Im urbanen Straßenverkehr sind rund 90 Prozent aller Unfälle auf menschliches Versagen zurückzuführen. Demnach ist davon auszugehen, dass eine zunehmende Automatisierung von Fahrzeugen zu einer erheblichen Verringerung der Unfallzahlen führt. Eine zentrale Rolle nehmen bei dieser Annahme die eingesetzten Assistenzsysteme für das autonome Fahren (ADAS) ein. Der Entwicklung von robuster, fehler- und störungsfrei arbeitender ADAS-Technologie im Bereich des autonomen Fahrens kommt daher eine hohe Bedeutung zu, denn durch unzuverlässige Sensorsysteme können schnell neue Gefahrenquellen entstehen. Gerade der mittlere Entfernungsbereich ist sehr schwer zu erfassen, als Beispiel ist hier das Abbiegen eines Fahrradfahrers an einer Kreuzung zu nennen. Die dreidimensionale Umgebungserfassung spielt in diesem Zusammenhang eine Schlüsselrolle.

Eckdaten

Die Bedeutung des autonomen Fahrens nimmt immer mehr zu, was sowohl für den Straßenverkehr als auch für die Industrie und Logistik gilt. In diesem Zusammenhang ist eine zuverlässige, dreidimensionale Umfelderfassung von zentraler Bedeutung. Nur so lassen sich neue Gefahrenquellen ausschließen und Unfälle vermeiden. Bisherige Systeme konnten diese Garantie nicht oder nur bedingt leisten. Dem Fraunhofer IMS in Duisburg ist mit der Entwicklung der CSPAD-Technologie für Lidar-Kamerasysteme diesbezüglich eine zukunftsweisende Entwicklung gelungen.

Dies gilt nicht nur für den Straßenverkehr, sondern insbesondere auch für die Bereiche Industrierobotik und Intralogistik. Bislang sind die industriellen Arbeitsbereiche, in denen stationäre Roboter zum Einsatz kommen, zum Beispiel durch Schutzgitter vom übrigen Produktionsbereich getrennt. Industrie 4.0 fordert jedoch kooperative und mobile Roboter, fahrerlose Transportsysteme und Gabelstapler sowie fest montierte Einheiten, die zu jeder Zeit und absolut zuverlässig in der Lage sind, mit dem Menschen sicher zu interagieren sowie Gefahren zu erkennen. Gleiches gilt für mobile Roboter in der Lagerlogistik. Diese kommunizieren bisher über Funknavigation untereinander und orientieren sich optisch anhand kooperativer Targets, beispielweise Reflektoren auf dem Hallenboden. Doch auch dort nimmt die Bedeutung der Autonomie der Systeme – und damit der Bedarf an zuverlässig funktionierender Sensorik – immer weiter zu.

Radar und Ultraschall – nicht die beste Lösung

Sowohl der Automotive- als auch der Robotikbereich setzen bislang auf Video, Radar, Ultraschall und Stereokameras zur Tiefenkartenermittlung: bei Autos zur Erkennung von Objekten in Fahrtrichtung, und wenn nötig zur Auslösung einer Bremsung oder Einleitung eines Ausweichmanövers, bei Industrierobotern zur Erkennung von Personen im Gefahrenbereich und zur sofortigen Abschaltung des Roboters in einer Gefahrensituation. Radartechnologie und Ultraschallsensoren sind zwar schon lange Stand der Technik, aufgrund ihrer mangelnden Lateralauflösung im mittleren und im Nahbereich (Radar) sowie ihrer kurzen Reichweite von rund 3 m (Ultraschall) jedoch ungeeignet, für sich alleine eine sichere dreidimensionale Tiefenkartierung zu liefern. Der naheliegende Gedanke ist daher, für die Umgebungserfassung das sichtbare Licht bis zum nahen Infrarotlicht zu nutzen, den Teil des elektromagnetischen Wellenlängenspektrums, der eine szenische Abbildung erlaubt. Den Weg dahin hat die Entwicklung der CCD- und heutzutage der CMOS-Bildsensorik geebnet, welche eine berührungslose, dreidimensionale Umgebungserfassung ermöglicht.

Time-of-Flight und Lidar

Bild 1: Links das klassische Scanning-Lidar-Prinzip, mit der Beleuchtung eines Punktes, rechts das Flash-Lidar-Prinzip, bei dem ein rechteckiges Messfeld beleuchtet wird.

Bild 1: Links das klassische Scanning-Lidar-Prinzip, mit der Beleuchtung eines Punktes, rechts das Flash-Lidar-Prinzip, bei dem ein rechteckiges Messfeld beleuchtet wird. Fraunhofer IMS

Für die zu messenden Entfernungen im Automotive- und Robotikbereich kommt der aktive Ansatz der Laufzeitmessung (Time-of-Flight, ToF) zur Anwendung. Die Entfernung eines Objektes ermittelt sich dabei aus der Ausbreitungsgeschwindigkeit und der Zeit, die die Lichtwelle von der Emission über die Reflexion am Objekt zurück zum Detektor benötigt. Dieses spezielle ToF-Verfahren (ToF) nennt sich Light Detection and Ranging (Lidar) und bildet die Grundlage der auf der Ausbreitung von Lichtwellen basierenden Distanzmessung. Die Lidar-Technologie schafft in Kombination mit anderen Komponenten die Voraussetzung für das selbstständige Lenken, Bremsen und Beschleunigen eines Fahrzeugs. Beim automatisierten Fahren und in der Industrieautomatisierung ergänzt das System die bisher genutzte Kamera- und Radartechnik und ermöglicht so eine komplette Aufnahme des Umfelds. Dadurch ist es dann auch möglich, zuverlässig und frühzeitig Hindernisse zu erkennen. Technisch umgesetzt werden die Messungen mittels Flash- oder Scanning-Lidar. Über ein ToF-3D-Kamerasystem empfängt das Lidar-System schließlich die zurückgestreuten Signale und misst anhand der Laufzeit Abstand, Position und Geschwindigkeit von Fahrzeugen, Radfahrern, Passanten oder Baustellen.

Umgebungserfassung mit nur einem Laserblitz

Bild 2: Schematische Darstellung der direkten dreidimensionalen Tiefendetektion mittels Time-of-Flight. Eine hochpräzise elektronische Stoppuhr wird mit dem Aussenden eines Laserpulses gestartet und mit dem Empfang des reflektierten Pulses wieder gestoppt. Der dabei entstandene Zeitstempel repräsentiert die Photonenlaufzeit.

Bild 2: Schematische Darstellung der direkten dreidimensionalen Tiefendetektion mittels Time-of-Flight. Eine hochpräzise elektronische Stoppuhr wird mit dem Aussenden eines Laserpulses gestartet und mit dem Empfang des reflektierten Pulses wieder gestoppt. Der dabei entstandene Zeitstempel repräsentiert die Photonenlaufzeit. Fraunhofer IMS

Beim traditionellen Lidar werden ein oder mehrere Laserstrahlen auf einen rotierenden Spiegel gelenkt, der die Umgebung im 360-Grad-Winkel erfasst. Diese Spiegelvarianten sind jedoch sehr voluminös und mechanisch fehleranfällig. Deshalb entscheiden sich viele Automobilhersteller gegen dieses System. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS in Duisburg verwenden bei ihrer Arbeit eine neue Generation von Lidar-Sensoren. Die sogenannten Flash-Lidar-Detektoren sind hochempfindlich und erfassen mit einem einzigen Laserblitz die gesamte Fahrzeugumgebung. Die Detektoren bestehen aus mehreren, speziell am Fraunhofer IMS entwickelten, Photodioden – den CMOS Single-Photon Avalanche-Dioden (CSPADs). Anders als beim klassischen Lidar wird hierbei nicht nur ein Punkt, sondern ein rechteckiges Messfeld beleuchtet (Bild 1). Dies hat den enormen Vorteil, dass keinerlei mechanische Komponenten wie rotierende Spiegel notwendig sind. Die Messung der Lichtlaufzeit zur Entfernungsbestimmung erfolgt dabei direkt oder indirekt.

Indirekte und direkte Laufzeitmessung, Vorteile sowie einen Ausblick auf die künftige Entwicklung finden Sie auf der nächsten Seite.

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