Im Jahr 2004 wurde ein Wettbewerb ausgerufen, um zu sehen, ob jemand ein autonomes Fahrzeug entwickeln könnte, das eine 142 Meilen lange Strecke durch die Mojave Wüste (USA) fährt, und damit kam Lidar auf einmal ins Bewusstsein der Öffentlichkeit. Die Veranstaltung wurde von der Defense Advanced Research Agency (DARPA) organisiert, einer Behörde des US-Verteidigungsministeriums. Der Wettbewerb beflügelte die Vorstellungskraft von Forschern und Entwicklern, das Ergebnis waren einige bizarre und innovative Designs.

Autos und Trucks wurden mit Kameras und Sensoren jeder denkbaren Größe und Form ausgestattet. Die Bilder der nervösen und Bleistift-kauenden Entwickler, die zeigten, wie sie die Leistung der autonomen Fahrzeuge kontrollierten, gingen um die Welt. Die DARPA Grand Challenge wurde 2004 zwar nicht erfüllt, aber die „Lidar“-Technologie war auf einmal in aller Munde.

Lidar

Bild 1: Auto mit Hut – das Lidarsystem auf dem Dach von Googles Versuchsfahrzeugen ist alles andere als unauffällig. Waymo

Einige Jahre später gab es die erste autonome Autofahrt von Google nahe San Francisco. Das fahrerlose Auto sah kaum weniger lächerlich aus als die DARPA-Innovationen: Auf seinem Dach war eine Art Zylinder montiert, wie sie aus dem 18. Jahrhundert bekannt sind. Dahinter verbarg sich die Lidar-Technologie, die damit wieder ins Zentrum der Diskussion rückte (Bild 1).

Wie Lidar arbeitet

Wie das verwandte Radar, das anfangs auch nur zögerlich Anklang fand, erfährt nun auch Lidar durch die Verbindung mit autonomen Fahrzeugen eine erhöhte Popularität. Lidar wird bereits seit Jahrzehnten in der Geologie, Erdvermessung und anderen Bereichen eingesetzt, die hochpräzise 3D-Karten benötigen. Darüber hinaus nutzen Branchen wie Raumfahrt und Robotik die Technologie. Zu künftigen Einsatzbereichen gehören Drohnen, Ertragsoptimierung von Getreide sowie das automatische Be- und Entladen von Schiffen. Grund dafür ist, dass Lidar über ein klareres und größeres Sichtfeld als Kameras verfügt und dieses über unterschiedliche Lichtverhältnisse hinweg nutzen kann.

Lidar verwendet das von Objekten reflektierte Laser-generierte Licht und kann so ihre Position bestimmen – ähnlich wie sich Radiowellen und Sonar-Geräusche zur Ortung nutzen lassen. Die empfangenen Lichtimpulse werden auf einer 3D-Karte dargestellt. Auf Basis dieser Punktwolken entsteht ein detailliertes Umgebungsbild.

Die meisten Systeme setzen Licht im Infrarot-Spektrum ein, mit Wellenlängen über 780 nm. Die NIR-Systeme (800 nm bis 2500 nm) sind die gängigsten. Für kosteneffiziente Anwendungen eignen sich Wellenlängen zwischen 800 nm und 1000 nm am besten. Der Empfänger lässt sich in standardisierte, günstige CMOS-Technologien integrieren. Außerdem sind Laserdioden, die in Stückzahlen produziert werden, breit verfügbar.

Ein Lidargerät besteht aus einem Empfänger und einem Sender. Das Laserlicht, normalerweise ein kurzer Impuls, wird vom Sender ausgestrahlt, von einem Objekt im Raum reflektiert und anschließend von einer lichtempfindlichen Einheit im Empfänger rezipiert. Die Zeitdifferenz zwischen dem gesendeten und dem empfangenen Impuls liefert die Informationen über die Distanz des Objekts. Dieses „Time-to-Flight“-Prinzip wird oft in Automotive-Anwendungen eingesetzt. Lidar kann aber auch die Formen von Dingen vermessen.

Da der Laserstrahl im Raum sehr schmal ist, ist auch der Winkel der reflektierenden Oberfläche verfügbar – so lässt sich die Position in 3D kalkulieren. Die daraus entstehende 3D-Karte (Punktwolke) wird mehrfach pro Sekunde aktualisiert und erstellt damit fast in Echtzeit ein Umgebungsbild. Eine der ersten Anwendungen diese Technologie stammt bereits aus dem Jahr 1971, als die NASA sie im Höhenmesser der Apollo-15-Mondmission einsetzte. Da das Licht auf dem Weg zu seinem Ziel auch verschiedene Materialien durchdringt, wird es teilweise absorbiert und teilweise reflektiert. Lidar lässt sich deshalb auch einsetzen, um atmosphärische Bedingungen zu ermitteln und die Visibilität einzuschätzen.

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