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Next-Mobility.news 04/2018 - Die Vorteile von Lidar-Sensoren im autonomen Fahrzeug

26.04.2018 Autor/Redakteur: Dirk Eberhardt/Hendrik Härter

Lidar-Sensoren kommen vor allem in autonomen Fahrzeugen zum Einsatz. Zusammen mit einem Lasersystem ergänzen sich beide Techniken. Der Beitrag zeigt neben der Arbeitsweise die Vorteile von Lidar in der Praxis. 

Für das autonome Fahren wird Lidar ein wichtiger Stellenwert eingeräumt. Hinter Lidar verbirgt sich Light Detection and Ranging, also ein optisches Messsystem, um Objekte zu detektieren. Durch die Reflexion des ausgesandten Lichts am Objekt bis hin zum Eintreffen des Lichs am Empfänger lässt sich über die Laufzeit die Position des Objektes bestimmen. Die Popularität des Begriffs Lidar hat in der jüngeren Vergangenheit rasant zugenommen. Zahlreiche Sensoren, Systeme und Anwendungslösungen rangieren mittlerweile unter dieser Begrifflichkeit, die Ihren Ursprung in der wissenschaftlichen Anwendung, wie beispielsweise der optischen Fernerkundung von Wetterphänomenen, der optischen Untersuchung von der Erdoberfläche oder auch von archäologischen Stätten, hat.

Wie bereits häufig geschehen, haben sowohl die Technologie als auch der Begriff den Weg über die Automobilindustrie in eine breite Öffentlichkeit gefunden. Die Idee der Weiterentwicklung von Systemen zur aktiven Sicherheit und den Bemühungen das Fahren autonom zu gestalten, führte zu einer schnellen Entwicklung der günstigen Lidar-Technik und zu zahlreichen Neugründungen von Unternehmen.

 

Lidar und automatisierte Fahrzeuge

Was für den breiten Markt von PKW und Nutzfahrzeugen im öffentlichen Straßenverkehr noch Zukunft ist, wurde auf nicht öffentlichen Gelände, beispielsweise den größten Hafen- und Logistikzentren der Welt, bereits umgesetzt. Kräne entladen Containerschiffe, ohne direktes menschliches Zutun, Portalhubwagen, wie von Geisterhand fahrende Transporteinheiten und Routenzüge, bewegen die Güter von und zu den Lagerstätten. Hier kommen unterschiedliche Techniken zum Einsatz, um Fahrzeuge und Kräne zu steuern und Kollisionen zu verhindern. Sie sind bereits in vielfältiger Weise im Einsatz. Der automatisierte Transport spielt in den meisten Industriezweigen eine wesentliche Rolle. Treiber hierfür sind Wirtschaftlichkeitsanalysen, aber auch Themen wie Arbeitsrecht, Ausfall- und Prozesssicherheit. Was die Hafenbetreiber jedoch mit einer nahezu Vollautomatisierung gezeigt haben, ist, dass ab einem bestimmten Warenfluss automatisierte Fahrzeuge die ökonomischste aller Lösungen ist.

Aktuell werden Lidar-Sensoren dazu verwendet, Systeme für autonome Fahrzeuge zu entwickeln, die im öffentlichen Straßenverkehr fahren. Lidar als kostengünstige Technik ergänzt die Sensoren herkömmlicher Assistenzsysteme im Fahrzeug. Oft wird der Lidar-Sensor als ein Konkurrenz-Produkt zu Radar-Sensoren angesehen oder genannt. Fakt ist allerdings, dass ein Lidar-Sensor den Radar-Sensor ergänzt. Seine Vorzüge liegen in der Konfiguration bei großen Distanzen. Das Richtfeld eines in der Baugröße vergleichbaren Radar-Sensors wird auf weite Distanzen deutlich größer, da die gezielte Ausrichtung der Radarkeule nur begrenzt zu beeinflussen ist. Mehrere Objekte in der Ferne lassen sich nicht selektieren.

 

Abgrenzung zu herkömmlichen Lasersystemen

Die Zusammenfassung bekannter und bereits im Einsatz befindlicher Techniken, wie beispielsweise der 2D- und 3D-Laserscanner oder einfache Laserdistanzsysteme, unter dem Begriff Lidar, ist dabei technisch nicht falsch. Zieht man für einen Vergleich marktübliche 2D-Laserscanner und Laserdistanzsensoren heran, so braucht der Lidar-Sensor den Vergleich nicht zu scheuen. Jedes dieser Systeme leitet seine Existenzberechtigung aus den zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten in der Industrie ab. Der Laserscanner liefert ein hohes Maß an Präzision, Auflösung und Geschwindigkeit. Allerdings fällt ein großer Datenstrom an, der nur rechenintensiv ausgewertet werden kann. Ausgewertet werden die Daten in den meisten Fällen nicht an Bord, sondern in einem Backend. Technisch gesehen handelt es sich bei diesen Systemen um klassische Laserdistanzsensoren, bei denen der Laserstrahl über einen rotierenden Polygonspiegel umgelenkt wird. Mithilfe eines Winkelcodierers lässt sich die Richtung des Objekts bestimmen.

Über den ermittelten Abstand und die Richtung kann die exakte Position eines Objekts bestimmt werden. Aufgrund des mechanischen Aufbaus des Gerätes sind diese Messsysteme in der Langlebigkeit begrenzt. Der Verschleiß wird beim Einsatz in Fahrzeugen noch verstärkt, da der Sensor deutlich höheren Rüttel- und Schockbelastungen ausgesetzt ist. Durch den komplexen Aufbau der 2D- und 3D-Messsysteme bewegen die Geräte eher in oberen Preisregionen. Auch ihre Baugröße macht es erforderlich, einen solchen Scanner in einer Anlage, einem Fahrzeug oder einem Roboter unterzubringen. Anders hingegen Lidar-Sensoren: Dank ihres Solid-State-Aufbaus sind sie kompakt und verschleißfrei. Äußere Einflüsse wie Vibrationen stören das Messergebnis nicht.

 

Nachteil eines Laserdistanz-Messsystems

Das herkömmliche Laserdistanz-Messsystem misst schnell und präzise und ist auf einen Punkt fokussiert. Allerdings sind gerade die kleinsten Bauformen in der Reichweite begrenzt und sie sind anfällig gegenüber Staub, Dampf und Rauch. Die Sensoren reagieren empfindlich auf Reflexionen. Für eine Messung auf natürliche Objekte sind die Sensoren nur bedingt geeignet. Sie sind eher für stark standardisierte Anwendungen in definierten Umgebungen ausgelegt. Für die Detektion von natürlichen Objekten unter Umwelteinflüssen eignet sich ein 1-Segment-Lidar-Sensor deutlich besser als ein klassisches Laserdistanz-Messsystem. Es wird ein definierter Bereich ausgeleuchtet und somit muss das zu messende Objekt keinen homogenen Reflexionsgrad aufweisen. Außerdem wird das Messprinzip nicht vom Gegenlicht beeinflusst.

Lidar-Sensoren arbeiten nach dem Laufzeitverfahren TOF = Time of Flight. Hierbei wird jedes Sensorsegment mithilfe eines definierten codierten Lichtimpulses angesteuert und der Sensor misst für jedes Segment die Laufzeit des Lichts. Gemessen wird die Laufzeit des Lichts, um zum Objekt hin und wieder zurückzugelangen. Die benötigte Zeit ist direkt proportional zur Entfernung. Die Sensoren verfügen über eine Sende- und Empfangseinheit, sowie einem Mikroprozessor für die Auswertung. Herzstück ist eine Software, die speziell für die Anwendung in Multisegment-Lidar-Sensoren entworfen wurde und stetig weiterentwickelt wird. Als Sendeeinheit werden entweder LEDs oder Laserdioden verwendet. Sie haben den Vorteil, schnell moduliert zu werden. Eine schnelle Modulation wirkt sich positiv auf die Laufzeitmessung aus. Dazu wird ein Lichtimpuls mit wenigen Nanosekunden im nahen Infrarot (NIR) gesendet. Je nach Sensortyp liegt dieser zwischen 840 bis 950 nm. Der Empfänger besteht aus mehreren Segmenten und jedes Segment erhält einen separaten Sendeimpuls. Durch den komplexen Aufbau des Empfängers misst jeder Bildpunkt aus dem einfallenden Licht die Laufzeit des für ihn bestimmten Sendepulses. Der Sendepuls wird von den zu messenden Objekten reflektiert und vom Empfänger erkannt. Die Streulichtausblendung wird über einen optischen Filter realisiert.

 

Algorithmus für Sender und Empfänger

Das Herzstück der Sensoren und Module von LeddarTech ist der auf Algorithmen beruhende LeddarCore. Er koordiniert die Ansteuerung von Sender und Empfänger und ermittelt aus den Messsignalen des Empfängers die Anzahl der unterschiedlichen Objekte, die sich in einem Segment befinden. Ausgegeben werden die aufgearbeiteten Messdaten in genormten Protokollen wie CAN, USB, RS-485 oder SPI. Der Sensor übergibt neben der Segmentnummer an den Schnittstellen auch die Distanz zu den Objekten sowie deren Reflexionsgrad.

Ein Solid-State-Lidar-Scanner (Festkörper-Scanner) bietet den Vorteil, dass sie zusammengefasst sind der einfache und robuste Aufbau und das technologische Konzept dieses Messverfahrens, welches ohne bewegliche Komponenten auskommt. Dies bietet den enormen Vorteil einer langen Lebensdauer unter harten, vibrationsstarken Bedingungen. Im unmittelbaren Vergleich zu herkömmlichen Laserscannern und Triangulationssystemen kommen noch weitere Vorteile hinzu. Lidar-Sensoren sind baulich deutlich kleiner, haben eine sehr viel geringere Stromaufnahme von ungefähr 200 mA und eine Reichweite von 185 m in einem deutlich weiteren Messfeld. Außerdem sind sie nahezu wartungsfrei. Die Lidar-Sensoren und -Module von Proxitron sind für den Kunden leicht zu integrieren, da die Datenaufarbeitung bereits im Sensor stattfindet.

 

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