LiDAR für Autos: autonomes Fahren und die Technik der Zukunft
Autonomes Fahren ist ein Gebiet, das bahnbrechende Technik fordert und hervorbringt. Dazu gehört auch Light Detection and Ranging – kurz: LiDAR. Diese fortschrittliche Sensorik hat das Potenzial, das autonome Fahren auf ein neues Level zu heben und eine sicherere und effizientere Mobilität der Zukunft zu ermöglichen – immerhin ist es neben Radar und Kamera der dritte Hauptsensor in autonomen Fahrzeugen.
Auf dieser Seite erfahren Sie alles Wichtige über LiDAR für Autos und die Möglichkeiten, die diese fortschrittliche Technik für das autonome Fahren bietet.
So funktioniert LiDAR beim Auto
LiDAR-Systeme verfügen über komplexe Sensoren und eine Vielzahl von Hardwarekomponenten, haben aber ein recht einfaches Funktionsprinzip: Ähnlich einem Radar senden die LiDAR-Sensoren Laserpulse aus, die von der Umgebung reflektiert und vom System gemessen werden.
Anhand der Laufzeitmessung (die Zeit, die zwischen dem Aussenden des Lasers und dem Auffangen der Reflexion durch den Detektor liegt) können also exakte Entfernungen berechnet werden. Wenn der LiDAR-Sensor am Auto diesen Puls tausendfach oder öfter aussendet, entsteht eine genaue Karte der Umgebung, die auch Details erfasst. So kann sich das Fahrzeug orientieren und das Fahrverhalten an verschiedene Verkehrsteilnehmer anpassen.
LiDAR-Sensoren kommen in verschiedenen Assistenzsystemen für autonomes Fahren zum Einsatz, z. B. bei der adaptiven Geschwindigkeitsregelung, bei der Echtzeit-Wahrnehmung oder beim Spurhalteassistenten. Sogar bei der Vermessung von Gebäuden ist LiDAR ein beliebtes Werkzeug.
Bei den verschiedenen LiDAR-Arten (die weiter unten vorgestellt werden) können mehrere Ansätze unterschieden werden, nämlich:
Direct-Time-of-Flight-LiDAR (dToF)
dToF oder direct-Time-of-Flight-LiDAR ist ein einfacher Ansatz, der einen Infrarot-Laserpuls, einen Empfänger und einen Timer verwendet. Das LiDAR-System sendet einen Puls aus, der den Timer startet. Sobald das Echo empfangen wird, stoppt der Timer und die Laufzeit wird gemessen.
Mit Hilfe der bekannten Lichtgeschwindigkeit kann die Entfernung zum Objekt genau berechnet werden. Eine nützliche Funktion von dToF ist die Fähigkeit, mehrere Echos zu empfangen und dadurch mehrere Objekte zu erkennen. Diese Technik ist äußerst flexibel und präzise und kann Entfernungen von wenigen Zentimetern bis zu mehreren hundert Metern genau messen.
Indirect-Time-of-Flight-LiDAR (iToF)
Im Fall des indirekten ToF-Lidar (iToF) wird eine kontinuierliche Lichtwelle vom Laser ausgesendet. Die Phasenlage des ausgesandten Strahls wird mit dem Echostrahl verglichen, um die Entfernung zu bestimmen.
Obwohl iToF weit verbreitet ist, offenbaren sich seine Einschränkungen bei kurzen Entfernungen bis zu zehn Metern. Auch ist es bei mehreren Objekten überfordert, da nur das stärkste Echo erfasst wird.
LiDAR-Systeme sind nicht fehlerfrei. So hat jede Art von Lidar-System seine Stärken und Schwächen. Beispielsweise eignen sich rotierende LiDAR-Systeme hervorragend für die schnelle Erfassung großer Bereiche, während scannende LiDAR-Systeme präzise Messungen von nahegelegenen Objekten ermöglichen. Sogar im iPhone ist mittlerweile LiDAR verbaut.
FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) LiDAR
ToF-Lidar (Laufzeit-Lidar) funktioniert nachts zwar hervorragend, hat aber seine Schwächen. Beispielsweise wird es bei hellem Tageslicht oft durch Sonneneinstrahlung im Infrarotbereich gestört, was zusätzliches Rauschen beim Signalempfang erzeugt.
Deshalb ist FMCW-LiDAR als Option sehr wichtig. Dieses LiDAR-System funktioniert mittels optischer Signalvorverarbeitung, die eintreffende Hintergrundstrahlung und Interferenzen unterdrückt, wodurch das Signal klarer wird.
Gut zu wissen: Mit Hilfe von LiDAR gelang es dem autonom fahrenden Ford Fusion-Modell, bei Nacht ohne Scheinwerfer zu fahren. Das Testgelände war eine Wüstenstraße.
Mehr über intelligente Verkehrslösungen erfahren: Intelligente Verkehrssysteme
Diese LiDAR-Systeme sollen am Auto zum Einsatz kommen
LiDAR wurde bereits vor dem Aufkommen des autonomen Fahrens eingesetzt. Die Technologie wurde in den 1960er-Jahren für Vermessungs- und Kartierungsarbeiten entwickelt und beispielsweise dazu verwendet, Geländehöhen zu messen. Mit dem Aufkommen des autonomen Fahrens gewann LiDAR auch für die Automobilindustrie an Bedeutung.
LiDAR spielt vor allem bei der Sicherheit und Zuverlässigkeit autonomer Fahrsysteme eine wichtige Rolle. Die Technik kommt in verschiedenen Fahrerassistenzsystemen zum Einsatz und dient auch dazu, vollständig autonome Fahrzeuge bei der Entscheidungsfindung im Straßenverkehr zu unterstützen. Folgende LiDAR-Technologien sollen zukünftig eingesetzt werden:
Neben LiDAR ist auch eine verlässliche Infrastruktur eine weitere Grundvoraussetzung für mehr Sicherheit im Straßenverkehr. Dabei spielen moderne Fahrbahnmarkierungen – genannt Road Marking Systems – eine wichtige Rolle.
Mechanical Scanning LiDAR
Bei dieser Art von LiDAR wird ein rotierender Spiegel oder ein Prisma verwendet, um den Strahl in unterschiedliche Richtungen zu lenken. Die Laserimpulse werden in einer schwenkenden Bewegung ausgesendet, wodurch ein spezifisches Sichtfeld abgedeckt wird.
Solid-State-LiDAR
Festkörper-LiDAR-Systeme nutzen eine Methode, bei der der Laserstrahl – ohne den Einsatz mechanisch bewegter Scan-Komponenten – auf das gleiche Blickfeld gelenkt und aufgefächert wird. Ohne diese beweglichen Teile können Solid-State-LiDAR-Systeme deutlich kompakter und robuster verbaut werden als herkömmliche Sensoren.
Die nicht beweglichen Systeme bieten zudem den Vorteil schnellerer Scanraten, eines geringeren Energieverbrauchs und höherer Zuverlässigkeit als mechanische LiDAR-Scanner.
3D-Flash-LiDAR
Flash-LiDAR setzt auf einen einzigen Laserimpuls, der in einem kurzen Moment das gesamte Sichtfeld erfasst. Mithilfe der gemessenen Laufzeit des zum Sensor reflektierten Lichts wird ein umfassendes 3D-Bild der Umgebung in nur einer Aufnahme erstellt.
Flash-LiDARs zeichnen sich durch ihre hohe Geschwindigkeit aus und sind ideal für Echtzeitanwendungen geeignet. Es gibt jedoch möglicherweise Beschränkungen hinsichtlich Reichweite und Auflösung, die beachtet werden sollten.
Gut zu wissen: Für 3D-Flash-Lidar-Verfahren werden oft Laser verwendet, die mit einer Wellenlänge von 1064 nm im Infrarotbereich arbeiten. So kann die Signalüberlagerung durch direkte Sonneneinstrahlung vermieden werden.
Photon-Counting-LiDAR
Photonenzähler-LiDAR-Systeme nutzen die Erfassung einzelner Photonen, die von der Umgebung reflektiert werden. Sie verfügen über eine extrem hohe Detektions-Sensitivität und ermöglichen es, hochauflösende Kartierungen zu erstellen und präzise Entfernungsmessungen durchzuführen. Photo-Count-LiDARs finden häufig Anwendung in der wissenschaftlichen Forschung, so beispielsweise auch bei der Photonenzähler-Computertomographie.
Es gibt bereits einige Firmen, die sich mit LiDAR-Sensoren beschäftigen: So sind Unternehmen wie Bosch, ZF, Velodyne, Luminar, Blackmore, Opsys, Innovusion Quanergy und viele weitere damit beschäftigt, LiDAR-Systeme zu produzieren und weiterzuentwickeln.
Wer nutzt LiDAR?
Oben genannte Firmen wie Velodyne LiDAR, Quanergy, Innovusion und Luminar Technologies, die sich als führende Hersteller der Sensortechnologie etabliert haben, setzen auf die Weiterentwicklung der LiDAR-Systeme, um diese für autonome Fahrzeuge im Straßenverkehr zu etablieren. Luminar beispielsweise hat sich auf die Entwicklung von Hochleistungs-LiDAR-Systemen für autonome Fahrzeuge spezialisiert. Kunden von Luminar sind keine geringeren als Mercedes und Audi.
Nicht nur Hersteller wie Audi, BMW, Ford, Volvo und Waymo haben das Potenzial von LiDAR erkannt. Auch Tesla, einer der Pioniere in Sachen autonomes Fahren, setzt nun auf die fortschrittliche Sensortechnologie – und das, nachdem Elon Musk LiDAR zuvor als “Irrweg” bezeichnet hatte.
Konkrete Lösungen by SWARCO
Fazit: LiDAR für autonome Fahrzeuge hat Zukunft
LiDAR für Autos ist zweifellos vielversprechend für den Bereich autonomes Fahren. Als entscheidender Bestandteil der Sensortechnik ermöglicht LiDAR eine präzise Tiefenwahrnehmung und schafft somit die Grundlage für eine sichere und effiziente Mobilität der Zukunft.
Durch kontinuierliche Weiterentwicklung und die Bemühungen von Unternehmen, LiDAR-Systeme zu verbessern und kostengünstiger zu machen, werden wir in naher Zukunft noch leistungsfähigere und zuverlässigere Lösungen erleben. LiDAR ist und bleibt ein entscheidender Baustein für die Weiterentwicklung des autonomen Fahrens und wird die Mobilität von morgen maßgeblich prägen.
Last but not least: Autonomes Fahren wird in Zukunft viele Vorteile und vor allem mehr Sicherheit mit sich bringen. Ein wichtiger Bestandteil dieser Sicherheit sind nicht nur vernetzte Verkehrssysteme, sondern auch hochmoderne Sensortechnik wie LiDAR. Es kann die Sicherheit auf den Straßen erhöhen, die Entscheidungsfindung bei autonomen Fahrzeugen unterstützen und den Verkehrsfluss verbessern.
FAQs
Häufige Kundenfragen kurz erklärt
LiDAR-Sensoren verwenden Laserimpulse, um die Umgebung zu erfassen und die Laufzeit der reflektierten Signale zu messen. Aufgrund dieser Messungen wird eine präzise 3D-Punktwolke der Umgebung erstellt, die auch Tiefenwahrnehmung erlaubt. So können Hindernisse zuverlässig erkannt werden.
LiDAR kann je nach System über eine geringe oder hohe Reichweite verfügen. So sind Reichweiten von wenigen Metern, aber auch solche mit 200 Metern möglich. Das von AEye entwickelte LiDAR-System soll sogar bis zu 1000 Meter weit reichen.
LiDAR ist in den leistbaren Bereich gerückt. Momentan sind diese für unter 10.000 € erhältlich, in Zukunft sind aber noch deutlich niedrigere Preise möglich. Wird diese Voraussage Realität, kann LiDAR in Autos standardmäßig verbaut werden.
Mittlerweile widmen sich viele Hersteller der Produktion und Weiterentwicklung von LiDAR-Sensoren. Dazu gehören namhafte Firmen wie Bosch oder Velodyne, aber auch Luminar, Blackmore, Opsys, Innovusion oder Quanergy, um nur einige zu nennen.
STAY INFORMED
GET OUR NEWSLETTER!
Subscribe to our ITS / Smart Mobility Newsletter and receive regular updates on trends, developments, solutions and events.
Bilder: © MicroOne – stock.adobe.com; © Mopic – stock.adobe.com; © Windawake – stock.adobe.com