Welche Lidar-Sensoren sich für Anwendungen im Fahrzeug eignen

Mobilität wird sich in den kommenden Jahren gravierend ändern. Das Auto, das im Fahrbetrieb die volle Aufmerksamkeit des Fahrers fordert, verschwindet zunehmend aus Garagen und Parkplätzen. Stattdessen transportieren autonome Mobilitätsdienste die Menschen von A nach B.

Ob sich diese Vision genau so oder in ähnlicher Form durchsetzen wird, bleibt abzuwarten. Dass uns jedoch automatisierte oder autonome Systeme die Fahraufgabe erleichtern oder abnehmen werden, scheint relativ sicher. Alle Vorhersagen über die Mobilität der Zukunft haben jedoch ein gemeinsames das Ziel, nämlich die Anzahl und die Schwere von Unfällen drastisch zu verringern.

Drei Sensortypen für automatisiertes Fahren

Eine Voraussetzung, um die Zahlen der Unfallstatistiken signifikant zu senken, ist die detaillierte und weitreichende Rundumsicht um das gesamte Fahrzeug herum. Für die unterschiedlichen Fahraufgaben bei verschiedenen Geschwindigkeiten und Umgebungsbedingungen sind drei Sensortypen notwendig: Kamera, Radar und Lidar. Die unterschiedlichen Prinzipien der Umwelterfassung haben jeweils ihre eigenen Stärken und Schwächen. Per Sensordatenfusion liefern sie jedoch das für das automatisierte Fahren notwendig Umfeldmodell.

Kamera- und Radarsensoren unterstützen den Fahrer in Form von ADAS-Funktionen (Advanced Driver Assistance Systems/ Fahrerassistenzsysteme) schon seit einigen Fahrzeuggenerationen. Die lasergestützte Abstands- und Positionsmessung mit Lidar-Sensoren ist jedoch eine sehr junge Disziplin. Seit den ersten Erfolgen bei der Darpa Gran Challenge, einem bis zum Jahr 2007 ausgetragenen Wettbewerb autonomer Fahrzeuge in den USA, und den Fortschritten in der Laserelektronik entstand ein vielversprechendes Spektrum an Lidar-Konzepten. Wie viele davon die Anforderungen der Automobilindustrie tatsächlich erfüllen können, ist noch ungewiss.

Design von Automotive-tauglichen Lidar-Sensoren

In den vergangenen zwei Jahren hat eine Welle an Neuentwicklungen eingesetzt, um Lidar Automotive-tauglich zu designen. Rotierende Spiegelelemente in den ersten Lidar-Sensoren tasten das 360-Grad-Sichtfeld zeilenweise ab und liefern dabei exakte Angaben zur Entfernung und Position von stehenden oder bewegten Objekten. Die Auflösung in vertikaler Richtung hängt dabei von der Anzahl der Laserdioden ab und bestimmt damit die Baugröße. Bei einer geringen Laseranzahl können kleine Objekte je nach Abstand zwischen zwei Scan-Zeilen unentdeckt bleiben.

Darüber hinaus ist die Positionierung eines 360-Grad-Lidar Sensors ein Dilemma. Mitten auf dem Dach verursacht das eigene Fahrzeug eine Verdeckung im Nahbereich. Zudem ist dieser Montageort unter ästhetischen Gesichtspunkten problematisch. Wird der rotierende Lidar an den Fahrzeugecken oder an den Seiten montiert, bleibt ein großer Teil des Scanbereichs ungenutzt. Ferner stellt die Baugröße dieser Sensoren eine echte Herausforderung bei der Integration in das Fahrzeug dar.

Zunächst sollte die perfekte Lösung ein Solid-State-Lidar sein, auf dessen Chip eine Vielzahl von Lasersendern und -empfängern auf einem Chip integriert sind. Bislang befinden sich diese Sensoren noch in der Entwicklung und es ist unklar, wann sich die technologischen Herausforderungen meistern lassen.

Lidar-Setup für ADAS-Unterstützung. Cepton Technologies

Zwischen den rotierenden und den Solid-State-Lidar-Sensoren befindet sich eine Reihe von Konzepten in der Entwicklung, mit denen sich das Sichtfeld erfassen lässt. Der Flash-Lidar leuchtet den gesamten Bereich mit einem unsichtbaren Infrarotblitz aus und erfasst das reflektierte Licht. Die Zeitdauer vom Aussenden bis zum Empfangen der Lichtimpulse dient der Ermittlung des Abstandes. Der Flash-Lidar punktet mit einer hohen Auflösung im Nahbereich. Um ein großes Sichtfeld bei hellem Sonnenschein so auszuleuchten, dass es auch aus 200 Metern Entfernung noch eine Reflektion erfasst, bedarf es sehr viel Energie. Diese ist jedoch aus Sicherheitsgründen beschränkt, um beispielsweise Verletzungen der Augen zu vermeiden.

Lidar-Konzepte mit Spiegeln

Vier-Ecken-Lidar-Setup für Shuttles und Cargo Mover. Cepton Technologies

Andere Lidar-Konzepte verwenden sehr kleine Spiegel direkt auf einem Chip, um Laserimpulse das Sichtfeld abtasten zu lassen. Dieses Verfahren wird als Micro-Electro-Mechanical-System (MEMS) bezeichnet. Neben der Herausforderung die Position der kleinen Spiegel sehr genau zu erfassen, existiert auch hier das Problem der begrenzten Laserenergie, die solche Systeme aus Sicherheitsgründen nur limitiert aussenden dürfen. Je kleiner die Spiegel, desto schneller kann das Scanning erfolgen. Kleinere Spiegel erfordern jedoch stärkere Laserimpulse, um die gleiche Reichweite zu erzielen.

Nicht zuletzt wegen der Reichweite setzen einige Lidar-Hersteller auf relativ neue und teure Laserdioden mit einer Wellenlänge von 1550 nm. Dieses Licht wird von der Flüssigkeit im Auge stark absorbiert, sodass es möglich ist, eine höhere Energiemenge im Vergleich zu den 905 nm Laserdioden auszusenden.

Neue Micro-Motion-Technologie ohne Spiegel

Die von Cepton Technologies patentierte Micro-Motion-Technologie (Micro Motion Technology, kurz: MMT) geht hier völlig andere Wege. Spiegel entfallen komplett. Stattdessen wird die optische Einheit in feine Schwingungen versetzt um das Sichtfeld abzutasten. Ohne Spiegel kann diese Innovation mit 905-nm-Lasertechnik Reichweiten von über 200 Metern erzielen und dabei die Grenzwerte für die Laserklasse 1 nach IEC 60825-1:07-2015 einhalten.

Kompakte Bauform und geringer Leistungsverbrauch

Bei der Montage in Frontscheinwerfern kann Lidar den Querverkehr besser erfassen, allerdings ist hier eine kompakte Bauweise wichtig. Cepton Technologies

Weitere Vorteile der Micro-Motion-Technologie sind die kompakte Bauform sowie ein geringer Leistungsverbrauch. Beide Eigenschaften eröffnen den Designern vielfältige Möglichkeiten der Integration. Ein relativ kleiner Lidar-Sensor, der noch dazu wenig Abwärme produziert, lässt sich leichter und unauffälliger an geeigneter Position verbauen.

Einer der bevorzugten Einbauplätze für einen Front-Lidar ist hinter der Windschutzscheibe in der Nähe des Rückspiegels. An dieser Stelle profitiert der Lidar-Sensor von der Reinigung durch den Scheibenwischer. Zudem befindet sich diese Einbauposition relativ hoch über der Straße, sodass das Lidar-System beispielweise Fahrbahnmarkierungen gut und weiträumig erkennen kann. Herausforderungen bietet der Platz hinter der Windschutzscheibe jedoch auch. Zunächst darf der Lidar-Sensor eine gewisse Größe nicht überschreiten, da er sonst das Sichtfeld des Fahrers beziehungsweise Beifahrers zu weit einschränken würde. Die weit größere Herausforderung ist jedoch das thermische Management an heißen sonnigen Tagen. Durch die Sonneneinstrahlung entstehen direkt hinter der Windschutzscheibe sehr hohe Temperaturen. Damit können Lidar-Sensoren, die selbst viel Wärme produzieren, überhitzen und viel zu schnell Schaden nehmen. Ein Sensor mit einer Leistungsaufnahme von wenigen Watt hat hier entscheidende Vorteile.

Integration in Frontscheinwerfer oder Rückleuchten

Ein anderer Verbauort für Lidar-Sensoren bietet Möglichkeiten für eine gute Rundumsicht. Bei der Montage in die Frontscheinwerfer befindet sich der Lidar in einer guten Lage, um beispielsweise den Querverkehr zu erfassen. Muss das eigene Fahrzeug von einer Grundstücksausfahrt durch eine Reihe parkender Autos hindurch auf die Straße abbiegen, so sehen die in den Scheinwerfer eingebauten Sensoren schon wesentlich früher, ob sich andere Verkehrsteilnehmer nähern, als der Fahrer, der ungefähr 1,5 Meter weiter hinten sitzt. Ähnliches gilt für Lidar-Sensoren in den Rückleuchten. Voraussetzung für die Integration von Lidar in die Beleuchtungselemente ist wiederum die kompakte Bauform und eine geringe Leistungsaufnahme. Niedrige Werte lassen Spielraum für den Verbau weiterer Sensoren wie beispielsweise einer Kamera. Konsequent weiterverfolgt führt dieser Weg zu einer Sensordatenfusion bereits an den vier Fahrzeugecken. Diese Anordnung kann den zentralen Domain-Controller entlasten, der die Daten aller Sensoren rund um das Fahrzeug verarbeiten muss.

Weitere entscheidende Lidar-Parameter

Neben den Anforderungen einen möglichst kleinen und stromsparenden Lidar-Sensor zu bauen, gibt es noch eine Reihe weiterer Parameter, die auf den Anwendungsfall abgestimmt sein müssen. Dazu gehört zunächst das Sichtfeld (Field of View; FOV). Typische Werte liegen hier bei 120 Grad horizontal und 25 Grad vertikal bei Reichweiten um die 100 bis 150 Meter für eine Rundumsicht um das Fahrzeug. Für Long-Range-Lidar-Sensoren fordert die Automobilbranche Reichweiten von 200 Meter und mehr bei einem kleineren Sichtfeld von 60 oder 90 Grad horizontal. Zugleich steigt die Auflösung von 0,2 auf 0,1 Grad.

Klassifizierung von Lidar-Sensoren. Cepton Technologies

Ein Vorteil der Micro-Motion-Technologie besteht darin, auf den Anwendungsfall angepasste Lidar-Sensoren anbieten zu können. Die Anwendung von Lidar im Fahrzeug befindet sich noch in einer frühen Phase. Gegenüber den seit Jahren optimierten Kamera- und Radar-Sensoren stecken Lidar-Sensoren noch in den Kinderschuhen. Hier bietet die Micro-Motion-Technologie genügend Potenzial, die Grenzbereiche auszuloten und anschließend eine kostenoptimierte Komponente zu entwickeln.

Lidar-Sensoren im automotive Bereich

Die Anwendungsfälle von Lidar-Sensoren im automotive Umfeld reichen vom klassischen Kleinwagen bis zum großen SUV. Allein hier gibt es im gesamten Sensorverbund eine Vielzahl von Verbaumöglichkeiten, die wiederum besondere Lidar-Konfigurationen erfordern. Im Bereich Nutzfahrzeuge, LKW und Busse ist die Sensorgröße nicht das wichtigste Merkmal. Bei einem Sportwagen oder Kleinfahrzeug ist der Bauraum hingegen besonders stark eingeschränkt.

Das Marktsegment der Shuttle und Mover verlangt nach einem großen vertikalen Sichtfeld von 75 oder mehr Grad damit die Lidar-Sensoren trotz Einbau an der Dachkante auch noch den Nahbereich abdecken können. Die ungeliebte Alternative ist der Verbau von separaten Lidar-Sensoren, die jeweils auf den Fernbereich beziehungsweise den Nahbereich ausgerichtet sind.

Drei Lidar-Sensor-Varianten

Cepton bietet je nach Anwendungsgebiet die Lidar-Sensoren Vista, Vista-M und Vista-X. Cepton Technologies

Cepton Technologies bietet für den Fahrzeugsektor inzwischen drei unterschiedliche Varianten der Lidar-Sensoren mit Micro-Motion-Technologie an: Vista, Vista-M und Vista-X. Der seit Oktober 2018 verfügbare Lidar-Sensor Vista erreicht bereits eine Reichweite von 200 Metern bei einem Sichtfeld von 60 Grad horizontal und 24 Grad vertikal. Beim Vista-M wurde das Volumen des Sensors um 37 Prozent reduziert. Der Lidar-Sensor Vista-X wurde hingegen in die entgegengesetzte Richtung weiterentwickelt. Er bietet gegenüber dem Vista das doppelt Sichtfeld von 120 Grad horizontal und 25 Grad vertikal. Somit deckt die Vista-Baureihe mit den Standardprodukten ein weites Feld an Einsatzmöglichkeiten für Evaluierungen in Testfahrzeugen und kleine Flotten im Produktivbetrieb ab.

Shuttle-Linie mit Lidar-Sensoren

Seit Juni 2018 betreibt May Mobility in Detroit eine Shuttle-Linie mit eigens entwickelten autonomen Kleinbussen. Die Sechs-Sitzer fahren elektrisch und verwenden ein umfangreiches Sensor-Setup bestehend aus Kamera-, Radar- und Lidar-Sensoren. Im Alltagsbetrieb konnten die Cepton-Lidar-Sensoren ihre Zuverlässigkeit unter Beweis stellen. Aktuell richtet das Unternehmen weitere Shuttle-Linien in den USA ein, die im Laufe des Jahres den Regelbetrieb aufnehmen sollen.

Herausforderungen optischer Systeme

Der Einsatz von Lidar-Sensoren in verschiedensten Serienfahrzeugen steht unmittelbar bevor. Neben den Vorteilen der präzisen Abstands- und Positionserfassung bleibt jedoch ein Nachteil: Lidar-Sensoren sind ein optisches System, das sich durch nahe Objekte in der Sichtlinie sehr leicht „ausschalten“ lässt. So kann beispielsweise der große LKW in der Nachbarspur den querenden Radfahrer verdecken. Ähnlich wie das menschliche Auge hat auch der Lidar-Sensor aus der Position im oder am Fahrzeug keine Chance solche gefährlichen Verkehrssituationen frühzeitig zu erkennen, in denen beispielsweise der LKW große Teil des relevanten Sichtfelds verdeckt.

Abhilfe in einer solchen Situation kann die Fahrzeug-Infrastruktur-Kommunikation liefern. Komplexe Kreuzungen lassen sich beispielsweise zusätzlich durch fest installierte Lidar-Sensoren überwachen. Die Kreuzungsüberwachung erkennt den Radfahrer und meldet Position, Trajektorie und Geschwindigkeit an alle Verkehrsteilnehmer im Kreuzungsbereich. Die Informationen über den Radfahrer integriert das Fahrsystem dann in das Umfeldmodell und das autonome Fahrzeug reagiert entsprechend. Auf diesem Wege verhindern Lidar-Sensoren Unfälle und sorgen für eine angenehme Fahrt in einem autonomen Fahrzeug.

(prm)