Grundlagen von LiDAR, der nächsten Generation von Automobilsensoren

Was ist LiDAR, die nächste Generation von Automobilsensoren?

In den letzten Jahren wurden weltweit Fortschritte bei der Forschung und Entwicklung von LiDAR Sensoren als Schlüsseltechnologie für autonome Fahrzeuge erzielt. Der Name ist ein Akronym für „Light Detection and Ranging“ (Lichterkennung und -entfernung).

LiDAR-Sensoren richten Licht, beispielsweise im Nahinfrarotbereich, auf Objekte, um diese zu scannen, und erfassen mithilfe von Empfängern gestreutes und reflektiertes Licht. Dadurch können sie Geschwindigkeit, Entfernung und Form von Objekten messen.
Das Prinzip ist dasselbe wie bei der Radarmessung, bei der Radiowellen ausgesendet und Reflexionen empfangen werden. Durch die Verwendung von Licht, dessen Wellenlängen deutlich kürzer sind als die von Radiowellen, kann LiDAR Entfernungen hochpräzise messen und sogar die Form von Objekten bestimmen, die für Radar zu klein sind.

LiDAR wurde in den 1960er Jahren entwickelt und fand Anwendung beispielsweise bei der Erstellung topografischer Karten in der Luft- und Raumfahrt. Auch in der Meteorologie wird es eingesetzt, da es kleine Partikel wie Wolken und Aerosole erkennen kann. In den letzten Jahren haben die rasanten Fortschritte in der autonomen Fahrtechnologie dazu geführt, dass LiDAR als Mittel zur Fernerkennung von Hindernissen, anderen Fahrzeugen, Personen und mehr stärker in den Fokus gerückt ist.

Ausblick auf die Verbreitung des Autonomes Fahren der Stufe 3 und darüber hinaus

Autonome Fahrsysteme für Autos werden in die Level 1 bis 5 eingeteilt, und LiDAR gilt als ein Weg, um Autonomes Fahren der Level 3 und höher zu erreichen. Beim Autonomes Fahren der Level 1 und 2 behält der menschliche Fahrer die Kontrolle, und das System fungiert lediglich als Unterstützung. Es assistiert bei verschiedenen Fahraktionen, wie z. B. dem automatischen Bremsen bei einer drohenden Kollision mit einem Hindernis, dem Halten der Spur im Hands-Off-Modus unter bestimmten Bedingungen, wie z. B. auf Autobahnen, dem Anpassen der Geschwindigkeit, um dem vorausfahrenden Auto zu folgen, und dem sicheren Überholen langsamerer Fahrzeuge. Die Systeme, die Autonomes Fahren der Level 1 und 2 ermöglichen, werden ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) genannt.

Im Gegensatz dazu ersetzt das System den menschlichen Fahrer in der Hauptrolle beim Autonomes Fahren der Stufen 3 bis 5. Der Fahrer kann sich beim Lenken des Autos auf das System verlassen und seinen Blick von der Straße abwenden und andere Dinge tun, während das Fahrzeug selbst fährt.

Ab 2024 bringen immer mehr der weltweit größten Automobilhersteller autonome Fahrzeuge der Stufe 2 mit freihändigem Fahren auf den Markt. Weltweit sind jedoch nur sehr wenige autonome Fahrzeuge der Stufe 3 und höher verfügbar. In Japan brachte ein japanischer Automobilhersteller 2021 lediglich ein einziges Modell als Leasingfahrzeug in einer limitierten Auflage von 100 Exemplaren auf den Markt; die Produktion endete jedoch 2023. Kein anderer Automobilhersteller hat bisher ähnliche Versuche unternommen. Während Automobilhersteller weltweit um die Entwicklung der Technologie für Autonomes Fahren der Stufe 3 und höher konkurrieren, arbeiten verschiedene Länder an der Überarbeitung ihrer Verkehrsgesetze, um sich auf die Zukunft vorzubereiten.

Die Vorteile von LiDAR gegenüber anderen Sensoren

Als Nächstes erklären wir die Grundlagen von LiDAR. Für Autonomes Fahren ist es notwendig, Informationen wie andere Fahrzeuge auf der Straße, Fußgänger, Verkehrszeichen, Fahrspuren und Hindernisse in Echtzeit zu erkennen. Das autonome Fahrzeug ist mit verschiedenen Sensoren ausgestattet, darunter Kameras, Millimeterwellenradar, Ultraschallsensoren und LiDAR, um Informationen aus seiner Umgebung zu sammeln. Es werden mehrere Sensoren verwendet, da jeder Typ seine Stärken und Schwächen hat. Die Leistung von Kameras bei der Bilderkennung hat sich in Kombination mit KI dramatisch verbessert, aber Kameras haben immer noch Nachteile – die Leistung lässt nachts und bei schlechtem Wetter nach und es ist schwierig, die Entfernung zu einem Objekt genau zu messen. Millimeterwellenradar kann die Entfernung zu einem Objekt auch bei schlechtem Wetter messen, aber es kann Formen nicht genau erkennen und hat Schwierigkeiten, Objekte mit geringer Radiowellenreflexion sowie nahe gelegene Objekte zu erkennen. Ultraschallsensoren hingegen können nahe gelegene Objekte nur in einem Umkreis von etwa 10 Metern erkennen und werden primär als Sonar beim Vorwärts- und Rückwärtsfahren beim Einparken verwendet.

LiDAR hingegen kann die Entfernung zu Objekten wie anderen Fahrzeugen, Hindernissen und Fußgängern in einer Entfernung von 200 bis 300 Metern präzise erfassen und deren Formen in 3D präzise erfassen. Im Gegensatz zu Kameras kann es Objekte auch nachts erkennen. In Kombination mit hochauflösenden Karten kann LiDAR zudem die Fahrzeugposition konstant und präzise halten. Daher gilt es als Voraussetzung für Autonomes Fahren ab Level 3.

Vorteile der neuen Entfernungsmesstechnologie „FMCW-Verfahren“

Derzeit verwenden LiDAR Sensoren zur Entfernungsmessung die sogenannte ToF-Methode (Time of Flight). Dabei sendet der LiDAR Sensor einen Lichtimpuls aus und ermittelt die Entfernung, indem er die Zeit misst, bis der Empfänger das von einem Objekt reflektierte Licht erkennt. Diese Methode hat jedoch Nachteile: Sie kann leicht durch andere Lichtquellen beeinflusst werden, und die Leistung lässt bei schlechtem Wetter wie Regen und Nebel nach.

Es besteht Hoffnung, dass ein Messverfahren namens FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) diese Probleme lösen kann. Dabei sendet der LiDAR Sensor frequenzmoduliertes Licht aus. Wenn das Licht von einem Objekt reflektiert wird und zum Empfänger des LiDAR Sensors zurückkehrt, unterscheidet sich seine Frequenz von der des ursprünglich ausgesendeten Lichts. Aus der Differenz der beiden Frequenzmodulationen lassen sich Entfernung und Geschwindigkeit des Objekts berechnen.

Im Vergleich zu ToF kann FMCW schwächere Lichtsignale erfassen, wird weniger von anderen Lichtquellen, Regen und Nebel beeinflusst und kann Entfernungen zu weiter entfernten Objekten messen. Ein weiterer großer Vorteil ist die Möglichkeit, die Geschwindigkeit eines Objekts zu berechnen. Diese wird durch die Frequenzänderung aufgrund des Dopplereffekts ermöglicht, wenn sich ein Objekt, beispielsweise ein anderes Auto, auf das Fahrzeug zu oder von ihm weg bewegt. Aufgrund dieser Vorteile gilt FMCW als die nächste Generation von LiDAR und steht im Fokus weltweiter Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen.

Obwohl LiDAR als vielversprechender Kandidat für die Sensorik der nächsten Generation autonomer Fahrzeuge gilt, ist sein Einsatz derzeit auf wenige Luxusautos beschränkt. Dafür gibt es zwei Hauptgründe: Hochleistungs-LiDAR ist mit mehreren Hunderttausend Yen extrem teuer, und die großen Geräte können nur an bestimmten Stellen montiert werden, was das Außendesign einschränkt.

Das Potenzial von Flash LiDAR zur Kosten- und Größenreduzierung

Neben den verschiedenen Entfernungsmessverfahren gibt es viele weitere LiDAR Varianten, die sich beispielsweise durch Laserlicht- und Lichtscanverfahren unterscheiden. Eine Scanmethode, die derzeit entwickelt wird, heißt „Flash“. Der frühere, mechanische LiDAR-Typ tastet Objekte in einem weiten Bereich ab, indem er mithilfe eines Motors rotierende Spiegel erzeugt, die Licht projizieren. Flash LiDAR hingegen erkennt Objekte durch die Projektion diffusen Laserlichts. Es wird erwartet, dass Flash-LiDAR zu einer Reduzierung der Größe und der Herstellungskosten führen wird, da Motoren und andere bewegliche Teile nicht benötigt werden.

Mit Lichtmanipulationstechnologie zum Autonomes Fahren beitragen

Bei Dexerials arbeiten wir seit vielen Jahren an unserer Technologie zur freien Lichtmanipulation. Dadurch verfügen wir heute über eine Fülle von Produkten und Wissen, die zur Entwicklung der LiDAR Technologie beitragen können, um die nächste Generation des Autonomes Fahren zu unterstützen.

Unsere Antireflexfolie, die häufig auf Displays und Smartphones verwendet wird, kann zur LiDAR verwendet werden, um Lichtrauschen wie Flares zu unterdrücken und die Übertragungsrate für die gewünschte Lichtfrequenz zu erhöhen. Für die Blitz-LiDAR ist eine genaue Steuerung der Lichtstreuung erforderlich, und die von uns für Projektoren entwickelte Diffusortechnologie kann auch hier eingesetzt werden. Darüber hinaus kann die von uns entwickelte hochpräzise Befestigungstechnologie mit speziellen Klebstoffen und Präzisionshaftharzen für Smartphone-Kamerateile und Digitalkameraobjektive verwendet werden, um Sensoren wie LiDAR- und Fahrzeugkameras präzise zu sichern und eine stabile Erkennung zu ermöglichen.

Dexerials wird weiterhin zur Entwicklung der Autonomes Fahren beitragen, um auf eine Zukunft hinzuarbeiten, in der Menschen sicher, bequem und frei reisen können.