3D-Lidar Von der Apollo-Mission zur Schlüsseltechnik für die Industrie

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Die Ursprünge der Lidar-Technik gehen auf die Apollo-15-Mission zurück. Mit Lidar lassen sich mittels Laserimpulsen Entfernungen messen und dreidimensionale Informationen gewinnen. Heute unverzichtbar für autonomes Fahren.

Ursprünglich in den frühen 1960er Jahren entwickelt und bei der Apollo-15-Mission 1971 erstmals öffentlichkeitswirksam eingesetzt, nutzt Lidar (Light Detection and Ranging) zur optischen Abstandsmessung Laserpulse und liefert präzise dreidimensionale Informationen, die in zahlreichen Anwendungsfeldern Mehrwert schaffen – von der Geographie über die Logistik bis hin zur Sicherheitsbranche.

In industriellen Anwendungen, die eine hohe Reichweite und Genauigkeit erfordern, werden häufig 3D-Lidar-Sensoren mit Festkörperabtastung eingesetzt. Diese arbeiten nach dem Time-of-Flight- (ToF-)Prinzip: Eine Diode sendet Laserpulse aus, die nach der Reflexion an Objekten von einem Detektor wieder aufgenommen werden. Die Laufzeit des Lichts wird von einer proprietären Software zur Entfernungsmessung genutzt. Der Sensor sendet mehrere hunderttausend Laserpulse pro Sekunde aus, die über MEMS-Spiegel (MEMS: Micro-Electro-Mechanical System) über ein großes Sichtfeld abgelenkt werden und so präzise 3D-Abbilder der Umgebung, so genannte Punktwolken, erzeugen.

Diese Technologie erfasst die räumliche Lage und Form von Objekten unabhängig von Oberflächenmaterial und Umgebungsbedingungen und ermöglicht eine detaillierte Rekonstruktion. Der Begriff Solid State bezieht sich auf die Tatsache, dass die Technologie halbleiterbasiert ist und keine beweglichen Teile benötigt. Deshalb sind Lidar-Sensoren robust, kompakt und kostengünstig und ideal für viele kommerzielle Anwendungen.

Wie sich die Lidar-Technik entwickelt hat

Die Entwicklung der Lasertechnik in den 1960er Jahren legte den Grundstein für Lidar. Erste Anwendung fand Lidar bei der Geländekartierung für die Luft- und Raumfahrt, vor allem zum Zweck der topographischen Kartierung von Wäldern, Eisflächen, Ozeanen und der Atmosphäre. Seinen ersten großen öffentlichen Auftritt hatte Lidar im Jahr 1971: Damals hat die NASA die Technik auf der Apollo-15-Mission eingesetzt, um die Oberfläche des Mondes zu vermessen. Rund zehn Jahre später kam Lidar auch bei der Vermessung des Mars zum Einsatz.

Bis in die 1980er Jahre hinein gab es keine größeren Fortschritte bei Lidar in der Luft- und Raumfahrt, was vor allem an der unzureichenden Navigations- und Positionsgenauigkeit wegen des damaligen Mangels an kommerziellen GPS-Systemen lag. Als in den 1990er Jahren GPS-Anwendungen und effiziente Satellitenkommunikation zur Datenübertragung aufkamen, ebneten sie den Weg zu einem breiten Einsatz von Lidar, etwa bei der luftgestützten Photogrammetrie, mit der aus der Luft Bilder von der Erdoberfläche aufgenommen und daraus dreidimensionale Modelle und Karten erstellt werden. Nun waren die technischen Rahmenbedingungen entstanden, dank derer Lidar rasch eine wichtige Rolle bei der präzisen Erfassung von Geodaten und beim Einsatz in Meteorologie und Atmosphärenforschung spielen konnte. Die kurze Wellenlänge des Lasers, welche die Detektion kleinster Objekte wie beispielsweise Wolkenpartikeln und Aerosolen ermöglicht, ist entscheidend für Luft- und Geländekartierungen.

Lidar wird unentbehrlich in der Sicherheitstechnik

Einen enormen Entwicklungs- und Bekanntheitsschub bei einem breiteren Publikum hat Lidar in den frühen 2000er Jahren erfahren, der sich ab den 2010er Jahren noch intensivierte. Der Hauptgrund für das steigende Interesse liegt darin, dass Lidar-Sensoren als unentbehrliche Sicherheitstechnik bei der fahrerlosen Fortbewegung gelten, die das Umfeld beispielsweise in Automobilen, Drohnen und logistischen Transportsystemen zuverlässig in Echtzeit scannt. Die frühen Lidar-Geräte waren meist groß und sperrig und wegen der für den Rundumblick benötigten mechanischen Rotoren auch wartungsintensiv. Viele Unternehmen investierten in Forschung und Entwicklung, um die Lidar-Sensorik für einen lukrativen Praxiseinsatz fit zu machen.

Als Lidar in der Industrie Einzug hielt

Heute ist Lidar-Technik leistungsfähiger, weniger wartungsanfällig und kostengünstiger. Von dieser Weiterentwicklung profitiert zum einen die Automobilbranche, die bereits Serienmodelle wie beispielsweise den Mercedes EQS mit Lidar auf den Markt gebracht hat, zum anderen haben sich weitere Anwendungsfelder in Wirtschaft und Industrie herauskristallisiert. In jüngster Zeit kamen beispielsweise folgende Einsatzmöglichkeiten hinzu:

Objekterkennung in Sicherheitssystemen: Die von Wetter- und Lichtverhältnissen unabhängige Entdeckung von unbefugt eindringenden Objekten oder Personen in Sicherheitszonen von Firmengeländen, Kraftwerken oder Flugzeugparkplätzen stellt einen der wichtigsten Faktoren für die Zuverlässigkeit von Sicherheits- und Alarmsystemen dar. Doch es gibt dabei einen Interessenkonflikt: Auf der einen Seite muss eine Alarmanlage scharf genug eingestellt sein, um jedes Eindringen in Sicherheitszonen zuverlässig zu erkennen. Auf der anderen Seite produzieren so scharf eingestellte Anlagen, wenn sie nicht zwischen der Art der eindringenden Objekte unterscheiden können, viele Falschalarme. 3D-Lidar-Technik erkennt die Art von Eindringlingen auf Basis ihrer Größe und reduziert so die Zahl der Falschalarme erheblich. Deshalb eignen sich solche Lidar-Sensoren optimal zum Schutz kritischer Infrastruktur.

Volumenerfassung von Schüttgütern: Die Möglichkeit, logistische Prozesse zu automatisieren, hängt stark von der Verfügbarkeit digitaler Daten zu Materialmengen und -bewegungen ab. Eine besondere Herausforderung stellt die digitale Abbildung des Lagerbestands bei Schüttgütern dar, wie sie etwa in der Chemie- und Pharmaindustrie oder der Bau- und Landwirtschaft in großen Mengen verwendet werden. Der Schüttgutbestand kann heute nur mithilfe von 3D-Lidar-Technik mit vertretbarem Aufwand in Echtzeit gemessen werden. Durch die selbsttätige Übertragung der Daten in die Logistiksoftware trägt Lidar zur Schaffung von automatisierten und insgesamt effizienteren Materialflussprozessen bei.

Optimierung von Personenströmen: Lidar-basierte Anwendungen bieten erhebliche Vorteile bei der Analyse von Menschenmengen (Crowd Analytics), um Personenströme beispielsweise an Flughäfen, in der Gastronomie, im Einzelhandel, an Verkehrsknotenpunkten, in Stadien und bei Musikveranstaltungen zu erfassen, zu verstehen und Vorhersagen über die räumliche Verteilung von Personen im Zeitverlauf zu treffen. Sie ermöglichen die Verfolgung von Bewegungsmustern in großen und komplexen Räumen, die genaue Zählung von Personen und Objekten sowie die Erfassung von Verweildauern. Diese Daten liefern wertvolle Erkenntnisse, beispielsweise für das Warteschlangenmanagement, die Optimierung des Personaleinsatzes und die Verbesserung der Kundenzufriedenheit. Besonders wichtig ist dabei, dass die Lidar-Daten keine Rückschlüsse auf Personen zulassen und sich die Technologie daher hervorragend für den Einsatz im öffentlichen Raum eignet.

Welche Rolle die Software bei Lidar-Anwendungen spielt

3D-Lidar benötigt eine leistungsstarke Hardware, doch ebenso wichtig ist die Software für die Interpretation der Daten. Bislang übertragen Lidar-Sensoren die erhobenen 3D-Daten an einen externen Computer, der sie mithilfe einer spezialisierten Software analysiert und das Umfeld dreidimensional abbildet. Dieser Prozess wird mit dem Smart Sensor Qb2 von Blickfeld stark vereinfacht, da bei diesem erstmals die gesamte Analyse-Software auf dem Gerät läuft.

Bildlich gesprochen, befinden sich Augen und Gehirn nun im selben Gerät, sodass Qb2 sofort verwertbare Daten ausgibt, ohne weitere Investitionen in Rechnerhardware, zusätzliche Verkabelung und 3D-Analyse-Know-how. Unternehmen sind mit dem Qb2 in der Lage, Daten nahtlos mit Standard-Kommunikationsprotokollen wie MQTT und Programmierschnittstellen in ein IoT-Ökosystem oder die Cloud zu übertragen. Dort stehen sie umgehend für Planung und Controlling zur Verfügung. Installation und Betrieb sind einfach und kostengünstig. Das führt besonders beim kombinierten Einsatz mehrerer Sensoren etwa auf großen Flächen zu Vorteilen, wie sie typischerweise bei der Volumenerfassung von Materialien im Bergbau oder beim Schutz von Solarparks vorkommen.

Neue Perspektiven durch 3D-Lidar-Daten

Auch wenn Schlagworte wie Internet of Things und Industrie 4.0 seit vielen Jahren in aller Munde sind, finden sich bei der konkreten Umsetzung noch viele Defizite. Für viele Techniken sind hohe Kosten zu stemmen, obwohl der konkrete Mehrwert nicht immer sofort erkennbar ist. Anders sieht das im Falle von 3D-Lidar aus: Damit spüren Anwendende sofort einen handfesten Nutzen.

Um die Beispiele vom Anfang noch einmal aufzugreifen:

• Im Sicherheitsbereich wird die Fehlalarmrate durch den Einsatz von 3D-Lidar-Sensoren deutlich reduziert. Dies entlastet das Sicherheitspersonal und beugt der sogenannten „Alarmmüdigkeit“ vor. Diese entsteht, wenn so viele Fehlalarme ausgelöst werden, dass das Personal die Alarme nicht mehr ernst nimmt und stellt eine fatale Sicherheitsbedrohung dar.

• Wenn Unternehmen ihre Materialbestände mit 3D-Lidar erfassen, haben sie stets einen zuverlässigen Überblick über ihre Bestände, auch bei Schüttgütern, die mit anderen Methoden nur schwer zu messen sind. Hohe Effizienzsteigerungen sind möglich, beispielsweise durch die Optimierung von Prozessen, Fehler und Ausfälle senken sowie eine genauere Bestandsschätzung. Kunden von Blickfeld schätzen, dass sie ihre Bestände ohne Lidar mit einer durchschnittlichen Fehlerquote von 20 Prozent bewerten. Das bedeutet zum Beispiel, dass sie zehn Lkw für eine Ladung bestellt haben, obwohl acht ausreichend gewesen wären.

• 3D-Lidar liefert erstmals detaillierte und gleichzeitig anonymisierte Echtzeitdaten für die Analyse von Personenströmen, die sofort ausgewertet werden können. So können die Verantwortlichen sofort eingreifen, bevor es beispielsweise zu langen Warteschlangen an Flughäfen oder gefährlichen Stausituationen bei Musikfestivals kommt.

3D-Lidar hat das Potenzial, den Digitalisierungsgrad von Unternehmen zu erhöhen und mit neuartigen Daten zur Lösung von Aufgaben beizutragen, die mit anderen Techniken nicht zu bewältigen sind. Die fortschrittliche, robuste und kostengünstige Festkörpertechnologie, kombiniert mit integrierter Analysesoftware, eröffnet eine Vielzahl neuer Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen Branchen und bietet Unternehmen entscheidende Effizienz- und Sicherheitsvorteile. (heh)

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* Dr. Mathias Müller ist Gründer und Chief Executive Officer (CEO) von Blickfeld.

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