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Autonomes Fahren: Lidar und die Sensorfusion

| Autor / Redakteur: Dr. Stephan Haneder * / Hendrik Härter

Lange Zeit wurden Lidar-Systeme als Konkurrenz zu Kamera oder Radar angesehen. Mittlerweile sind sich aber Experten und Hersteller darüber einig, dass die Frage nicht mit einem „entweder oder“, sondern mit „sowohl als auch“ beantwortet werden sollte.

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Die größte Herausforderung bei der Weiterentwicklung von Assistenzsystemen und dem Einsatz von Lidar besteht in der Vielfalt der Konzepte und möglichen Systemarchitekturen.
Die größte Herausforderung bei der Weiterentwicklung von Assistenzsystemen und dem Einsatz von Lidar besteht in der Vielfalt der Konzepte und möglichen Systemarchitekturen.
(Bild: Clipdealer)

Die Automobilindustrie ist im Umbruch: Eines der am stärksten diskutierten Themen dabei ist die Entwicklung hin zum Autonomen Fahren. Es könnte zu einem ausschlaggebenden Kriterium dafür werden, ob sich ein Automobilhersteller oder Systemlieferant auf lange Sicht am Markt behaupten kann. Darauf müssen sich nicht nur die Hersteller einstellen. Gleichzeitig ist es auch eine Chance, sich für die Zukunft der Mobilität aufzustellen. Dabei sind aktuell zwei unterschiedliche Lager beziehungsweise Herangehensweisen auszumachen.

1. Die traditionellen Automobilhersteller bauen die Funktionen von Fahrassistenz-Systemen weiter schrittweise hin zum teilautonomen Fahren aus. Dieser Ansatz berücksichtigt die Marktbedingungen für den Massenmarkt. Bis dieser reif für die letzte Ausbaustufe des komplett autonomen Fahrens ist, vergehen sicherlich noch etliche Jahre. Denn für den Einsatz auf öffentlichen Straßen gilt es neben den notwendigen Zertifizierungen auch die Gesetzeslage und die Akzeptanz der Bevölkerung zu berücksichtigen. So zeigt eine Bitkom-Studie [1]: Die Bevölkerung freut sich zwar auf selbstfahrende Fahrzeuge, mehr als 70 Prozent der Befragten haben jedoch Bedenken hinsichtlich der Sicherheit.

Vermehrt teilautonome Assistenzsysteme

2. Die IT-Branche und andere Hightech-Märkte drängen zunehmend in den Mobilitätsmarkt. Hier ist der Ansatz ein wesentlich direkterer Weg zum komplett autonomen Fahren, ohne Umwege über zunehmend automatisierte Funktionen oder teilautonome Systeme – selbst wenn Robotaxis und andere autonome Gefährte zunächst nicht für den Massenmarkt und auf öffentlichen Straßen einsetzbar sein werden.

Bereits heute gibt es Beispiele von autonomen PKWs über Shuttles oder Industriefahrzeuge, die auf Teststrecken oder einem abgesperrten Privatgelände zum Einsatz kommen. Letztendlich kann auch dieser Ansatz zur Akzeptanz der Bevölkerung beitragen. Wer beispielsweise einen reibungslosen Einsatz von autonom fahrenden Shuttles auf Flughäfen erlebt hat, steht dem Autonomen Fahren sicher etwas aufgeschlossener gegenüber.

Als nächste Ausbauschritte für die klassischen Automobilhersteller sind beispielsweise vermehrt teilautonome Assistenzsysteme zu erwarten, die etwa bei Autobahnfahrten zugeschaltet werden. Wir sprechen hier von Stufe drei von fünf des Autonomen Fahrens: Der Fahrer darf die Verantwortung an hochautomatisierte Systeme abgeben, muss aber innerhalb weniger Sekunden wieder übernehmen können – etwa in einem Baustellenbereich oder wenn eine bestimmte Verkehrssituation dies erfordert.

Sensorfusion für die notwendige Sicherheit

ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) sind sehr komplex. Es gibt eine große Anzahl verschiedener Bausteine, die zusammenwirken müssen. Aktuell werden wegweisende Entscheidungen getroffen, welche Komponenten in welchen Systemen für das autonome Fahren zum Zug kommen. Ein autonomes Fahrzeug benötigt beispielsweise eine vollständige 3D-Ansicht seiner Umgebung, damit die Algorithmen die nächste Aktion des Fahrzeugs bestimmen können. Kameras, Radar und Lidar (Light Detection and Ranging) sind die wichtigsten Sensortechniken, die verwendet werden.

Jede dieser genannten Techniken hat, abhängig vom jeweiligen Szenario, Vor- und Nachteile. Je besser sie aufeinander abgestimmt sind, desto sicherer bewegt sich das Fahrzeug durch den Verkehr. Durch die Zusammenführung der Vorteile der drei verwendeten Technologien würde es autonomen Fahrzeugen möglich, selbst in 250 Meter Entfernung eine Person sicher zu erkennen und festzustellen, ob es sich bei einem Objekt, das die Fahrbahn kreuzt, um einen Gegenstand oder eine Person handelt. Schritt für Schritt werden die einzelnen Systeme optimal kombiniert, um möglichst viele Funktionen abzudecken und die für die Sicherheit notwendige Redundanz zu gewährleisten.

Lidar ist weiter auf dem Vormarsch

Der Einsatz von Lidar liefert Vorteile, die die beiden anderen Techniken ideal ergänzen, um die Verlässlichkeit für Fahrassistenzsysteme und autonomes Fahren im Allgemeinen zu verbessern. Dass der Markt dies erkannt hat, zeigen nicht nur aktuelle Akquisitionen von Sensorherstellern, die Lidar-Techniken zukaufen, sondern auch aktuelle Marktprognosen wie „Lidar für Automobil- und Industrieanwendungen 2019“, die den Marktwert für Lidar in ADAS-Fahrzeugen bis 2030 auf rund 11 Mrd. US-Dollar schätzen.

Gegenüber Radarsensoren hat Lidar den Vorteil, dass es auch auf lange Distanz hochauflösende 3D-Informationen in Echtzeit liefert. Moderne Systeme generieren beispielsweise Zehntausende Datenpunkte. Die Fähigkeit die Umgebung dreidimensional abzubilden und den Abstand zu Objekten direkt zu messen, ist auch eine entscheidende Stärke im Vergleich zu hochauflösenden Kamerasystemen. So erkennen die Sicherheitssysteme mit Hilfe von Lidar etwa den Unterschied zwischen einem Schatten und einem räumlichen Objekt. Erhebliche Vorteile zeigen sich auch beim Einsatz in der Dunkelheit und selbst bei Gegenlicht liefert Lidar noch gut verwendbare Daten.

Vielfalt der Konzepte und Systemarchitekturen

Bezogen auf autonom agierende Fahrzeuge muss neben dem weiten Blick nach vorne (sogenanntes „Long-Range Lidar“; bis ungefähr 250 m Entfernung), auch das unmittelbare Umfeld des Autos verlässlich erfasst werden. Dieses sogenannte Short- bzw. Mid-Range-Lidar (bis ungefähr 90 m Entfernung), deckt klassische Verkehrssituationen wie Überholvorgänge auf der Autobahn oder den Stadtverkehr ab.

Die größte Herausforderung bei der Weiterentwicklung von Assistenzsystemen und dem Einsatz von Lidar besteht in der Vielfalt der Konzepte und möglichen Systemarchitekturen, die momentan von zahlreichen Herstellern geprüft werden. Lidar könnte beispielsweise im Scheinwerfer integriert werden oder als kompaktes Modul hinter dem Kühlergrill.

Bis es zu einer Standardisierung kommt und Lidar für den Massenmarkt eingesetzt werden kann, gilt es für die Technologielieferanten möglichst für jede der möglichen Einsatzvarianten eine geeignete Komponente bereitzustellen. Daneben gibt es in den letzten Jahren bereits deutliche Entwicklungsfortschritte in Bezug auf die generellen technischen Eigenschaften von Lidar.

Mehr Leistung und Reichweite

Je mehr Punkte ein Lasersystem pro Raumwinkel erfasst, umso feiner lässt sich das Bild differenzieren.
Je mehr Punkte ein Lasersystem pro Raumwinkel erfasst, umso feiner lässt sich das Bild differenzieren.
(Bild: Osram Opto Semiconductors)

Vor rund 15 Jahren brachte Osram Opto Semiconductors die ersten Laser Dioden für Lidar auf den Markt. Die damalige Produktgeneration lieferte eine optische Leistung von 75 W bei 30 A. Durch die technische Weiterentwicklung insbesondere eines optimierten Chipdesigns und Gehäuses konnten die Leistungen innerhalb der Betriebsgrenzen deutlich erweitert werden. Damit wurden auch Parameter wie Pulslängen verbessert.

Aktuelle Produkte erreichen eine Leistung von 125 W bei 40 A. Eine Effizienz von rund 30 Prozent hilft dabei, die Gesamtkosten des Systems im Betrieb gering zu halten. Dank der geringen Induktivität und neuartigen GaN-Feldeffekttransistoren sind heute kurze Pulse von 2 bis 4 ns möglich.

Verbesserte Emissionsbreite und Auflösung der Lidar-Systeme

Je mehr Punkte ein Lasersystem pro Raumwinkel erfasst, desto feiner lässt sich das Bild differenzieren – ähnlich wie bei Pixeln in Kamerasystemen. Bereits die ersten Lasersysteme, die beispielsweise für Bremsassistenten eingesetzt wurden, konnten weit vorausschauen. Allerdings hatten sie noch eine vergleichsweise geringe Anzahl von Pixeln und einen beschränkten Erfassungsbereich bzw. Raumwinkel. Aktuelle Lidar-Laserchips (z.B. SPL DP90_3) kommen mit 120 µm auf eine wesentlich schmalere Emissionsbreiten und bieten eine optische Leistung von 65 W bei 20 A. Damit eignen sie sich, um die unmittelbare Fahrzeugumgebung zu erfassen, in dem hochauflösende Bilder für die nachgelagerten Systeme generiert werden.

Komplexere Assistenzsysteme verfügen immer immer mehr Bauteile auf kleinerer Fläche. Die Miniaturisierung der Komponenten ist daher immer ein Punkt, dem besondere Aufmerksamkeit geschenkt wird. Das zeigt sich besonders an der Verkleinerung der Gehäuse. Die normierten TO-Metalcan-Gehäuse der ersten Generation hatten typischerweise einen Durchmesser von 5,6 mm. Bei der aktuellen Lidar-Generation kommen häufig SMD-Gehäuse zum Einsatz. Sie lassen sich dank Oberflächenmontage (SMT) leicht verbauen und messen mit 2 mm x 2,3 mm, was sie zudem kompakter macht. Neben Komponenten mit Gehäuse gibt es einzelne Chips mit geringeren Abmessungen, falls ein Systemdesigner auf einer sehr tiefen Integrationsebene ansetzt.

Neue Komponenten senken die Systemkomplexität

Nicht trivial ist die Integration der Lidar-Komponenten in die Fertigungsketten. Hier arbeiten die Technologieentwickler daran, SMD-Bauteile für die Oberflächenmontage anzubieten, die in Standard-Fertigungsprozesse integriert werden können. Zudem geht es darum die Systemkomplexität, die sich mit jeder Komponente für ADAS und Sensoren erhöht, zu verringern. Hier kommt es darauf an, auf welcher Integrationsstufe ein Systemanbieter einsteigen möchte. Für eine hohe Design-Flexibilität könnte der Technologieentwickler die komplette Integration eines Chips systemseitig vornehmen.

Im Herbst 2019 hat Osram OS mit dem SPL S4L90A einen Automotive-qualifizierten (AEC-Q102) Vier-Kanal-Pulslaser für Lidar-Anwendungen vorgestellt. Die Vier-Kanal-Version verfügt über einen Chip mit vier Emissionsbereichen, der eine optische Leistung von 480 W liefert.

Vertical Cavity Surface Emitting Laser

EEL-Dioden liefern über eine kleine Emissionsfläche besonders viel Licht auf wenig Raum und punkten bei Leistung, Reichweite und einem kleineren Formfaktor. Damit eignen sie sich für Lidar. Über die Jahre wurden die Dioden verbessert und erfüllen die hohen Anforderungen der Automobil-Industrie. In Zusammenhang mit Lidar existiert eine weitere Lichttechnik: Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL). Sie kombiniert eine hohe Leistungsdichte und einfaches Packaging einer Infrarot-LED mit der spektralen Breite und Geschwindigkeit eines Lasers.

VCSEL benötigt etwas mehr Bauraum als EEL-Emitter. Dafür bietet VCSEL eine größere Wellenlängen-Stabilität bei steigenden Temperaturen. Schon heute kommt VCSEL in ersten industriellen Anwendungen, der Robotik und bei Logistikfahrzeugen zum Einsatz. Für Automobilanwendungen ist sie noch nicht zertifiziert, das wäre aber der nächste logische Schritt. Genau wie bei der Frage Radar, Kamera oder Lidar sollten auch EEL und VCSEL nicht als konkurrierende Techniken gesehen werden, sondern als komplementäre Optionen für mehr Sicherheit auf der Straße. Allerdings muss an der Leistung der VCSEL noch gearbeitet werden, um die Vorstellungen der Lidar-Systemhersteller bedienen zu können.

Referenz

[1] Bitkom: „Das Auto der Zukunft spaltet die Deutschen“ (abgerufen am 2.3.2020)

* Dr. Stephan Haneder ist Head of Product Line Laser Osram Opto Semiconductors in Regensburg.

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