Wie Solid-State-Sensoren den Serieneinsatz von Lidar beschleunigen

Die Entwicklungsabteilungen der Fahrzeughersteller stehen seit Jahren unter einem enormen Druck von gleich mehreren Seiten. Neben dem Trend zum Elektroauto sorgt ein generell anderer Anspruch an die Mobilität für die Notwendigkeit, Autos neu zu denken. Dazu kommen neue Regularien (EU Vehicle General Safety Regulation, Vision Zero) oder angepasste Crashtest-Anforderungen.

Besonders im Bereich des halbautomatisierten Fahrens – hier übernimmt die Technik ohne direkte Beeinflussung durch den Menschen bestimmte Fahraufgaben selbst – ist der Wettbewerb zwischen den Herstellern enorm. Die Technik dafür ist längst vorhanden – vorausgesetzt, Herstellern gelingt es, die Vielzahl verschiedener Sensoren zu harmonisieren und Kameras, Infrarot, Ultraschall sowie Radar- und Lidar-Systeme miteinander in Einklang bringen.

Dass es dabei mehrere Sensortechnologien nebeneinander geben muss, ist auch eine Frage der Sicherheit. Erst in der Summe der Technologien mit ihren unterschiedlichen Eigenschaften entsteht ein stets zuverlässiges Gesamtsystem. Denn jede Technologie hat ihre Kernkompetenzen und trägt ihren Teil zu einer Redundanz und damit Ausfallsicherheit im Gesamtsystem bei.

Konventionelle Lidar-Sensoren stellen Konstrukteure vor mehrere Herausforderungen

Natürlich haben alle Sensortechnologien auch ihre Nachteile. Kamerasysteme sind günstig in der Herstellung und haben eine hohe Auflösung. Das vereinfacht die Objektklassifizierung. Eine Kamera erkennt sehr gut, ob 30 oder 50 km/h Richtgeschwindigkeit auf einem Schild steht. Bei schlechten Sichtverhältnissen, zum Beispiel bei Dunkelheit, haben Kameras allerdings Nachteile. Kritisch wird es bei personenähnlichen Objekten wie etwa „Achtung-Kinder-Aufstellern“, die leicht mit echten Menschen verwechselt werden können. Weiterhin kann eine Kamera allein so gut wie keine Distanzinformationen generieren. Zwar lässt sich ein Verbund von Kameras nutzen, um Distanzen abzuschätzen. Das erhöht jedoch den Bedarf an Sensoren und treibt damit den Preis in die Höhe.

Radar funktioniert auch bei schlechtem Wetter und ungünstigen Sichtverhältnissen und mit Radar-Sensoren lassen sich sehr gut und direkt Geschwindigkeiten messen.

Im Gegensatz zum Lidar-Sensor, der mit „Punktwolken“-Strukturen Objekte detailliert wiedergeben kann, sind Radar-Sensoren weniger präzise. Dafür ist die Wellenlänge bei Radar zu groß. Mehrere nah beieinanderstehende Objekte können möglicherweise als ein Objekt dargestellt werden. Der limitierende Faktor ist das begrenzte laterale Auflösungsvermögen der Radar-Sensorik. Zwar gibt es entsprechende High-Resolution-Radar-Sensoren – diese sind jedoch in der Bauart noch sehr groß, anfällig für Fahrzeugvibrationen und noch zu teuer.

Lidar-Sensoren liefern präzise Analyse auch bei schwierigen Sichtverhältnissen

Lidar-Sensoren sind das Werkzeug für eine präzise Analyse, wie weit Objekte vom Fahrzeug entfernt sind auch bei schwierigen Sichtverhältnissen. Hier kann Lidar mit einer hohen Winkel- und Distanzauflösung präzise Distanzen bestimmen und die Schwächen von Kameras und Radar kompensieren. So scannt etwa das Ibeo-Lidar-System das gesamte Sichtfeld 25 Mal in der Sekunde indem es Laserimpulse aussendet.

Allerdings hängt die Präzision von Lidar-Systemen ähnlich wie bei Radar-Systemen von der Reflektivität des Targets ab. Ein sehr dunkles Target absorbiert viel Licht und verschluckt damit größtenteils den Laserstrahl. Ähnliches gilt für Radar, wenn das Target wenig reflektiv ist und die ausgesendeten Radarwellen verschluckt.

Für eine präzise Umfelderkennung nutzen Lidar-Sensoren mittlerweile unterschiedliche Bauweisen. Konventionelle Lidar-Sensoren lenken den Laserstrahl über einen rotierenden Spiegel ab.

Solid-State-Lidar-Sensoren benötigen keine beweglichen Teile

Bauartbedingt benötigen die rotierenden Sensoren eine aufwendige Mechanik. Damit diese zuverlässig funktioniert, muss sie über die gesamte Lebensdauer hinweg, wartungsfrei und robust gegen Vibrationen sein. Das treibt zusätzlich den Preis in die Höhe. Konventionelle Lidar-Sensoren werden aktuell zwar bereits zu einem dreistelligen US-Dollar-Betrag angeboten, haben aber eine limitierte Performance bzw. ein kleines Sichtfeld. Für bessere Sensoren kann der Preis vier- oder fünfstellig ausfallen.

Kameras und Radar-Sensoren sind als Massenware mit einem vergleichsweise simplen Aufbau wesentlich günstiger und liegen etwa im zweistelligen Eurobereich. Der Grund für diesen Preisunterschied sind vor allem die rotierenden Teile in konventionellen Lidar-Systemen, also die Motoren, die das System groß, komplex und damit teuer machen.

Auch aus diesen Gründen verlangt die Industrie immer mehr nach Solid-State-Lidar-Sensoren, die keine beweglichen Teile haben und somit um einiges kompakter gebaut werden können als konventionelle Lidar-Sensoren. Durch die fehlenden beweglichen Teile ist weniger Platz erforderlich, das Design ist einfacher und damit wird auch der Preis geringer. Zudem ist ein erschütterungsunempfindlicher Sensor langfristig zuverlässiger und kann einfacher verbaut werden.

Aktuell entwickeln mehrere Unternehmen und Start-ups in verschiedene Richtungen. Manche bauen nach wie vor mechanische Lösungen. Einige setzen auf MEMS (Microelectromechanical Systems) und bezeichnen diese als Solid State – worüber man sich streiten kann, da sich hier immer noch ein Spiegel bewegt, wenn auch auf einer sehr kleinen Skala.

MEMS haben eine geringe Größe. Ob MEMS hinsichtlich Robustheit und Vibrationssicherheit das leisten können, was einige Hersteller versprechen, gilt es in der Praxis zu beweisen.

Bei Flash Lidars wird das gesamte Sichtfeld auf einmal beleuchtet. Herausfordernd ist dabei, dass die gesamte Energie auf einmal bereitgestellt werden muss. Bei viel Laserlicht in kurzer Zeit ist es wichtig, auf die Augensicherheit zu achten.

Ein Flash Lidar ist also immer ein Kompromiss zwischen Reichweite, Kompaktheit und Sicherheit. Sichere und reichweitenstarke Flash Lidars sind aktuell noch sehr groß.

Ähnlich wie Radare funktionieren „Optical Phased Arrays“. Diese nutzen ein zweidimensionales Array von Wellenleitern, in dem jeder Wellenleiter die Phase des Lichts verändern kann. Somit kann das sich konstruktiv überlagernde Licht am Ausgang der Wellenleiter derart interferiert werden, dass der erzeugte Impuls in die gewünschte Richtung gelenkt wird. Bis serientaugliche Sensoren mit Optical Phased Arrays und genügender Reichweite auf der Straße zu sehen sein sind, werden wohl noch einige Jahre vergehen, da der Scanprozess technisch sehr anspruchsvoll ist.

Ein anderes Funktionsprinzip, die „Spectral Deflection“, verwendet einen Fiber-Laser, in dem das ausgesandte Licht wie bei einem Prisma abgelenkt wird. So kann auch ohne rotierende Teile ein gewisses Sichtfeld abgedeckt werden. Dies bleibt jedoch, da nur ein Parameter verstellbar ist, zumindest als reine Solid-State-Ausführung weitgehend zweidimensional.

Ein klarer Technologiesieger steht aktuell noch nicht fest – zumindest nicht über alle Anwendungen hinweg. So ist es gut möglich, dass unterschiedliche Systeme unterschiedliche Use Cases bedienen werden und jeweils für ihren Bereich am sinnvollsten sind. Zum Beispiel kann für ein Shuttle ein anderer Sensor zweckmäßiger sein als für einen Lkw.

Mit Sequential Flash Lidar mehrere Herausforderungen lösen

Ibeo nutzt beim Ibeonext die Sequential-Flash-Lidar-Technologie. Bei diesem System geht nur wenig Licht verloren. Es basiert auf einem Focal Plane Array. Dabei sitzt ein Feld (Array) von Laserdioden (VCSELs: vertical-cavity surface-emitting laser) in der Brennebene einer Optik. Diese einzelnen VCSELs „blicken“ auf dem Array jeweils in eine andere Raumrichtung und emittieren ihr Laserlicht entsprechend. Aus diesem Grund ist kein Motor erforderlich, der einen Laserstrahl in alle Raumrichtungen ablenkt, weil jede Raumrichtung ihre eigene Laserquelle hat.

Der Empfänger besteht in Form einer Single-Photon Avalanche Diode (SPAD) ebenfalls in der Brennebene einer Optik. Die Sender-Empfänger-Optiken sind identisch. Dies vereinfacht das System.

Sichtfeld ist in 128 × 80 kleine Bereiche aufgeteilt

Beim Ibeonext wird das Sichtfeld in 128 × 80 kleine Bereiche aufgeteilt. Jeder Bereich bekommt Laserlicht von einem VCSEL. Das reflektierte Licht wird von einem Detektor mit SPADs gemessen. Also hat das VCSEL-Array 128 × 80 VCSELs, und genauso viele SPADs gibt es auf dem Detektor.

Die Größe des Sichtfelds hängt von der verwendeten Optik ab. Wie bei der Teleoptik einer Kamera besteht hier die Auswahl zwischen einem Nahfeldsensor mit breitem Sichtfeld oder einem Fernfeldsensor mit schmalem Sichtfeld.

Im Grunde ist auch der Ibeonext ein Flash-Sensor. Der große Unterschied besteht darin, dass nicht die gesamte Szene auf einmal „geflasht“ wird, sondern nach und nach. Dadurch werden die oben genannten Herausforderungen der Flash-Technologie umgangen, und es kann ein sehr kompaktes Gerät gebaut werden.

Der Grund hierfür ist, dass die Emitter nur dorthin Licht aussenden, wo auch die Detektoren hinschauen und das Licht benötigt wird. So entsteht ein hochauflösendes Bild bzw. eine 3-D-Point-Cloud. Das Modul selbst ist so kompakt, dass es auf eine Kreditkarte passt. Hingegen flutet der Flash Lidar das gesamte Sichtfeld mit Licht.

Über das TCSPC-Messverfahren (Time-correlated-single-photon-counting) werden die empfangenen Daten digital verarbeitet. Das Ergebnis ist eine präzise Datenerhebung und -verarbeitung, die so mit konventionellen Lidar-Sensoren nicht möglich ist. Das gilt sowohl für die Distanz als auch für bestimmte Objekteigenschaften und Wetterbedingungen.

Großserienreife für 2022 geplant

Auf dem Weg zum weitgehend automatisiert fahrenden Auto müssen zweifelsohne noch viele Hürden genommen werden. Die Welt auf der Straße und darum herum ist sehr komplex, und das lässt sich nicht so einfach abbilden.

Damit der Lidar seinen festen Platz in der Automotive-Welt einnimmt, muss diese Technologie preisgünstig werden, sodass sie auch in einem „normalen“ Wagen eingebaut werden kann. Dabei ist Robustheit besonders wichtig. Die Sensoren müssen gegen Regen und Temperaturunterschiede geschützt sein. Ibeo hat diese Herausforderungen von Anfang an bei der Entwicklung berücksichtigt und die Sensoren mit einer Heizung und Reinigungsmechanik versehen.

Noch ist der Markt der Lidar-Sensoren ein unglaublich aktiver und kompetitiver Markt mit vielen Hersteller:innen und Start-ups. Das tut der Entwicklung gut. Damit Lidar auf dem Markt eingesetzt werden kann, muss nun der Preis fallen. Da die Solid-State-Lidar-Technologie weitgehend auf Halbleitern basiert, werden die Sensoren umso preisgünstiger, je günstiger die Chips erhältlich sind. Die meisten Hersteller zielen darauf ab, Lidar-Sensoren im Bereich von etwa 100 Euro pro Sensor anzubieten.

Die Solid-State-Ansätze sind dafür der richtige Weg. Es ist erforderlich, die Komponenten schnell, einfach und massentauglich herzustellen, am besten mit ausgereiften Prozessen und Materialien in der Halbleiterfertigung. Das erspart teure Evaluationen und Entwicklung neuer Fertigungstechniken. Gleichzeitig muss Lidar auf hohe Zahlen kommen, um den Preis zu senken.

Durch seine Modularität kann das Ibeonext-System an die Bedürfnisse verschiedener Hersteller anpasst werden, ohne komplett neu entwickeln zu müssen. Mitte 2022 ist es massentauglich. (neu)