unterst\u00fctzung 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. \u00c4hnlich wie bei der Radarmessung helfen die Sensoren, Hindernisse zu erkennen und Abst\u00e4nde zu messen.<\/p>\n
Im Unterschied zur Radar Messung verwendet LiDAR, wie der Begriff \u201eLight\u201c im Namen verr\u00e4t, 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.<\/p>\n
F\u00fcr die Auswertung der Laserstrahl-Emissionen stehen verschiedene technologische Verfahren zur Verf\u00fcgung.<\/p>\n
Die derzeit meist verbreitete Methode ist die sogenannte Time to Flight Messung (ToF)<\/strong>.<\/p>\n 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 Wellenl\u00e4nge den Strahl durch Rauschen negativ beeinflussen. Aus diesem Grund versieht man die Laserpulse mit einem Code, \u00e4hnlich einem Morse-Code. Nur empfangene Signale mit dem gleichen Code werden ausgewertet. Der FireFly-Prozess st\u00fctzt 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 \u201eechte\u201c Messpunkte nach den Grenzen der Physik verhalten. Die \u201efalschen\u201c Messpunkte k\u00f6nnen so herausgefiltert werden.<\/p>\n Ein neueres Verfahren ist die Frequency Modulated Continous Wave (FMCW)<\/strong> Methode. Der ausgesendete Laserstrahl (1550 nm) wird mit der FMCW-Methode kontinuierlich moduliert und \u201egechirpt\u201c (zirpen). Das bedeutet, dass die Frequenz des Signals periodisch erh\u00f6ht und abgesenkt wird. Trifft der Laserstrahl auf ein Objekt, wird er daran reflektiert. Aufgrund der Laufzeit und der periodischen Frequenz\u00e4nderung weicht die Frequenz des empfangenen Strahls vom gerade gesendeten ab. Die Differenz dieser beider Frequenzen ist proportional zur Entfernung und gibt somit Aufschluss \u00fcber den Abstand zum Objekt. Bewegt sich das Objekt, so kommt es zu einer zus\u00e4tzlichen Frequenzverschiebung aufgrund des Doppler-Effekts. So kann auch die Geschwindigkeit des Objekts bestimmt werden.<\/p>\n Systeme mit 1550 nm Wellenl\u00e4nge (FMCW-LiDAR) sind gegen\u00fcber Sonneneinstrahlung robuster und k\u00f6nnen mit deutlich geringerer Lichtleistung augenschonender arbeiten (40 Mal bessere Augensicherheit). FMCW-LiDAR bietet zus\u00e4tzlich eine h\u00f6here Aufl\u00f6sung als ToF-LiDAR.<\/p>\n Die ersten LiDAR Sensoren waren sehr teuer (> 10.000 \u20ac) und mechanisch aufwendig. Somit war der Serieneinsatz im Fahrzeug mehr als fraglich. Rotierende Spiegel lenkten den Laserstrahl Zeile f\u00fcr Zeile in die gew\u00fcnschte Richtung \u2013 wie bei einem Scanner. Die daf\u00fcr n\u00f6tige Mechanik ist sehr gro\u00df und schwer und erfordert h\u00f6chste Pr\u00e4zision f\u00fcr die drehenden Teile. LiDAR-Sensoren sind in der Lage, ein komplettes 3-dimensionales Abbild der Umgebung des Fahrzeugs zu erzeugen. LiDAR Sensoren haben aber zwei gravierende Nachteile:<\/strong><\/p>\n LiDAR Sensoren sind ein wesentlicher Bestandteil, um das autonome Fahren sicherer zu machen und realisieren zu k\u00f6nnen.
Unabh\u00e4ngig davon wird eine sehr hohe Lichtleistung f\u00fcr den Laserstrahl ben\u00f6tigt, damit der gesendete Impuls bei gr\u00f6\u00dferen 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 erh\u00f6hen.<\/p>\n
FMCW ist bereits aus der Radar-Technik bekannt, jedoch aktuell f\u00fcr LiDAR noch nicht in der Serie verf\u00fcgbar.<\/p>\nLiDAR-Sensoren<\/h2>\n
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-gro\u00dfen Sensorfeldern Sender und Empf\u00e4nger f\u00fcr etwa 80 Zeilen und mit mehr als 100 Punkten pro Zeile realisiert. 25 Bilder pro Sekunde k\u00f6nnen so erfasst werden.
Wenn man mehrere dieser Sensoren strategisch am Fahrzeug platziert, wird ein 360\u00b0 Rundumblick erm\u00f6glicht.<\/p>\nVor- und Nachteile von LiDAR-Sensoren<\/h2>\n
Dieses Abbild l\u00e4sst keinen Spielraum f\u00fcr Interpretationen zu und produziert reale 3D-Daten.
Mit LiDAR lassen sich Entfernungen und Geschwindigkeiten von Objekten sehr pr\u00e4zise bestimmen.<\/p>\n\n
LiDAR-Sensoren<\/h2>\n
In der Praxis zeigen sich aber auch wesentliche Nachteile dieser Technologie. Die meisten Fahrzeughersteller sind sich dar\u00fcber 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 k\u00f6nnen.<\/p>\n