Laserpulse eines LiDARs legen ein virtuelles Netz über die Oberfläche von Schüttguthaufen

Laserpulse eines LiDARs legen ein virtuelles Netz über die Oberfläche von Schüttguthaufen; eine Software errechnet aus den Abstandswerten das genaue Volumen. Nur eine von vielen Anwendungen, die mit LiDAR auch in der Industrie möglich sind. (Bild: Blickfeld)

Bisher waren LiDAR-Sensoren vor allem in der Automobilbranche als zentrale Technologie für die Umfelderfassung autonomer Fahrzeuge bekannt, doch jetzt zeigen sich auch Anwendungsmöglichkeiten in vielfältigen anderen Bereichen. LiDAR (Light Detection And Ranging) steht für die akkurate Erkennung von Objekten mithilfe von Laserpulsen und die exakte Messung der Abstände zu den Objekten – sehr zuverlässig auch, anders als etwa mit Kameras, bei Dunkelheit, Gegenlicht, Regen und Schnee. Aus den Daten lassen sich genaue 3D-Abbildungen der Umwelt erstellen und daraus Informationen gewinnen, mit denen Unternehmen die Digitalisierung vorantreiben und neue Geschäftsmodelle entwickeln können.

LiDAR: Eine Technologie für viele Anwendungsfälle

Auch wenn für die Anwendung im Automotive-Bereich höhere Anforderungen an Sicherheit, Energieeffizienz und Robustheit zu erfüllen sind, ist auch die für andere Bereiche entwickelte LiDAR-Technologie grundsätzlich dieselbe (siehe Kasten „So funktioniert 3D-LiDAR-Technologie“). Die Fähigkeit der LiDAR-Technologie, detaillierte 3D-Abbildungen der Umwelt zu erstellen und daraus relevante Informationen zu gewinnen, machen sich heute immer mehr Unternehmen aus unterschiedlichen Branchen zunutze, beispielsweise bei der Automatisierung von Prozessen in Logistik und Produktion, bei der Lenkung von Personenströmen an Flughäfen und in Alarmsystemen zur Bewachung kritischer Infrastruktur wie Flughäfen oder Kraftwerken.

So funktioniert 3D-LiDAR-Technologie: Spinning- vs. Solid-State LiDAR

3D-LiDAR-Sensoren senden hunderttausende Laserpulse pro Sekunde aus. Anschließend detektieren sie die Pulse wieder, nachdem Objekten diese reflektiert haben. Durch Messen der Zeit, die zwischen Aussenden und Wiedereintreffen im Sensor vergeht („Time-of-Flight (ToF)“), lassen sich Objekte zuverlässig und zentimetergenau verorten.

Während Spinning LiDARs, wie man sie als Dachaufbauten von autonomen Testfahrzeugen kennt, mechanisch um sich selbst rotieren, um einen Rundumblick zu gewährleisten, sendet bei den Solid-State LiDARs von Blickfeld eine statische Laserdiode die Pulse in eine einzige Richtung auf eine Strahlablenkungseinheit mit zwei mikroelektromechanischen Spiegeln (MEMS) aus, die das Licht über ein breites Sichtfeld verteilt. Solid-State LiDARs haben den Vorteil, dass sie kompakter und kostengünstiger sind und wartungsfrei betrieben werden können, da sie ohne mechanisch rotierende Elemente funktionieren.

Aus den wieder im Sensor eingehenden Laserpulsen wird eine sogenannte Punktwolke erstellt, in der die Szene detailgenau und dreidimensional abgebildet ist. Jeder Punkt entspricht dabei einem Abstandwert zum detektierten Objekt.

Bei der Interpretation der Punktwolken kommt eine Perzeptionssoftware ins Spiel, welche Informationen über die Art, Größe, Form, Anzahl und Bewegungen von Objekten liefert.

Solid-State LiDAR-Sensoren wie der Cube 1 von Blickfeld haben nur in etwa die Größe einer Handfläche und wiegen um die 300 Gramm. Qb2, der Smart LiDAR von Blickfeld mit der gesamten benötigten Software auf dem Gerät, wiegt mit 400 Gramm nur wenig mehr. Unternehmen können diese Sensoren günstig und mit geringem Aufwand installieren und betreiben, sie flexibel einsetzen und bei Bedarfsänderungen auch immer wieder neu platzieren. Auch die Anschaffungskosten sind in den letzten Jahren extrem gesunken: Während Spinning-LiDARs für autonome Testfahrzeuge vor fünf Jahren noch bis zu hunderttausend US-Doller gekostet haben, sind heutige Solid-State LiDAR-Modelle für die Industrie dank technologischer Fortschritte und höherer Produktionszahlen für einen Betrag im unteren vierstelligen Bereich erhältlich, Tendenz fallend.

Aufbau des Blickfeld LiDAR-Sensors Cube 1.
Aufbau des Blickfeld LiDAR-Sensors Cube 1. (Bild: Blickfeld)

Hier einige Beispiele für die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von LiDAR:

Messen von Volumen in Echtzeit per LiDAR

LiDAR-Sensorlösungen sind dazu geeignet, das Volumen von Gütern jeder Art zu erfassen und direkt in die IT-Systeme zu übertragen. Obwohl das Volumen von Gütern mit einfach zu bestimmenden Außenmaßen wie zum Beispiel mit Kartons beladenen Europaletten auch durch manuelle Messung oder bekannte Frachtvermessungstechnologien bestimmbar ist, profitieren Unternehmen dennoch von der Digitalisierung des Vorgangs mithilfe von LiDAR-Technologie und der damit einhergehenden höheren Zuverlässigkeit, Genauigkeit und der Zeitersparnis. Außerdem benötigt die Messung mit LiDAR-Lösungen im Gegensatz zu heute im Betrieb befindlichen Technologien, die oft große und sperrige Apparaturen umfassen, nur wenige Sensoren mit kompakten Ausmaßen.

Besonders interessant wird die Volumenmessung mit LiDAR im Falle von Material, das in Haufen gelagert wird, wie Sand, Kies, Futtermittel oder Abfall. Bei solchen Schüttguthaufen liegt eine einfache Formel wie für regelmäßig geformte Objekte nicht vor. Viele Unternehmen aus Branchen wie Bergbau, Landwirtschaft oder Recycling agieren heute daher weitgehend im Blindflug hinsichtlich des Volumens solcher Bestände. Aber ohne Überblick über das Inventar können sie ihr Lager nicht effizient verwalten: Ist zu wenig Material gelagert, kann es zu eingeschränkter Lieferfähigkeit oder gar Produktionsstopps kommen. Ein Überbestand hingegen bindet unnötig Kapital und Lagervolumen. Nun haben Unternehmen die Möglichkeit, das Volumen ihrer Schüttgüter per LiDAR-Sensorlösungen exakt zu bestimmen: Nur wenige an der Hallendecke oder auf Masten positionierte 3D-LiDAR-Sensoren reichen aus, um ein zentimetergenaues digitales Netz über einen Haufen zu legen, mit dessen Hilfe eine Software den Bestand in Echtzeit misst und die Information jederzeit abrufbar macht.

LiDAR-Anwendungsbeispiel 1: Recycling effizienter und sicherer machen

Cireco, ein führendes schottisches Unternehmen für Ressourcenmanagement, setzt LiDAR-Sensoren von Blickfeld zur Erfassung des Volumens der gelagerten Recyclingmaterialien ein und erhält damit erstmals einen präzisen Überblick über die Abfallmengen, die zu jedem beliebigen Zeitpunkt in den Bunkern liegen. Mithilfe der in Echtzeit einsehbaren Daten wird die Wertstoffrückgewinnungsanlage besser ausgelastet. Außerdem steht der Buchhaltung und der Logistik nun eine verlässliche Datenquelle zur Verfügung, mit der sie den Sicherheitsvorschriften zur Materiallagerung noch einfacher nachkommen können.

Im Smart LiDAR Qb2 von Blickfeld läuft die gesamte Software auf dem Gerät, WLAN macht Kabel überflüssig. Mit einer Seitenlänge von 11 Zentimetern wiegt er nur 400 Gramm
Im Smart LiDAR Qb2 von Blickfeld läuft die gesamte Software auf dem Gerät, WLAN macht Kabel überflüssig. Mit einer Seitenlänge von 11 Zentimetern wiegt er nur 400 Gramm (Bild: Blickfeld)

LiDAR hilft bei der Analyse und Steuerung von Personenströmen

LiDAR-Technologie eignet sich zum Einsatz für die anonyme Personenzählung und die Analyse von Besucher-, Passagier- oder Kundenbewegungen. Menschenmengen lassen sich in Echtzeit erfassen und analysieren. So können Personenströme besser reguliert und vielbesuchte Orte intelligenter, sicherer und effizienter genutzt werden, sei es bei der Lenkung von Besucherströmen in von Übernutzung bedrohten Tourismusregionen. Derzeit arbeitet ein Forschungskonsortium unter Beteiligung von Blickfeld im vom  Bundesministerium für Digitales und Verkehr geförderten Projekt LidarPredict an einer Lösung, mit der die Teilnehmenden von Großevents vor Unfällen geschützt werden können, damit sich Unglücke wie etwa bei der Loveparade 2010 in Duisburg nicht wiederholen, bei der 21 Menschen aufgrund von unkontrollierten Bewegungen der Menschenmassen getötet und viele weitere verletzt wurden. Mit der Lösung soll die Beobachtung vor allem von besonders stark frequentierten Bereichen und von Engstellen künftig dazu führen, dass die Veranstalter durch Überlastung entstehende Gefahren rechtzeitig erkennen, Maßnahmen einleiten und Unfälle vermeiden können.

Anwendungsbeispiel 2: Warteschlangen am Flughafen verhindern

Um die Ergebnisse eines auf historischen Plandaten beruhenden Tools für die Vorhersage von Passagierströmen zu präzisieren, hat der Flughafenbetreiber Fraport im Terminal 1 des Frankfurter Flughafens eine auf LiDAR-Sensoren basierende Lösung eingesetzt. Diese hat ergänzende Echtzeitdaten über die aktuellen Personenbewegungen geliefert, die Schlüsse darauf zulassen, wann wie viele Menschen an kritischen Punkten wie dem Sicherheits-Check eintreffen würden. Das Flughafen-Management konnte dank dieser Informationen zum Beispiel Personal genau dort einsetzen, wo es aktuell am meisten gebraucht wird, um Wartezeiten für Passagiere zu verringern.

Verbesserung der Zuverlässigkeit von Alarmsystemen

LiDAR-Sensoren verringern die Falschalarmquote von Sicherheitssystemen zum Beispiel für Firmengelände und kritische Infrastrukturen drastisch, weil sie eindringende Objekte und Personen und ihre Bewegungsmuster auch bei Dunkelheit, Gegenlicht, Regen und Schnee sehr zuverlässig registrieren. Da LiDAR-Sensoren die Größe von eindringenden Objekten täuschungsarm erkennen, wird kein Alarm durch kleine Tiere oder Äste ausgelöst, was in Systemen ohne LiDAR oft zu mehreren Falschalarmen pro Tag führt.

Anwendungsbeispiel: Schutz geparkter Flugzeuge

Auf Flughäfen abgestellte Flugzeuge sind anfällig für Eindringlinge und Vandalismus. Gleichzeitig sind sie schwer zu überwachen, da sich die Abstellplätze oft über eine große Fläche erstrecken und weit entfernt von Wachposten und Bodenpersonal liegen. Auf vielen Flughäfen gibt es außerdem Kleintiere wie Kaninchen, Füchse oder Vögel, die Falschalarme auslösen können.

Sicherungssysteme mit LiDAR-Sensoren bieten in dieser Situation einige Vorteile: Mithilfe einer geeigneten Perzeptionssoftware werden virtuelle 3D-Sicherheitszonen rund um jedes Flugzeug definiert, in denen das Eindringen vom Boden und auch aus der Luft erkannt wird. Die Software lässt sich so programmieren, dass sie Objekte bis zu einer bestimmten Größe ignoriert, aber menschliche Eindringlinge zuverlässig erkennt und beim Betreten der virtuellen Zone einen Alarm auslöst.

Punktewolke (Lidar-Ansicht) eines Flugzeugs
Mit der Perzeptionssoftware wird eine Sicherheitszone definiert, in der das Eindringen von Objekten oder Personen einen Alarm auslöst. (Bild: Blickfeld)

Neue Geschäftsmodelle mit LiDAR entwickeln – und traditionelle verbessern

Der Erfolg von Unternehmen hängt heute zu einem Großteil davon ab, über welche Daten sie verfügen und wie smart sie diese nutzen. Dabei entstehen auf der einen Seite ganz neue Geschäftsfelder und Anwendungsbereiche, die durch Technologien wie LiDAR erst ermöglicht werden, wie etwa die Analyse von Besucherströmen zum Schutz sensibler touristisch stark genutzter Ökosysteme. Beispielsweise nutzt Die Nordsee GmbH eine auf Daten von Blickfeld LiDAR-Sensoren basierende Lösung, um Strandbesucherinnen und -besucher anonym zu zählen und die Auslastung an touristischen Hotspots zu visualisieren. Reisende können sich dann unter anderem auf einer App vor einem Ausflug informieren und, wenn ein angepeiltes Ziel überlastet ist, eine Alternative mit aktuell geringerem Touristenaufkommen wählen. Solche Services konnten zuvor ohne anonyme Daten von LiDAR-Sensoren nicht realisiert werden.

Auf der anderen Seite ist auch der Erfolg von traditionellen Industrien eng an die Gewinnung, Analyse und Nutzung von Daten verknüpft und der Erfolg einer Digitalisierungsstrategie wird in hohem Maße von der Auswahl der passenden Technologien bestimmt. Beispielsweise geschieht bei der Lager-Management-Lösung, die rund 200 Unternehmen weltweit im Einsatz haben, die Ein- und Ausbuchung von Waren durch eine durchgängige IT-Lösung. Künftig wird die Volumendatenerfassung mithilfe von LiDAR-Sensoren automatisiert vonstattengehen. Paletten werden dann in einer Sekunde vermessen, die Daten landen umgehend im IT-System. Das ist nur eines von Beispielen dafür, wie LiDAR-Lösungen 3D-Informationen liefern, mit denen traditionelle Unternehmen die Digitalisierung und Automatisierung vorantreiben und ihre Prozesse deutlich effizienter machen können.

Dr. Florian Petit

Dr. Florian Petit

Mitgründer und Chief Experience Officer von Blickfeld

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