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17.01.2017

Autonome Fahrzeuge sehen per Laser

Continental 3D Flash LIDAR / 4-Kanal-LIDAR-Modul

Laser sollen beim autonomen Fahren helfen. LiDAR-(Light detection and ranging)-Systeme messen per Laser den Abstand zu Hindernissen im Fahrzeugumfeld.

Optische Technologien sind im Automobil gefragt. Etwa beim Laser-Fernlicht, mit dem BMW und Osram für den deutschen Zukunftspreis 2016 nominiert waren. Herzstück sind blaue Laserdioden: Die Strahlung wird per Konverter in weißes Licht umgewandelt und über winzige Reflektoren auf die Straße gelenkt. Dank der hohen Leuchtdichte des Lasers sehen Autofahrer damit 600 Meter und rund doppelt so weit wie mit bisherigem LED-Fernlicht.

Beim Fernlicht kompensieren Laser die nächtliche Schwäche menschlicher Augen. In wenigen Jahren sollen sie diese ganz ersetzen. Autonome Fahrzeuge sollen sich mithilfe von Sensoren im komplexen Verkehrsgeschehen zurechtfinden. LiDAR-Systeme sind dabei zentral. Forschungsinstitute, Photonik-Unternehmen und traditionelle Automobilzulieferer bringen sich derzeit mit neuer LiDAR-Technik in Stellung, um in diesem Zukunftsmarkt mitzumischen.

Laserpulse statt Radarwellen
Das LiDAR-Grundprinzip ist dem Radar ähnlich. Statt Radiowellen werden hier aber Laserpulse ausgesandt. Treffen diese auf Gegenstände, wird das reflektierte Licht empfangen und analysiert. Aus der Laufdauer des Lichts leiten die Systeme die Entfernung zu Hindernissen ab und ermitteln anhand hochfrequent wiederholter Messungen auch deren Geschwindigkeit. So entsteht ein ständig aktualisiertes 3D-Abbild des Fahrzeugumfelds. Position und Geschwindigkeit von Radfahrern, Fußgängern, Fahrzeugen und allen erdenklichen Hindernissen werden präzise erfasst. Im Abgleich mit Kameradaten sowie eigenen Beschleunigungs-, Geschwindigkeits- und GPS-Positionsdaten finden autonome Fahrzeuge umfassende Orientierung.

Das Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS hat jüngst ein Flash-LiDAR vorgestellt. Statt den Laserstrahl für eine 360-Grad-Umsicht auf einen rotierenden Spiegel zu lenken, sendet das System Laserblitze, die ein rechteckiges Messfeld bis zu 100 Meter weit belichten. Reflektiertes Licht detektieren hoch empfindliche Single-Photon Avalanche-Dioden (SPADs). Sie sind samt Auswertelektronik auf winzigen Chips verbaut. Das erlaubt die einfache Integration in Scheinwerfer oder hinter der Windschutzscheibe. Schon 2018 soll die Technologie in Serie gehen.

Die Vielfalt der LiDAR-Verfahren wächst
Osram Opto Semiconductors hat im Herbst 2016 auf der electronica in München ein LiDAR-Verfahren für autonome Fahrzeuge vorgestellt, das auf einem Vier-Kanal-Laser basiert. Herzstück ist ein Laserbarren mit vier hochpräzise positionierten Laserdioden mit 905 Nanometern Wellenlänge, die sich über eine integrierte Ansteuerschaltung individuell ansteuern lassen. Letztlich arbeitet der Barren wie ein Laser, der vier perfekt parallele Strahlen mit bis zu 85 Watt optischer Leistung bei 30 Ampere aussendet. Dass von dem System trotz dieser hohen Leistung keine Gesundheitsgefahr ausgeht, ist vor allem der extrem kurzen Pulslänge von unter fünf Nanosekunden zu verdanken. Bei Tageslicht erkennt es Fahrzeuge auf gut 200 Meter und Fußgänger auf 70 Meter Entfernung.

Die amerikanische Princeton Lightwave, Inc. setzt auf Geiger-mode LiDAR-Technik. Wie beim Fraunhofer-System sind hier hoch empfindliche Single-Photon-Avalanche-Photodioden im Einsatz. Das erlaubt den Einsatz von schwächeren Laserstrahlquellen. Da im Geiger-Modus anders als bei linearen Messungen pixelweise Time-of-Flight-Messungen einzelner Photonen möglich sind, erlauben heutige Dioden mit 1024 Pixeln im Modus mit über 180.000 Frames pro Sekunde eine sehr schnelle, hoch aufgelöste Umfeld-Sensorik. Dabei wird Princeton Lightwave es nicht belassen. Aktuell kündigt das Unternehmen eine neue Generation seines Geiger-LiDAR-Moduls an, das bei halbiertem Bauraum (4x4x6 cm) eine 4,5-mal höhere Abtastrate von rund 900 Megasamples pro Sekunde bieten soll. Das Auto der Zukunft – so viel scheint sicher – wird mithilfe von Lasern das Sehen lernen.

Bildquelle: Continental, OSRAM

 
 
 
 
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