Lidar-Technik verbessert Navigation autonomer Roboter

Die Lidar-Technologie (Light Detection and Ranging) bringt ständige Verbesserungen, was die Wahrnehmung, die Reaktion und den sicheren Betrieb von Robotern und autonomen Systemen in unterschiedlichen Umgebungen betrifft. Auch wenn es diese Technologie schon seit einigen Jahrzehnten gibt, haben erst aktuelle Entwicklungen dazu geführt, dass sie auch in Robotern, wie dem in Bild 1 dargestellten AMR (Automated Mobile Robot), eingesetzt wird.

Wie verändert Lidar die Navigation autonomer Systeme?

In einer beliebten Action- und Science-Fiction-Filmreihe (Transformers) ist zu sehen, wie sich Roboter von einem Automobil in einen voll funktionsfähigen Roboter mit menschenähnlichen Wesenszügen verwandeln können. In der Realität verfügen Roboter natürlich noch nicht über dieses Maß an Empfindungsfähigkeit, und sie benötigen Kameras als Augen, um sich in der Welt mit all ihren unvorhersehbaren Hindernissen zurechtzufinden.

Das steckt in einem LiDAR-Sensor

Die dreidimensionale Lichtdetektion und Entfernungsbestimmung (LiDAR) ist eine Fernerkundungsmethode, die Laserlicht nutzt, um präzise 3D-Karten der Umgebung zu erstellen. Aber was genau steckt in einem Sensor? Hier die Antwort

Warum sind Kameras allein nicht mehr ausreichend?

Auf dem Automobilsektor ist es einfach nachvollziehbar, weshalb es sinnvoll ist, nicht nur Kameras, sondern alle verfügbaren Navigationsmethoden zu nutzen, um die Sicherheit des Fahrzeugs und seiner Insassen sowie die der anderen Verkehrsteilnehmer zu gewährleisten. Mithilfe verschiedener Sensormodule und der Sensorfusion werden Navigationsmethoden wie etwa Lidar, Radar und Kameras parallel zueinander für Distanz- und Geschwindigkeitsmessungen genutzt. Diese Sensorfusion verleiht einem Fahrzeug eine optimale Sicht auf Hindernisse in seinem Umfeld.

Auf dem Robotersektor werden Fortschritte im Bereich der Lidar-Technik dazu beitragen, die Verbreitung von AMRs in unterschiedlichen Umgebungen zu steigern, indem ihre Umgebungswahrnehmung, ihre Hinderniserkennung und ihre Echtzeit-Reaktionsfähigkeiten verbessert und gleichzeitig die Einschränkungen traditioneller, kamerabasierter Systeme überwunden werden.

Wie Sensoren Roboter sensibel und intelligent machen

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Welche technischen Unterschiede bestehen bei Lidar-Modulen?

Bei Nutzfahrzeugen befindet sich die mechanisch scannende Lidar-Einheit auf dem Fahrzeugdach oder seitlich am Fahrgestell (Bild 2). Die Lidar-Module, die ungefähr die Größe eines Eishockey-Pucks haben, enthalten oftmals jeweils 32 bis 128 Kanäle und drehen sich extrem schnell, nämlich mit durchschnittlich 360° in 0,2 Sekunden. Mithilfe einer optischen Time-of-Flight-Architektur (ToF) und einem System auf Basis eines A/D-Wandlers (ADC) kann jedes Lidar-Modul zudem auf jedem Kanal ergänzende Informationen erfassen, wobei jedoch ein erhöhter Stromverbrauch und größere Abmessungen als Nachteile in Kauf genommen werden müssen.

Lidar-Module mit einem ADC werden oft als 3D- oder 4D-Designs bezeichnet, abhängig davon, ob sie ihre Informationen als drei- oder vierdimensionale Punktwolken zur Verfügung stellen.

Industrielle Lidar-Systeme beruhen auf denselben technischen Grundsätzen, verfügen aber häufig über weniger Kanäle, manchmal sogar nur über einen Kanal je Modul. Aufgrund ihrer geringeren Größe und Komplexität sind Industriemodule oftmals kostengünstiger und verbrauchen weniger Strom, was die Einbindung in ein Roboterdesign erleichtert. Je nachdem, ob sie eine zweidimensionale Punktwolke erzeugen oder sich auf eine schlichte Distanzmessung beschränken, werden industrielle Lidar-Systeme in ein- und zweidimensionale Lösungen eingeteilt.

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Zu den industriellen Lidar-Anwendungen zählen die Verkehrs-, Hafen- und Terminalüberwachung, Navigations- und Überwachungsfunktionen in Distributionslagern, AMRs und autonome Industriefahrzeuge sowie elektronische Kleingeräte wie etwa Smartphones oder Tablets.

Was macht Lidar zur Schlüsseltechnologie für AMRs?

AMRs dringen an neue Orte vor und bewegen sich eigenständiger als je zuvor, sodass Kameras möglicherweise nicht mehr ausreichend sind. Verdeutlichen lässt sich dies an einem Liefer-AMR, der auf einem Bürgersteig unterwegs ist. Hier kann er mit Hindernissen wie etwa Autos, Mülltonnen, Fußgängern, Fahrrädern oder auch Kinderspielzeugen konfrontiert werden, die allesamt relevant für die Navigationsfähigkeiten des Roboters sind.

Für den AMR kommt es darauf an, diese Hindernisse zu erkennen, eine potenzielle Kollision zu bewerten und in Echtzeit zu reagieren. Ein zusätzliches Lidar-Modul verleiht einem AMR die nötige Auflösung und Reaktionszeit, um eine Änderung im Umfeld (zum Beispiel) einen auf ihn zurollenden Ball) zu erkennen, eine rasche Reaktion einzuleiten und eine Kollision zu vermeiden. In Bild 3 ist ein AMR zu sehen, der sich mit Lidar-Hilfe auf einem belebten Bürgersteig bewegt.

Kameras können zwar ein hochaufgelöstes Bild liefern, scheitern aber am exakten Messen von Entfernungen. Letzteres ist jedoch wichtig, wenn ein AMR entscheiden muss, ob er seinen Weg fortsetzen kann oder ausweichen muss. Hinzu kommt, dass AMRs unter sämtlichen Licht- und Wetterbedingungen einsetzbar sein müssen. Die Lidar-Technik wird durch diese Bedingungen nicht eingeschränkt und kommt außerdem (anders als kamerabasierte Systeme) ohne externe Beleuchtung aus.

Design und Integration effizienter Lidar-Module

Angesichts der Vorteile der Lidar-Technik müssen Entwickler die beste Möglichkeit herausfinden, diese Sensortechnik in ihre Systeme zu integrieren. Als erstes muss eine Lasertreiber-Schaltung für den Sendeweg entwickelt werden, ergänzt durch einen Transimpedanz-Verstärker (TIA) für den Empfangsweg des optischen Lidar-Designs (siehe Bild 4). Als Alternativen kommt die Implementierung eines Single-Chip-Designs zwischen der Photodiode und dem Time-to-Digital-Wandler der Empfangssignalkette mit einem TIA (z. B. dem LMH34400) in Frage, oder aber die Kombination des Designs mit einem anderen schnellen Komparator wie dem TLV3801.

Für das Design des Sendepfads stellt der integrierte Lasertreiber LMH13000 einen hohen Ausgangsstrom in zwei Betriebsarten (Dauerstrichbetrieb oder gepulster Betrieb) zur Verfügung, um so den Bedarf an zusätzlichen diskreten Bauelementen zu minimieren. Diese per LVDS (Low-Voltage Differential Signaling) gesteuerte Stromquelle hat eine Schwankungsbreite von 2 Prozent über den Temperaturbereich, verbunden mit Anstiegs- und Abfallzeiten von 800 ps und Frequenzen bis zu 250 MHz. Im Betrieb als gepulste Stromquelle unterstützt der LMH13000 einen Ausgangsstrom zwischen 50 mA und 5 A.

Kombinierte, kurze Impulse und ein hoher Ausgangs-Treiberstrom ermöglichen die Verwendung leistungsstärkerer Impulse, mit denen sich unter Einhaltung der einschlägigen Augensicherheits-Standards bis zu 30 Prozent größere Entfernungen messen lassen. Dank dieser verbesserten Eigenschaften können Roboter etwaige Hindernisse schneller und präziser erkennen, was der Echtzeit-Entscheidungsfindung zugutekommt und auch ein sichereres Navigieren in komplexen Umgebungen erlaubt.

Fazit

Die Lidar-Technologie ist ein nicht wegzudenkendes Element auf dem Weg zu autonomer Mobilität bei Autos und industriellen Fahrzeugen. Die Fähigkeiten zum Erkennen von Objekten und zum Vermeiden von Kollisionen in Echtzeit verbessern die Sicherheit für Fahrzeuge und Menschen. Die menschenähnlichen mobilen Roboter aus den Filmen, die sich in unserer alltäglichen Umgebung zurechtfinden, wird es also vielleicht früher geben als wir glauben. (bs)