Der Status quo von Lidar in selbstfahrenden Autos

Lidar gilt als die Schlüsseltechnik für selbstfahrende Autos. Doch neu ist Lidar nicht. Vielmehr stößt die Autoindustrie gerade einige neue Entwicklungen an. Ein Überblick des Status quo.

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Die Bezeichnung Lidar erinnert nicht zufällig an ein Radar. Beide Verfahren dienen der Erkennung und Abstandsmessung, indem sie reflektierte Wellenmuster analysieren. Das Radar mit Funkwellen und Lidar nutzt die Reflexion der Lichtwellen, die von einem Laser emittiert werden. Bereits in den frühen 1960er-Jahren – also nur wenige Jahre, nachdem Theodore Maiman den ersten Laser konstruiert hatte – nutzte das National Center for Atmospheric Research erste Lidar-Anwendungen, um Wolken zu vermessen und zu analysieren. Einer breiten Öffentlichkeit wurde die Lidar-Technik erstmals 1971 bekannt: Im Rahmen der Mondmission Apollo 15 nutzte die NASA ein Lidar auf der Basis eines blitzlampengepumpten Rubinlasers, um die Oberfläche des Trabanten zu vermessen [1].

Der eigentliche Siegeszug der lasergestützten Abstandsmessung begann allerdings mit den ersten Halbleiter-Pulslaserdioden (PLDs) in den späten 1980er Jahren. So ist beispielsweise die bekannte Laserpistole bei Geschwindigkeitskontrollen nichts anderes als ein tragbares Lidar. Auch die Verkehrsüberwachungssysteme an Autobahnen, Brücken und Tunnels nutzen Lidar. Sie alle sind im Besitz der öffentlichen Hand, aber auch Scannersysteme greifen auf Lidar zurück. In dieser Hinsicht sind die selbstfahrenden Transportwagen in vielen Fabrikhallen ein Vorgeschmack darauf, was der Automobilindustrie für den Straßenverkehr der Zukunft vorschwebt.

Prinzip der optischen Lichtlaufzeitmessung

Alle Lidar-Varianten nutzen das Prinzip der optischen Lichtlaufzeitmessung, das in der Theorie vergleichsweise einfach erscheint. Eine Laserquelle sendet einen kurzen Lichtimpuls aus, der sich ausbreitet, bis er auf ein Hindernis trifft. Dort wird das Licht reflektiert, und der Impuls läuft zurück, bis er wieder an seinem Ursprung ankommt und dort von einem Sensor detektiert wird. Eine Elektronik misst den Zeitraum ∆t zwischen dem Aussenden und dem Empfangen des Lichtpulses.

Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht bekannt ist, lässt sich die Distanz des Hindernisses leicht aus der gestoppten Zeit berechnen. Folgende Konstanten müssen dabei berücksichtigt werden: Die Lichtgeschwindigkeit c mit 299.792.458 m/s und der Brechungsindex n für Luft. Dieser ist unter Normbedingungen mit 1,000292 definiert. Allgemein gilt für die Ausbreitung von Licht in Luft (Formel 1) liegt also unter Normbedingungen bei rund 299.704.944 m/s. Für die Berechnung von Geschwindigkeiten gilt auch in diesem Fall die physikalische Formelsammlung also v = d/t wobei v die Geschwindigkeit, d die zurückgelegte Strecke und t die benötigte Zeit ist. Die Variable v entspricht in diesem Fall c_Luft und t ist der vom Lidar gemessene Zeitraum ∆t. Aber Vorsicht! Dieser bezieht sich auf den Hin- und Rückweg des Lichts, also auf 2 * d. Die endgültige Formel lautet somit (Formel 2). Das Objekt befindet sich also in einer Distanz von (Formel 3). Die Theorie hinter dem Lidar ist also bestechend einfach.

Eine hohe Auflösung bei autonomen Fahrzeugen

In der Praxis müssen sich die Ingenieure dagegen verschiedenen Herausforderungen stellen. Eine der wichtigsten ist die Frage des Abdeckungsbereichs. Das beschriebene Grundprinzip gilt zunächst für das einfachste denkbare Lidar – also eine einzelne Laserdiode, einen Detektor und die damit verbundene Elektronik und Software. Von seiner Definition her ist der Laser ein stark gebündelter Lichtstrahl. In seiner einfachsten Form kann das Lidar also nur die Distanz eines einzelnen Punktes messen. Schon für die meisten Anwendungen, in denen die Technik heute zum Einsatz kommt, reicht das nicht aus. Für die Kartografierung von (Mond)landschaften oder um den Verkehrsfluss zu erfassen, müssen größere Bereiche erfasst werden. Beim autonomen Fahren legt die Automobilbranche zudem großen Wert auf eine hohe Auflösung. Schließlich soll das System auch kleine Hindernisse erkennen und entsprechende Reaktionen auslösen.

Die naheliegendste Lösung ist heute noch die gebräuchlichste: Der Laserstrahl wird so gelenkt, dass er den zu erfassenden Bereich (das Field of View – FOV) Punkt für Punkt abscannt. In den meisten Fällen werden dabei rotierende Spiegel eingesetzt. Auf der Empfängerseite wird dabei ein einzelner Photodetektor eingesetzt. Das kann eine einzelne Photodiode sein, die im endgültigen Bild einem Pixel entspricht, oder ein kleineres Array, mit wenigen Pixeln. Bei Hersteller, die dieses Verfahren heute einsetzen, hat der Strahl eine maximale Reichweite von 150 m und deckt ein FOV von 145° (y-Achse) x 3,2° (z-Achse) ab. Bei einer Framerate von 58.000 pps erreicht dieses System eine Tiefengenauigkeit von 4 cm [2].

Welche Vorteile Lidar in der Praxis bietet

Diese bewährte Technik hat Vor- und Nachteile: Ein großer Vorteil gegenüber Radar, Ultraschall oder Kameras ist der große Winkel, den das Lidar abdecken kann. Theoretisch ist mit dem rotierenden Spiegel sogar ein 360°-Rundumblick möglich. Das nutzt die Firma Waymo bei ihren selbstfahrenden Autos. Allerdings gibt es dabei zu viele sogenannte Blind Spots für eine wirklich umfassende Abdeckung. Lidar muss durch andere Techniken wie Radar und Kameras ergänzt werden.

Außerdem benötigt die Lidar durch ihre beweglichen Elemente vergleichsweise viel Platz. Die meisten Waymo-Fahrzeuge sind daher an ihrer „Beule“ auf dem Dach zu erkennen, die an das Blaulicht eines Polizeiautos erinnert. Ein LiDAR mit beweglichen Spiegeln benötigt aktuell einen Raum von rund 10,5 cm x 6 cm x 10 cm. Viele Fahrzeughersteller wünschen sich kleinere Lösungen, die unauffällig in Scheinwerfergehäuse oder hinter dem Rückspiegel eingebaut werden können. Zudem machen die beweglichen Elemente das System vergleichsweise anfällig. Nicht nur gegen Stöße, Vibrationen und extreme Temperaturen, sondern auch gegen Verschmutzungen, die die Rotation der Spiegel hemmen können. Ziel der Entwicklung ist daher ein kleineres Lidar ohne mechanische Komponenten: Ein Solid-State-Lidar.

Lidar und die Halbleitertechnik

Der Sammelbegriff Solid-State bezeichnet Techniken, bei denen das Licht nicht durch konventionelle Motoren, sondern durch Halbleitertechnik gelenkt wird. Dabei gibt es vor allem zwei Ansätze: Ein Lidar mit MEMS-basierten Spiegeln nutzt mikroelektromechanische Aktoren, die aus einer Matrix von Mikrospiegeln bestehen. Jeder einzelne Spiegel hat eine Kantenlänge von wenigen Mikrometern und kann durch die Kraftwirkungen elektrostatischer Felder bewegt werden. Dabei wechselt er mehrere Tausend Mal zwischen zwei definierten Stellungen. In anderen Anwendungen werden solche Spiegelmatritzen schon seit Langem verwendet: bei Scannerkassen oder in DLP-Projektoren.

MEMS-Spiegel-Automobil-LiDARs müssen Anforderungen erfüllen, die sich stark von solchen Standardanwendungen unterscheiden. Beispielsweise muss die Öffnung am Empfänger von Langstrecken-Lidars groß genug sein, um ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis zu gewährleisten [3]. Zudem ist das FOV bisher eingeschränkt und entspricht nicht den beschriebenen Möglichkeiten. Bei konventionellen MEMS-Scannern ist die Größe der Spiegel bei einem Scanbereich >40° und einer ausreichend hohen Scannfrequenz über 100 Hz auf Durchmesser von 1 bis 4 mm beschränkt [4]. Verschiedene Hersteller und Forschungslabore haben bereits mögliche MEMS-Lösungen entwickelt, die erst im Tests beweisen müssen, ob sie den hohen Anforderungen der Automobilindustrie genügen.

Ein größerer Messbereich und ein weiteres FOV

Eine weitere Option für Solide-State-Lidar ist der Einsatz von sogenannten Optical Phased Arrays (OPA): Eine Matrix von Laserdioden variiert die Phase des emittierten Lichts bei jeder einzelnen Diode elektronisch, um so mit einem einzelnen Impuls einen größeren Bereich abzudecken. Allerdings ist diese Technik noch im Forschungsstadium. An dem aus Bundesmitteln geförderten Forschungsprojekt „Optical Phased Array Lidar (OPALID)“ sind unter anderem der Sensorhersteller Sick und Bosch beteiligt [5]. Dabei soll die rotierende Sende- und Empfangseinheit durch einen Silizium-Schaltkreis von wenigen Quadratmillimetern ersetzt werden. Zum Einsatz kommen Wellenlängen, die weiter ins Infrarot-Spektrum reichen als die bisher üblichen 905 nm.

Erste Konzepte aus den USA arbeiteten bei 1500 nm [6]. Diese Wellenlängen ermöglichen höhere Sendeleistungen, ohne die Augen zu gefährden. So können die Systeme einen größeren Messbereich und ein weiteres FOV abdecken. Sie würden sich in der Automobiltechnik eignen. Allerdings sind die Komponenten, die für diese Wellenlängen benötigt werden, sehr kostspielig und in der Massenfertigung noch nicht verfügbar. So müssten auf der Empfängerseite InGaAs-Avalanchedioden oder Kameras verwendet werden, die deutlich teurer als Silicium sind und eine schwächere Performance bieten.

Lidar mit einem Laser

Bei der Flash-Lidar-Technik deckt ein aufgeweiteter diffuser Laserstrahl mit jedem Puls das gesamte FOV ab. Das reflektierte Licht wird von einem Sensor-Array ausgewertet. Das Grundprinzip ist simpler als andere Solid-State-Lösungen, da der Laserstrahl nicht gesteuert oder gelenkt werden muss. Doch das diffuse Licht ist erheblich schwächer als ein gebündelter Strahl. Zur Auswertung sind empfindliche Sensoren nötig, die einzelne Photonen detektieren können – sogenannte Single Photon Avalanche-Dioden (SPAD).

Für das gesamte FOV müssen viele Photonen in einem Matrix-förmigen Array angeordnet werden. Das Fraunhofer Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS hat in einem für die Automobilindustrie zertifizierten Prozess ein sogenanntes CMOS-SPAD-Array entwickelt [7]. Damit lassen sich mittelfristig effiziente Flash-Lidar-Systeme entwickeln.

Lidar und der Einsatz im Automobilbau

Die Automobilindustrie bringt frischen Wind in die Lidar-Technik. Alte Verfahren müssen sich unter neuen Rahmenbedingungen bewähren und neue Ansätze sind auf dem Weg, spannende neue Anwendungsmöglichkeiten zu eröffnen. Als Hersteller von PLDs und APDs sieht Laser Components einen Markt, der gerade erst in Bewegung gerät. Das Marktforschungsinstitut YOLE geht davon aus, dass in zwölf Jahren weltweit fast 35 Mio. Systeme ausgeliefert werden. Aktuell bewegt sich die Industrie im niedrigen einstelligen Millionenbereich [8].

Referenzen

[1] NASA Technical Reports Server

[2] Lidar Comparison Chart

[3] Yoo, H.W., Druml, N., Brunner, D. et al. Elektrotech. Inftech. (2018) 135: 408.

[4] Fraunhofer IPMS: LAMDA – MEMS-Scannermodul mit großer Apertur

[5] Photonische Prozessketten - OPALID, Optical Phased Array Lidar

[6] Yaacobi, A., Sun, J., Moresco, M., Leake, G., Coolbaugh, D., & Watts, M. R. (2014): Integrated phased array for wide-angle beam steering. Optics letters, 39, Nr. 15, S. 4575-4578.

[7] CMOS integrierte SPAD Detektoren

[8] PDF: Lidar in Automotive- und Industrie-Anwendungen. YOLE Developpement

Die Vorteile von Lidar-Sensoren im autonomen Fahrzeug

* Winfried Reeb leitet den Vertrieb der Impulslaserdioden und Photodioden von Laser Components.

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