LiDAR für ADAS Mehr Sicherheit bei hohem Tempo

Von Dr. Thomas Luce

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Autonome Fahrzeuge müssen eine optimale Sicht auf das vorausliegende Verkehrsgeschehen haben. Eine wichtige Rolle spielen dabei LiDAR-Sensoren, die auch bei hohen Geschwindigkeiten für Sicherheit sorgen.

Unverzichtbare Technologie: LiDAR-Sensoren werden eine entscheidende Rolle beim autonomen Fahren einnehmen.
Unverzichtbare Technologie: LiDAR-Sensoren werden eine entscheidende Rolle beim autonomen Fahren einnehmen.
(Bild: MicroVision)

Um den Weg zur Stufe 5 des autonomen Fahrens zu ebnen, ist ein Höchstmaß an Sicherheit unabdingbar. Erforderlich hierfür sind Fahrerassistenzsysteme (Advanced Driver Assistance Systems, ADAS) der neuen Generation. Dazu zählen beispielsweise Spurwechselassistent, Notbremssystem oder Abstandsregeltempomat.

Insbesondere sehr hohe Geschwindigkeiten, wie sie auf Autobahnen gefahren werden, stellen die Systeme jedoch vor große Herausforderungen. Bei einem Tempo von 130 km/h und mehr steht den ADAS nur wenig Zeit zur Verfügung, um Entscheidungen zu treffen und die richtige Aktion auszulösen. Die Systeme müssen das Geschehen unmittelbar vor und neben dem Fahrzeug präzise wahrnehmen und mögliche Gefahrensituationen realistisch einschätzen.

Darüber hinaus wird die Funktion der Fahrerassistenzsysteme auch durch wechselnde Lichtverhältnisse und Umgebungsbedingungen beeinträchtigt. Diese können aus Wettereinflüssen wie Regen und Nebel oder auch aus baulichen Gegebenheiten resultieren. Fährt ein Auto schnell in einen Straßentunnel oder verlässt es diesen, ändert sich das Umgebungslicht in Bruchteilen von Sekunden.

Das menschliche Auge benötigt eine gewisse Zeit, um sich an die neuen Lichtbedingungen zu gewöhnen. Langsame Fahrzeuge oder Hindernisse im Tunnel lassen sich dann nur verzögert wahrnehmen. Ähnlich verhält es sich mit Kameras, welche die Fahrerassistenzsysteme mit umfassenden Umgebungsdaten versorgen. Wie das Auge kommen auch die Kameras nur schwer mit abrupt wechselnden Lichtverhältnissen zurecht.

Schnelle Reaktion auf kritische Situationen

Eine weitere Herausforderung für ADAS-Lösungen sind Verkehrsteilnehmer, die plötzlich und unvermittelt die Spur wechseln und vor einem anderen Fahrzeug einscheren. Hier bleibt dem System nur wenig Zeit, um auf das Geschehen adäquat zu reagieren, also zu bremsen oder auszuweichen.

Eine ähnlich kritische Situation kann entstehen, wenn ein Fahrzeug mit niedriger Geschwindigkeit in eine Autobahn einbiegt, auf der sich die anderen Autos mit sehr hohem Tempo bewegen. Um hier für die nötige Sicherheit zu sorgen, müssen die Fahrerassistenzsysteme sehr schnell reagieren und einen Spurwechsel oder Bremsvorgang auslösen.

Alle diese Anforderungen lassen sich mit der richtigen Kombination verschiedener Sensoren adressieren. Dabei reichen kamerabasierte Systeme allein nicht aus, um die höchstmögliche Sicherheit von autonomen Fahrzeugen bei hohen Geschwindigkeiten zu garantieren. Sie bieten lediglich einen 2D-Blick in ein dreidimensionales Geschehen. Zudem können die Kameratechnologien nicht hinreichend mit wechselnden Lichtverhältnissen umgehen und liefern für weite Sichtfelder keine verlässlichen Daten.

Darüber hinaus erfordern sie einen hohen Trainingsaufwand und entsprechend Rechen-Performance, um Akteure im Straßenverkehr präzise zu identifizieren. Und nicht zuletzt können bewegte Objekte schnell aus dem Sichtfeld der Kamera geraten, wenn ein Fahrzeug die Spur wechselt oder verdeckt wird.

LiDAR überzeugt bei hoher Geschwindigkeit

Daher sind insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten Sensorsysteme unabdingbar, die auf LiDAR (Light Detection and Ranging) basieren. Die Technologie sendet Laserimpulse aus und erfasst das reflektierte Licht von Objekten. Diese Informationen werden sehr schnell und vorausschauend verarbeitet, sodass sich Hindernisse im Straßenverkehr wie etwa Fußgänger oder andere Fahrzeuge gezielt und zeitnah identifizieren lassen.

LiDAR-Sensor MAVIN DR: Der Time-of-Flight-Sensor bietet geringe Latenz, hohe Auflösung und ein dynamisches Sichtfeld für den Nah-, Mittel- und Fernbereich.
LiDAR-Sensor MAVIN DR: Der Time-of-Flight-Sensor bietet geringe Latenz, hohe Auflösung und ein dynamisches Sichtfeld für den Nah-, Mittel- und Fernbereich.
(Bild: MicroVision)

Dabei generiert das System eine ultrahochauflösende Punktwolke, welche die Straße in befahrbare und nicht befahrbare Bereiche einteilt. Eine Klassifizierung der Objekte ist hierbei nicht notwendig. Auf diese Weise liefert LiDAR ein präzises, dreidimensionales Abbild der Fahrzeugumgebung und stellt nahezu in Echtzeit präzise Messwerte für Entfernungen und Objekte für die ADAS-Lösung zur Verfügung. Dabei kann die Technologie auch über größere Entfernungen verschiedenste Objekte exakt erkennen – und zwar unabhängig von der Art und Beschaffenheit der Straße.

Ein weiterer Vorteil: LiDAR-Lösungen kommen, anders als Kamerasysteme, auch mit schwankenden Lichtverhältnissen zurecht – von direkter Sonneneinstrahlung bis hin zu kompletter Dunkelheit. So werden auch langsame Fahrzeuge und Hindernisse in unbeleuchteten Tunnels rechtzeitig wahrgenommen.

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Dazu kommt: Mit LiDAR lässt sich die Geschwindigkeit von bewegten Objekten nicht nur in Bezug auf das Fahrzeug, sondern auch in Relation zur Umgebung genau bestimmen. Im Ergebnis ermöglicht LiDAR dank gleichbleibend schneller Reaktionszeiten auch bei hohen Geschwindigkeiten eine signifikant erhöhte Sicherheit im Straßenverkehr.

Der LiDAR-Sensor MAVIN DR von MicroVision vereint in sich die vielen Vorteile dieser Technologie. Dabei handelt es sich um einen Time-of-Flight-Sensor, der die Laufzeit des Laserstrahls misst, sowie einzelne Impulse über den gesamten Raum sendet und reflektierte Signale zurückempfängt. Die Wellenlänge des Festkörper-Lasers beträgt 905 Nanometer, was im nahen Infrarot-Bereich liegt.

Die Empfangs- und Sendepfade sind getrennt, die Strahllenkung erfolgt über MEMS (Mikro-Elektro-Mechanische Systeme), also exakt elektromagnetisch steuerbare Spiegel. Der verwendete Detektor basiert auf Silizium-Halbleitern, die sich in großen Stückzahlen kostengünstig produzieren lassen. Die Signale werden im Digital ASIC (Application Specific Integrated Circuit) analysiert und anschließend über eine Ethernet-Schnittstelle an den Domain-Controller des Fahrzeugs weitergegeben.

Die Abfolge im ASIC ist fest definiert und kann im Nachgang nicht geändert werden. So ist das LiDAR-System optimal vor Manipulationen von außen wie etwa Hacker-Angriffen geschützt, was die Sicherheit des Fahrzeugs optimiert.

Sensor liefert 13 Millionen Bildpunkte pro Sekunde

LiDAR-Sensoren: Sie funktionieren gut bei Dunkelheit und sich ändernden Lichtverhältnissen. Hindernisse in Tunneln erkennen sie schneller als andere Sensoren oder das menschliche Auge.
LiDAR-Sensoren: Sie funktionieren gut bei Dunkelheit und sich ändernden Lichtverhältnissen. Hindernisse in Tunneln erkennen sie schneller als andere Sensoren oder das menschliche Auge.
(Bild: MicroVision)

Der LiDAR-Sensor kombiniert im Rahmen eines dynamischen Sichtfeldes die Erfassung von Objekten im Nah-, Mittel- und Langstreckenbereich in einer Lösung. Das System stellt 13 Millionen Bildpunkte pro Sekunde bereit, die sich auf drei Entfernungsbereiche verteilen. Dabei deckt der Sensor im horizontalen Scan gleichzeitig 100 Grad im Nahfeld, 50 Grad im mittleren Bereich sowie 25 Grad in der Ferndistanz ab. Letztere umfasst eine Reichweite von bis zu 220 Metern, während der Nahbereich bis zu 100 Metern reicht.

Die Winkelauflösung beträgt durchschnittlich 0,04 Grad im vertikal gescannten Feld und 0,08 Grad im horizontalen Scan. Die hohe Auflösung hat insbesondere für den Fernbereich eine zentrale Bedeutung, da sich dadurch über eine sehr große Distanz auch kleinere Objekte präzise detektieren lassen.

Die ultrahochauflösende Punktwolke wird mit einer sehr hohen Bildwiederhol-Frequenz von 30 Hertz im horizontalen Scan und 2.000 Hertz im vertikalen Scan ausgegeben, was eine niedrige Latenz ermöglicht. Dabei werden beim Aussenden eines jeden Laserimpulses gleichzeitig 16 Bildpunkte aus den verschiedenen Bereichen erfasst. So können ADAS-Lösungen durch die Integration des LiDAR-Sensors schneller reagieren, Entscheidungen in Sekundenbruchteilen treffen und die richtigen Aktionen anstoßen.

Hohe Immunität gegenüber Interferenzen

Ein klarer Vorteil von MAVIN DR gegenüber anderen LiDAR-Sensorlösungen besteht in dem besonderen Aufbau, der eine Trennung von Empfangs- und Sendebereich vorsieht. Dadurch wird eine sehr hohe Immunität gegenüber Interferenzen erreicht. Diese können beispielsweise auftreten, wenn mehrere LiDAR-Systeme der gleichen Bauart auf dasselbe Objekt strahlen und Signale zurückempfangen werden.

Eine weitere mögliche Störungsquelle ist direkte Lichteinstrahlung durch eine sehr niedrig stehende Sonne. Denn diese strahlt in Wellenlängen, die auch für LiDAR-Anwendungen relevant sind. Dies sorgt für ein Hintergrundrauschen, das den Sensor stört und dadurch die Detektionsraten beeinträchtigt.

MAVIN DR löst dies, indem der Laser in einen kleinen Raumwinkel strahlt und Signale auch aus diesem eingegrenzten Bereich zurückempfangen werden. Kommt das Sonnenlicht aus einer anderen Richtung, kann der Detektor dadurch nicht irritiert werden. Andere LiDAR-Sensoren verfügen meist über sehr große Detektoren, die den gesamten Bereich permanent scannen. Dadurch können auch Lichtimpulse aus anderen Richtungen einfallen, die zu einer Sättigung führen. Effizienter ist es, störende Lichtquellen auszublenden. Dadurch lässt sich eine 99,9-prozentige Verbesserung des Signalrauschverhältnisses erreichen.

Dr. Thomas Luce, MicroVision: „Für autonomes Fahren der Stufe 2+ und darüber hinaus wird es nicht ohne LiDAR-Sensoren gehen.“
Dr. Thomas Luce, MicroVision: „Für autonomes Fahren der Stufe 2+ und darüber hinaus wird es nicht ohne LiDAR-Sensoren gehen.“
(Bild: MicroVision)

Daher ist das System sehr robust gegenüber jeglichen Interferenzen, die aus dem Umgebungslicht oder aus anderen, in der Nähe arbeitenden LiDAR-Sensoren resultieren können. Eine weitere Möglichkeit zur Unterdrückung dieser Störsignale besteht darin, die Pulse zu kodieren. Dabei wird die Kodierung zwischen einzelnen Pulsen und zwischen den einzelnen LiDAR-Systemen verändert, was ebenfalls eine deutlich verbesserte Immunität gegenüber Interferenzen zur Folge hat.

Zudem verfügt MAVIN DR über hochpräzise Freiformlinsen, die den Strahl horizontal aufweiten. Dies ist erforderlich, da die MEMS nur einen eingeschränkten Winkel von maximal 20 Grad abdecken können.

Autonomes Fahren ab Stufe 2+ nicht ohne LiDAR

Moderne Fahrerassistenzsysteme werden nicht mehr ohne LiDAR-Sensoren auskommen. Für autonomes Fahren der Stufe 2+ und darüber hinaus wird es nicht ohne LiDAR-Sensoren gehen. Diese sollten weitgehend unempfindlich auf wechselnde Lichtverhältnisse reagieren und auch über größere Distanzen verlässliche Erkennungsraten liefern.

Nur so können ADAS-Lösungen Hindernisse auf der Straße und plötzlich einscherende oder sehr langsame Fahrzeuge über ein weites Sichtfeld präzise identifizieren – und zwar auch in Tunnels. So tragen hochklassige LiDAR-Sensoren wie MAVIN DR zu einer maximalen Fahrsicherheit auch bei sehr hohen Geschwindigkeiten bei. Dies spielt nicht zuletzt eine wichtige Rolle, um den Weg zu Stufe 5 des autonomen Fahrens zu ebnen. (jw)

* Dr. Thomas Luce ist Vice President Business Development bei MicroVision.

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