Bild 4: Die Lidar-Sensoren mit Micro-Motion-Technologie bieten eine gute Balance aus Auflösung, Reichweite und Abmessungen für autonome Fahrzeuge. (Bild: Cepton)
Die Zukunft der Fortbewegung auf unseren Straßen wird zunehmend automatisiert und autonom. Ein Großteil der heute neu zugelassenen Autos besitzt bereits Advanced-Driver-Assistenz-Systeme (ADAS), um beispielsweise den Abstand zum Vordermann automatisch zu regeln oder um im Fall der Fälle eine Notbremsung durchzuführen.
Bild 1: Vergleich des Erfassungsbereiches eines Lidar-Sensors bei Verbau im Scheinwerfer und hinter der Windschutzscheibe. Cepton
Die technologische Weiterentwicklung hilft schon heute dabei, viele Unfälle mit Blechschaden oder Schlimmerem zu vermeiden. Und sollten die physikalischen Grenzen überschritten sein, sodass eine Berührung nicht mehr zu verhindern ist, dann verringern die Assistenzsysteme zumindest die negativen Auswirkungen des Zusammenstoßes.
Bei der kontinuierlichen Zunahme des Straßenverkehrs sind Assistenzsysteme ein wichtiger Schritt in die richtige Richtung. Da menschliches Versagen immer noch Unfallursache Nummer eins ist, kann die zunehmende Ausstattung von Fahrzeugen mit Unterstützungsfunktionen eine Abmilderung der Unfallfolgen bewirken. Die zunehmende Verbreitung von Assistenzsystemen lässt hoffen, dass aufgrund der höheren Stückzahlen die Preise sinken und die Verbreitung weiter zunimmt.
Was geschieht beim Sensorausfall?
Selbstverständlich liegt bei Fahrzeugen mit Assistenzsystemen die Verantwortung vollumfänglich beim Fahrer. Er wird durch die Technik unterstützt, ist aber für die korrekte und unfallfreie Durchführung der Fahraufgabe verantwortlich. Bei autonomen oder teilautonomen Fahrzeugen ist der Fahrer von dieser Verantwortung ganz oder zeitweise entbunden. Das bedeutet, dass das Fahrzeug beim Auftreten eines Problems, wie beispielsweise die Beschädigung eines Lidar-Sensors durch Steinschlag, einen sicheren Zustand erreichen können muss. Dies kann bei teilautonomen Fahrzeugen die Übergabe der Fahraufgabe an den Fahrer sein. Reagiert dieser jedoch nicht rechtzeitig, dann muss das Fahrzeug mithilfe der restlichen Sensorik beispielsweise einen sicheren Nothalt am Fahrbahnrand durchführen können.
Bereits an diesem einfachen Szenario wird deutlich, dass autonome Fahrzeuge viel höhere Anforderungen an die Sensorik und die Datenverarbeitung im Fahrzeug stellen. Fällt ein Sensor aus, müssen ihn die anderen Sensoren ausgleichen können. Neben einem klaren Sensordefekt gibt es eine Vielzahl von Einflüssen auf die Sensoren, die die Brauchbarkeit der Daten in Frage stellen können. Zum einen hat jede Sensortechnologie ihre Stärken und Schwächen. Damit die Wahrnehmung der Fahrzeugumgebung und der Bewegungen der anderen Verkehrsteilnehmer bei allen Licht- und Wetterbedingungen zuverlässig funktioniert, sind die Daten verschiedener Sensoren intelligent miteinander zu kombinieren.
Zum anderen verschmutzen die Sensoren, sodass die Daten schlechtere Ergebnisse bei der Objekterkennung liefern. Oder ein kleiner Parkrempler eines nicht-autonomen Autos verstellt die Ausrichtung eines Sensors. Durch den Vergleich von Objektdaten unterschiedlicher Sensoren lassen sich Abweichungen erkennen und bewerten. Die Kombination mehrerer, technologisch verschiedener Sensoren erhöht die Ausfallsicherheit und Zuverlässigkeit des autonomen Fahrzeugs insgesamt.
Bild 2: Im Scheinwerfer montierte Lidar-Sensoren ermöglichen die Erfassung des Querverkehrs. Trotzdem ist ein höherer Einbauort von Vorteil, da er das Erkennen von Fahrbahnmarkierungen auf längere Distanz erleichtert. Cepton
Der überwiegende Anteil der Firmen, die an automatisierten Fahrfunktionen arbeiten, setzt neben den klassischen Kamera- und Radar- auch auf Lidar-Sensoren. Jede dieser drei Sensorarten erfasst die Umgebung mit einem eigenen physikalischen Messprinzip mit Stärken und Schwächen.
Augenersatz – Fahrzeuge sehen das erste Mal
Kameras waren die ersten in Serie verbauten Sensoren, um den Fahrer zu unterstützen. Konkret handelte es sich dabei um Rückfahrkameras. Inzwischen geht die Kamera-Technologie weit darüber hinaus und nutzt 360-Grad-Surround-View oder Frontkameras mit über 200 m Reichweite. Für die Abstandsmessung kommen zum Teil Stereokameras zum Einsatz. Durch Triangulation lässt sich die Entfernung von Objekten errechnen. Als passiver Sensor liefert eine Kamera allerdings bei Dunkelheit oder Schlechtwetter schwächere Ergebnisse. Bei guten Sichtverhältnissen sind Kameras jedoch eine unverzichtbare Informationsquelle, vor allem für die Objektklassifizierung.
Wellenlänge – Grundlage für Fahrerassistenz-Systeme
Radar-Sensoren hielten mit der automatischen Abstandsregelung (Adaptive Cruise Control, ACC) Einzug in das Serienfahrzeug. Inzwischen sind Radarsensoren die Grundlage für vielfältige Fahrerassistenzfunktionen von der Querverkehrswarnung (Cross Traffic Alert, CTA) bis zur Überwachung des toten Winkels (Blind Spot Detection, BSD). Über die vielen Generationen von Radarsensoren haben sich inzwischen auch anwendungsspezifische Bauformen herausgebildet. So wird häufig zwischen Nah- und Fernbereichsradar unterschieden. Der Fahrzeugdesigner kann aus einem breiten Angebot den jeweils passenden Radarsensor auswählen.
Im Gegensatz zur Kamera ist der Radar ein aktiver Sensor. Er sendet Mikrowellen im Frequenzbereich um 24 oder 77 GHz aus und ist damit von den Umgebungsbedingungen wie Dunkelheit, Nebel und Regen relativ unbeeinflusst. Aus der Frequenzverschiebung zwischen den ausgesandten und den empfangenen Mikrowellen lässt sich die Bewegungsgeschwindigkeit des angepeilten Objekts ermitteln. Nachteilig beim Radar ist die geringe Winkelauflösung. Systembedingt lässt sich die genaue Position und Größe beziehungsweise Form eines Objekts nur grob erfassen. Die Fragestellung „Hat das vor mir fahrende Fahrzeug den Spurwechsel auf die Nachbarspur abgeschlossen, sodass ich beschleunigen kann?“ ist für einen Radarsensor eine Herausforderung.
Fusionieren allerdings die Datenströme von Radar mit denen von Lidar-Sensoren, kann dies die Einschätzung der Situation extrem verbessern. Während der Radarsensor sehr genaue Informationen über Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung eines Objekts liefert, ergänzt der Lidar-Sensor mit präzisen Angaben über die Position und die Form des Verkehrsteilnehmers. Die Sensorkombination kann somit einen Einschervorgang im Verlauf detailliert beurteilen, anstatt nur die belegte oder die freie Fahrspur zu melden.
Der Neuling im Bunde: Lidar
Bild 3: Lidar-Sensoren mit hoher Auflösung erfassen sogar die Form und Struktur von Objekten. Cepton
Lidar-Sensoren tasten die Umgebung mit Laserstrahlen ab. Als aktive Sensoren sind sie daher nicht auf externe Lichtquellen angewiesen, sondern senden einen fokussierten Lichtimpuls aus, der entweder von einem Objekt reflektiert wird oder sich in der Unendlichkeit verliert. Die Zeitspanne zwischen dem Aussenden des Lichtimpulses und dem Empfangen der reflektierten Photonen ist ein direktes Maß für die Entfernung, da sich Licht mit konstanten 299.792 km/s ausbreitet.
Verglichen mit Kamera und Radar sind Lidar-Sensoren noch sehr neu bei Anwendungen im Automobilbereich. Bislang beschränken sich die Einsätze zumeist auf Forschungsfahrzeuge, wie zum Beispiel im Darpa-Grand-Challenge-Wettbewerb in der nordamerikanischen Wüste oder bei Entwicklungsfahrzeugen der verschiedenen OEM, Tier 1 und „Autonomous Driving“-Start-Up-Unternehmen. Dies mag unter anderem daran liegen, dass entsprechend kleine, robuste und preiswerte Lidar-Sensoren mit hoher Reichweite und Auflösung bislang nicht verfügbar waren. Und für die Integration in ein Serienfahrzeug sind Sensorgröße und Leistungsverbrauch entscheidende Parameter. Hinzu kommen noch Lösungen für die Reinigung des Sichtfensters bei Verschmutzungen, Heizung bei Vereisung oder Beschlag sowie die Möglichkeit des Austauschs bei Kratzern oder Steinschlägen.
In den letzten Jahren wurde eine Vielzahl von Lidar-Sensoren angekündigt, die sich in verschiedene Kategorien unterteilen lassen. Eine gängige Typisierung verwendet die Art und Weise, wie der Sensor das Sichtfeld abtastet. Die ersten Laserscanner setzten auf Rotation der Sende- und Empfangseinheit oder verwendeten rotierende Spiegel. Da diese komplexen Konstruktionen schwierig ins Fahrzeug zu integrieren sind, kam schnell die Idee auf, Lidar-Sensoren komplett als Halbleiterelement (Solid-State) zu realisieren. Durch Überlagerung mehrerer Laserstrahlen sollte ähnlich wie beim Radar eine Abtastung des Sichtfeldes erfolgen.
Eine weitere Art der Abtastung besteht darin, sehr kleine, auf einem ASIC integrierten Spiegel zur Strahlablenkung zu verwenden. Hierbei besteht die Herausforderung, Reichweiten von 200 m und mehr mit preiswerten Laserdioden zu erzielen.
Micro-Motion-Technologie
Völlig andere Wege geht die von Cepton entwickelte Micro-Motion-Technologie (MMT). Hierbei werden die optischen Komponenten in eine feine Mikrooszillation versetzt, um den Laserstrahl durch das Sichtfeld zu führen und eine gleichmäßige Abtastung zu erreichen. Da keine Rotation mit Kugellagern involviert ist, gibt es auch keine Abnutzung und keinen Kreiseleffekt. Zugleich befinden sich keine Spiegel im optischen Pfad. Vielmehr geht der Laserimpuls den direkten Weg von der Laserdiode zum Objekt und zurück zum Detektor. Damit können Sensoren mit Micro-Motion-Technologie mit bewährten 905-nm-Laserdioden Reichweiten von bis zu 300 Metern innerhalb der Augensicherheitsklasse 1 erreichen.
Bild 4: Die Lidar-Sensoren mit Micro-Motion-Technologie bieten eine gute Balance aus Auflösung, Reichweite und Abmessungen für autonome Fahrzeuge. Cepton
Die Baugrößen von Lidar-Sensoren mit dieser Technologie hängen vom Sichtfeld und der Auflösung ab. Sensoren mit bis zu 120 Grad horizontalem Abtastbereich lassen sich beispielsweise in Frontscheinwerfer integrieren und sind von außen nicht zu erkennen. Weniger anspruchsvolle Verbauorte wie im Kühlergrill oder in der Stoßstange sind leicht zu realisieren (Bild 1).
Während die Lidar-Montage in den Scheinwerfern die Beobachtung des Querverkehrs ermöglicht, so sind die Sensoren doch relativ niedrig angebracht. Für eine bessere Reichweite ist eine höher positionierte Anbringung, zum Beispiel hinter der Windschutzscheibe oder in einem Dachaufsatz, von Vorteil (Bild 2). Zum einen ist die Verschattung durch andere Verkehrsteilnehmer geringer. Zum anderen erleichtert der etwas steilere Winkel, in dem die Laserstrahlen auf die Straße treffen, das Erkennen der Fahrbahnmarkierungen auf eine längere Distanz.
Für beide Verbauorte ist die Sensorgröße beziehungsweise der benötigte Bauraum ein entscheidendes Kriterium. Mit der Micro-Motion-Technologie lassen sich relativ kleine automotive-taugliche Sensoren designen. Dabei lassen sich Baugröße, Auflösung und Reichweite in gewissen Grenzen an die individuellen Gegebenheiten anpassen (Bild 3).
Im Gegensatz zu Solid-State Sensoren sind Sensoren mit Micro-Motion-Technologie bereits heute verfügbar und in verschiedensten Anwendungen im Einsatz (Bild 4).
Zusammenfassung
Lidar-Sensoren sind unverzichtbar für autonome Fahrzeuge, die sich vorausschauend, sicher und vor allem auch komfortabel im Straßenverkehr bewegen sollen. Mit innovativen Ansätzen lassen sich die Nachteile von Sensoren mit rotierenden Komponenten oder mit Spiegeln schon heute umgehen, ohne auf die Marktreife von Solid-State-Sensoren warten zu müssen.
Lidar-Sensoren mit Micro-Motion-Technologie ermöglichen eine gute Balance aus Reichweite, Auflösung und Genauigkeit sowie Baugröße und Kosten. Ohne rotierende Teile und ohne Spiegel holen die MMT-Lidar-Sensoren das Maximum aus der nach Augensicherheit begrenzten Laserenergiemenge heraus und erfüllen die Anforderungen für autonome Fahrzeuge.
Jürgen Ludwig
(na)
