Der BoniRob erkennt Unkraut mit Lidar und entfernt sie dann ohne Pestizide vom Feld.

Der Bonirob erkennt Unkraut mit Lidar und entfernt es dann ohne Pestizide vom Feld. (Bild: First Sensor)

Lidar steht für Light Detection And Ranging. Statt Radiowellen wie beim Radar nutzen solche Systeme Laserstrahlen zur Abstandsmessung und Umgebungserfassung, indem sie dreidimensionale Bilder erzeugen. Photodioden empfangen das von der Oberfläche des Objekts reflektierte Licht des Lasers und ermöglichen so Rückschlüsse auf die Geschwindigkeit und die Position. Je präziser die Dioden das Empfangssignal erkennen und verarbeiten, umso besser ist die Qualität der Sensoren und umso sicherer erfasst das System auch kleine und dunkle Objekte mit geringerer Reflektivität.

Präzise Messung in Nanosekunden

Eckdaten

Avalanche-Photodioden sind Dioden mit internem Verstärkungsmechanismus. Photonen generieren Elektron-Lochpaare die mithilfe der angelegten äußeren Spannung so beschleunigt werden, dass aufgrund von Stoßionisation weitere Elektronen ins Leitungsband gehoben werden. Diese sekundär entstandenen Elektronen nehmen wiederum genügend Energie auf, um weitere Elektronen ins Leitungsband zu heben. So lässt sich ein Multiplikationsfaktor von einigen Hundert erreichen. Avalanche-Photodioden kommen meist zum Einsatz, wenn die optische Signalstärke sehr gering ist. Typische Anwendungen sind beispielsweise die Laser-Entfernungsmessung, Laserscanner, Laser-Ausrichtsysteme und die optische Kommunikation.

Zur Messung der im Nanosekunden-Bereich emittierten Lichtpulse bietet First Sensor hochempfindliche Avalanche-Photodioden (APDs) in unterschiedlichen Serien für den sichtbaren und den infraroten Spektralbereich an. Gefertigt werden APDs mit interner Verstärkung, einem großen Dynamikbereich sowie großen Bandbreiten. Um die in Lidar-Systemen geforderten hohen räumlichen Auflösungen zu erreichen, entwickelt First Sensor APD-Arrays, die aus mehreren lichtempfindlichen Flächen auf einem Chip bestehen.

Lidar in immer mehr Anwendungen

Wie breit das Anwendungsspektrum von Lidar-Systemen bereits heute ist, lässt sich an verschiedenen Anwendungsbeispielen veranschaulichen. Autonome Nutzfahrzeuge wie Elektrostapler, Nieder- und Hochhubwagen sowie Schlepper erzielen hohe Wirtschaftlichkeit im Rahmen von Intralogistikaufgaben. So kombiniert beispielsweise Starship Technologies mobile Technologie mit speziell designten Robotern und lokalen Lieferzentren. Das Ziel dabei ist es, die örtliche Belieferung und Paketzustellung schneller, intelligenter und kosteneffizienter zu gestalten. First Sensor liefert für das Projekt ein spezielles Kurzdistanz-Lidar, das die Hinderniserkennung möglich macht.

Feld- und Wiesen-Lidar

Roboter, die gezielt Dünger ausbringen oder Unkraut bekämpfen, könnten schon bald Wirklichkeit werden. Das Bonirob-System kann anhand der Blattform zwischen Nutzpflanzen und Unkraut unterscheiden. Detektiert Bonirob Unkraut, vernichtet das System es mechanisch mithilfe eines Rammstabs ohne den Einsatz von Herbiziden. Der autonome Feldroboter, der auf einem Fahrgestell mit Einzelradantrieb befestigt ist, wird von den Amazonen-Werken zusammen mit der Fachhochschule Osnabrück, Bosch und anderen Partnern entwickelt. Er ist Basis für den Einsatz autonomer Systeme in der Landtechnik. Zur Navigation dient ein GPS-System. Bei der Agrosensorik setzten die Entwickler unter anderem auf eine Spectral-Imaging-Technologie.

Für die Feldarbeit zeigte CNH Industrials, Muttergesellschaft des Traktorenherstellers New Holland, Konzepte autonomer Traktoren. Einen ersten autonomen Weinbautraktor etwa zeigte Anfang des Jahres New Holland in Zusammenarbeit mit dem weltweit größten Weinanbauer E. & J. Gallo Winery aus Kalifornien. Am Feld angekommen, kann die Software der Traktoren unter Berücksichtigung der Größe und Form des Feldes sowie der Größe des verwendeten Gerätes die effizienteste Route über das Feld berechnen. Wenn das eingebaute Lichtradar ein Hindernis auf dem Feld erkennt, erhält der Landwirt vom System eine Nachricht und kann dann entscheiden, wie der Traktor sich verhalten soll.

Welche Aufgaben Lidar im Winter übernehmen kann, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Eis und Schnee

Auch die Lenkung der Pistenraupen am Jungfraujoch konnte New Holland automatisieren. Die Techniker von New Holland und der Firmen Grunderco sowie Studer haben die Funktionen des Precision Land-Management-Systems (PLM) aus der Landwirtschaft auf die Anforderungen der Pistenpräparation angepasst. Dies funktioniert für den Einsatz mit oder ohne Seilwindenunterstützung. Das System ist einerseits dazu in der Lage vordefinierte Wege und Spuren mit höchster Präzision zu fahren und kann zudem auch neue sowie sich verändernde Pisten bearbeiten.

Mit autonomen Systemen aufs Glatteis

Ein weiteres aktuelles Anwendungsgebiet ist der Winterdienst an Flughäfen. Beispielsweise hat Daimler gemeinsam mit dem Flughafenbetreiber Fraport in einem Projekt den Winterdienst am Flughafen mit extra konzipierten Fahrzeugen automatisiert. In Konvois mit bis zu 16 Schneeräumfahrzeugen sollen die fahrerlosen LKWs schon bald für geräumte Start- und Landebahnen sorgen.

Auf Reinigung an anderem Ort hat sich das Berliner Mobility-Startup Enway konzentriert. Das 2017 gegründete Unternehmen entwickelt und automatisiert fahrende Spezialfahrzeuge wie Kehrmaschinen und Müllautos. Ein Prototyp fährt bereits auf dem Berliner Forschungscampus Euref und reinigt dort das Gelände. Die Maschine navigiert mithilfe von Kameras, Sensoren und einem Laserscanner.

Marktwachstum gesichert

Die automatisierten Pistenraupen am Jungfrauenjoch kann mit Lidar vordefinierte Wege abfahren, aber auch neue Pisten bearbeiten.

Die automatisierten Pistenraupen am Jungfrauenjoch können mit Lidar vordefinierte Wege abfahren, aber auch neue Pisten bearbeiten. First Sensor

Das Marktpotenzial für autonome Fahrzeuge ist riesig: Die Unternehmensberatung Bain & Company hat berechnet, dass der globale Markt für automatisierte Fahrzeuge und Fahrassistenzsysteme bis 2025 ein Volumen von 22 bis 26 Milliarden US-Dollar mit jährlichen Wachstumsraten zwischen 12 und 14 Prozent erreichen wird.

Auch Drohnen sind ein attraktiver Wachstumsmarkt: Das Markforschungsunternehmen Gartner prognostiziert, dass das Marktvolumen bis 2020 von derzeit rund 6 Milliarden auf 11,2 Milliarden steigen wird. Die Marktforscher erwarten insbesondere bei der industriellen Inspektion wie etwa für Öl, Gas, Energie, Infrastruktur oder Verkehr ein deutliches Wachstum. Dieser Bereich soll bis 2020 etwa 30 Prozent des kommerziellen Drohnenmarkts ausmachen. Dagegen werden Lieferdrohnen weiterhin nur ein Nischendasein fristen. Die Marktforscher erwarten hier einen Marktanteil von unter einem Prozent bis 2020.

Sensorlösungen aus einer Hand

Seit 1991 entwickelt und fertigt First Sensor optische Sensoren. Im Programm sind Detektoren, Module oder kundenspezifische Lösungen. Die Prozesskette reicht vom Design bis zur Fertigung und beinhaltet alle Schlüsselkomponenten: Bauteilentwicklung und -fertigung, Aufbau- und Verbindungstechnik sowie optoelektronische Hybridintegration bis hin zur kompletten Systementwicklung. Spezielle Aufbautechniken führen dazu, dass sich die Sensoren auch in extremen Umgebungen hinsichtlich Temperatur, Vibration, Schmutz, oder Feuchte einsetzen lassen. Durch die eigene Halbleiterfertigung mit einer Reinraumfläche von rund 1200 m² und umfangreiche Entwicklungskapazitäten kann der Sensorhersteller seine Silizium-Avalanche-Photodioden an spezielle kundenspezifische Anforderungen hinsichtlich Empfindlichkeit, Verstärkung, Anstiegszeit oder Bauform anpassen. Die eigene Fertigung aller zentralen Komponenten sichert eine lange Verfügbarkeit der Produkte.

Kundenspezifisch angepasste Photodioden-Arrays können für die jeweilige Anwendung entworfen und optimiert werden. In Zukunft werden APD-Array, Auswerteelektronik und Optiken auf engstem Raum in einem OEM-Bauteil integriert. Verfügbar sind auch Entwicklungsmodule für APD-Arrays. Diese eignen sich für Testläufe in der Forschung und Entwicklung sowie für die Integration in OEM-Lidar-Geräten. Ihre hochgenaue Verstärkung sorgt für eine sehr hohe APD-Signalqualität.

In der Vergangenheit erfolgten Innovationsprozesse in der Mikroelektronik eher anwendungsneutral. Heute konzipiert First Sensor Bauteile und Module von Anfang an entsprechend spezieller Anwendungsanforderungen. Ein wichtiger Nutzen dieser Vorgehensweise liegt im verringerten Zeitbedarf und Kostenaufwand für den gesamten Prozess von der Entwicklung bis zum Serieneinsatz. Durch die langjährige Erfahrung mit den strengen Industrie- und Automobilnormen entstehen so zuverlässige Produkte.

Karsten Bronowski

Key Account Manager bei First Sensor

(prm)

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