Autonomes Fahren Weitwinkel-Lidar für den Nahbereich

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OQmented GmbH

MicroConsult Academy GmbH

ET System electronic GmbH

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Ein Lidar mit hoher Auflösung für das nahe Umfeld bis 25 m soll die Sicherheit von autonomen oder teilautonomen Fahrzeugen erhöhen. Entstanden ist ein minimal komplexes System.

Mithilfe von 3D-Objekterkennung durch Lidar-Systeme wollen die Automobilhersteller sowie Tech-Firmen das teilautonome und das autonome Fahren vorantreiben. Weltweit gibt es rund 150 Start-up-Unternehmen, die sich dem Thema Lidar widmen. Eine Auswahl der vielversprechendsten Unternehmen zur Lidar-Technik gibt es hier.

Derzeit sind beispielsweise für die Pilot- und Testphase von Robotertaxen noch eine Vielzahl solcher Sensoren notwendig, die allerdings bisher weder preis- noch leistungsseitig für den Massenmarkt tauglich sind. Unter dem Dach der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) startete im Juli 2019 ein Proof of Concept-Projekt für ein hochauflösendes Weitwinkel-Lidar-System. Das MEMS-Start-up OQmented hatte die Projektierung inne und verantwortete die Systemintegration der aus den teilnehmenden Instituten beigesteuerten Komponenten.

Vonseiten des Ferdinand-Braun-Instituts kam eine Pulslaserquelle inklusive einer Steuerelektronik, vom Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS) ein SPAD-Array mit einer Vorverarbeitungs-Elektronik und das Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie (ISIT) produzierte die MEMS-Scanner, welche exklusiv von OQmented kommerzialisiert und weiterentwickelt werden. Das Projekt wurde im Rahmen des FMD-Space zur Unterstützung von Hochtechnologie-Start-ups umgesetzt, dieser wird koordiniert von Stephan Guttowski und Christoph Galle.

Fokus auf Nahbereichs-Lidar

Im Rahmen des Projekts sollte die Leistungsfähigkeit des weltweit ersten 180°-MEMS-Scanners nachgewiesen werden. Start-up-Unternehmen und Tier1 haben sich in den letzten Jahren darauf konzentriert, große Entfernungen zu detektieren. Die Reichweiten überschritten 250 m und mehr. Dabei wurde der allerdings wichtige kurze bis mittlere Entfernungsbereich eines Fahrzeugs vernachlässigt.

Nach Ansicht von OQmented bieten die kurzen und mittleren Entfernungen einen besonders großen Mehrwert für die Verkehrssicherheit. Hier kommen derzeit Kamera- und Radar-Systeme zum Einsatz, welche allerdings verschiedene Nachteile mit sich bringen. Dazu gehört beispielsweise eine zu geringe Auflösung und mangelnde Nachtsichtfähigkeit. So sind etwa Rechtsabbiegesituationen mit totem Winkel zu anderen Verkehrsteilnehmern und komplexe Kreuzungssituationen in Innenstädten nur einige Fälle, bei denen der Nahbereich eines Fahrzeugs in einer hochauflösenden Darstellung von besonderem Interesse sind.

Ein minimal komplexes Gesamtsystem

Im Kern besteht ein Lidar-System aus einem Laser, einem Scanner und einer Fangoptik, welche jeweils über Elektronikkomponenten miteinander kommunizieren. Die meisten Lidar-Systeme bestehen aus einer Vielzahl von Lasern und optoelektronischen Komponenten, diese sind komplex in der Fertigung, aufwendig in der Feinausrichtung für ein reibungsloses Zusammenspiel und in der Menge kostenintensiv. Zudem muss ein solches System, zur Anwendung in der Serienfertigung eines Fahrzeugs, entsprechend qualifiziert werden.

Der Ansatz von OQmented verfolgt eine radikale Reduktion der Gesamtkosten und der Systemkomplexität. Er beschränkt sich auf die benötigte Minimalkonfiguration mit jeweils einer Komponente, welche als Standardkomponente eingebracht wurde. Somit ist keine Vorentwicklung zur Abstimmung des Zusammenspiels notwendig.

Erstmalig wurden folgende Komponenten miteinander kombiniert:

• Wellenlängenstabilisierter Laser mit 905 nm und mehr als 30 W (32 W) optischer Spitzenleistung,

• 1D resonanter MEMS-Scanner mit einem Field of View von 180° sowie einer hermetischen Vakuumverkapselung und

• 192 x 2 CMOS-SPAD-Detektor mit einer TDC-Auflösung von 312,5 ps.

Das Projekt mit Konzept-, über Entwicklungs- und Set-up-Phase bis zur finalen Demonstration dauerte zwölf Monate. Dabei konnten die Teammitglieder über einfach zu realisierende Anpassungen das Lidar-System entsprechend ausbauen und verbessern.

Der im Proof of Concept aktuell erreichte Wert von 140° für das horizontale FoV lässt sich noch deutlich erhöhen, limitierender Faktor ist bisher die Abbildungsoptik. Das MEMS-Bauteil hat einen Scanwinkel von 180°. Vertikal liegt das FoV bei 15°, durch eine weitere Optimierung des Laserstrahls lässt es sich ebenfalls verbessern. Entsprechend der genannten Komponenten kann die horizontale Auflösung von 0,5°, vertikal 0,25°, deutlich erhöht werden und eine Zielvorgabe von 0,1° bleibt realistisch. Die Reichweite liegt bei 25 m, welche durch ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis erhöht werden kann.

Lidar-System weiter miniaturisieren

Die Ergebnisse des Proof of Concept bieten eine solide Grundlage, um auf den industriellen Einsatz übertragen zu werden. Außerdem lässt sich das Lidar-System weiterentwickeln. Die Ansatzpunkte für eine Go-to-Market-Strategie und somit eines erfolgreichen Projektergebnisses sind, das Gesamtsystem weiter zu miniaturisieren und die Framerate zu erhöhen.

Ziel ist dabei, die verwendeten Standardkomponenten auf eine systemintegrations- und leistungsanforderungsrelevante Größe zu reduzieren. Durch eine verbesserte Komponentenabstimmung, vor allem auf der Elektronikebene, kann eine Framerate erzielt werden, welche die Automobilanforderungen erfüllt. Der finale Schritt zur Markteinführung ist die Qualifizierung für die Systemintegration in ein Automobil oder Lastkraftwagen, um beispielsweise den toten Winkel beim Rechtsabbiegen sicher zu erfassen.

Das dieser Veröffentlichung zugrunde liegende Vorhaben wurde zum Teil mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter den Förderkennzeichen 16FMD01K, 16FMD02 und 16FMD03 gefördert.

Angebot der Forschungsfabrik Mikroelektronik

FMD Space für Start-ups und Gründer

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