LiDAR-Sensor beim Auto – Zukunft des autonomen Fahrens?

In LiDAR we trust? Der LiDAR-Technologie wird die tragende Rolle zugesprochen, ein wichtiges Bauteil für die Weiterentwicklung autonom fahrender Autos zu sein. Was ist LiDAR genau und wie funktioniert es? Welche LiDAR-Varianten existieren und welche Nachteile hat das System? Das alles erfahren Sie in diesem Artikel!

⏰ Kurz zusammengefasst

• LiDAR ist eine Sensortechnologie – gilt als Zukunft des autonomen Fahrens
• Verschiedene LiDAR-Technologien kommen zum Einsatz
• Einsatz in selbstfahrenden Autos zur Umgebungserkennung
• LiDAR in Tesla, Waymo und Co.
• Unterschiede zwischen LiDAR und Radar im Überblick
• Nachteile von LiDAR in den Kosten und in der Wetter- und Materialabhängigkeit

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Was ist LiDAR?

Light Detection and Ranging, kurz LiDAR, ist eine Technologie, die präzise dreidimensionale Karten der Umgebung erstellt, indem sie Entfernungen mit Laserlicht misst. Sie wird in vielen verschiedenen Branchen eingesetzt, insbesondere in der Unterhaltungselektronik, Geografie, Forstwirtschaft, Archäologie und bei selbstfahrenden Autos. Gerade in dieser Disziplin gilt die LiDAR-Technologie als das Zünglein an der Waage, ohne das die Zukunft des autonomen Fahrens nicht denkbar wäre.

Bei autonomen Fahrzeugen spielt LiDAR eine entscheidende Rolle für die Echtzeit-Wahrnehmung und die Kartierung der Umgebung. Durch kontinuierliches Scannen liefern LiDAR-Sensoren genaue und zuverlässige Daten über die Position, Größe und Bewegung von Objekten. So wird es autonomen Fahrzeugen ermöglicht, sicher zu navigieren und fundierte Entscheidungen zu treffen.

LiDAR sendet Laserimpulse aus und misst, wie lange es dauert, bis die Impulse nach dem Auftreffen auf ein Objekt in ihrem Weg zurückkehren. LiDAR-Systeme können die Entfernung zu jedem Objekt mit bemerkenswerter Genauigkeit messen, indem sie die “Flugzeit” der emittierten Impulse berechnen. Anhand dieser Daten wird dann eine detaillierte Punktwolke oder eine andere digitale Darstellung der realen Welt erstellt. Die kontinuierliche Weiterentwicklung des Systems ist für die Zukunft des autonomen Fahrens unerlässlich, gerade wenn man Stufe 5 erreichen möchte.

Welche LiDAR-Technologien gibt es?

Entgegen einiger Erwartungen ist LiDAR nicht gleich LiDAR! Es gibt verschiedene LiDAR-Technologien, die zum Einsatz kommen. Hier erhalten Sie eine Auswahl von LiDAR Scanner-Arten:

Mechanical Scanning LiDAR:

Diese Art von LiDAR verwendet einen rotierenden Spiegel oder ein Prisma, um den Strahl in verschiedene Richtungen zu lenken. Er sendet Laserimpulse in einer schwenkenden Bewegung aus und deckt dabei ein bestimmtes Sichtfeld ab.

Solid-State LiDAR:

Solid-State LiDAR Systeme lenken den Laserstrahl ohne bewegliche Teile. Sie bieten schnellere Scangeschwindigkeiten, einen geringeren Stromverbrauch und sind im Allgemeinen kompakter und zuverlässiger als mechanische LiDAR-Scanner. Solid-State-LiDARs werden häufig in autonomen Fahrzeugen und anderen Anwendungen eingesetzt.

Flash-LiDAR:

Flash-LiDAR, auch bekannt als Time-of-Flight (ToF)-LiDAR, nutzt einen einzigen Laserimpuls, um das gesamte Sichtfeld in einem kurzen Augenblick zu erfassen. Dabei wird die Zeit gemessen, die das reflektierte Licht benötigt, um zum Sensor zurückzukehren, so dass ein vollständiges 3D-Bild der Umgebung in einer einzigen Aufnahme erstellt werden kann. Flash-LiDARs sind schnell und eignen sich für Echtzeitanwendungen, haben aber möglicherweise Einschränkungen in Bezug auf Reichweite und Auflösung.

FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) LiDAR:

FMCW-LiDAR-Systeme senden kontinuierliche Lasersignale mit unterschiedlichen Frequenzen aus. Durch Analyse der Frequenzverschiebung des zurückgesendeten Signals können diese LiDARs die Entfernung zu Objekten berechnen. FMCW-LiDARs sind für ihre hohe Auflösung und große Reichweite bekannt.

Photon-Counting-LiDAR:

Photon-Counting-LiDAR-Systeme arbeiten mit der Erfassung einzelner Photonen, die von der Umgebung zurückgeworfen werden. Diese Technologie ermöglicht eine sehr hochauflösende Kartierung und präzise Entfernungsmessungen. Photon-Counting-LiDARs werden häufig in der wissenschaftlichen Forschung eingesetzt.

Welche Hersteller gibt es für LiDAR?

Mit der Produktion, Entwicklung und Verbesserung der LiDAR-Sensoren beschäftigen sich mehrere Unternehmen. Zu den bekannteren Zählen wohl die Firmen Bosch, Continental und ZF. Weniger bekannte Unternehmen in diesem Gebiet sind Velodyne, Luminar Technologies, Quanergy, Innoviz, Innovusion sowie Blackmore und Opsys.

LiDAR-Sensor und autonomes Fahren

Welche Prozesse im Inneren des LiDAR-Sensors ablaufen und wie diese technisch funktionieren, ist für einen Laien vermutlich viel zu komplex. Daher wollen wir versuchen, die Funktionsweise von LiDAR beim autonomen Fahren so einfach wie möglich zu erklären:

Grob gesagt: Die LiDAR-Technologie ist eine wesentliche Komponente bei der Entwicklung und Einführung autonomer Fahrsysteme, weil sie dafür sorgt, dass das System eine genaue und detaillierte 3D-Wahrnehmung der Umgebung erstellt. Auf diese Weise ermöglicht sie es Fahrzeugen fahrrelevante Entscheidungen abhängig von Umweltgegebenheiten zu treffen und in verschiedenen Fahrszenarien autonom und gleichzeitig sicher zu navigieren.

Um die ablaufenden Prozesse in vereinfachter Form darzustellen, kann er folgendermaßen zusammengefasst werden:

• LiDAR-Sensoren senden Laserimpulse aus und messen deren Reflexionen, um eine detaillierte 3D-Punktwolke der Umgebung zu erstellen und Hindernisse zu erkennen.
• Tiefenwahrnehmung wird durch die genaue Messung der Entfernungen zu den Objekten durch LiDAR ermöglicht. Durch kontinuierliches Scannen der Umgebung erstellen LiDAR-Sensoren hochauflösende 3D-Karten in Echtzeit.
• LiDAR-Sensoren liefern Daten über die Größe, Form und Bewegung von Objekten. Geeignete Fahrmanöver werden geplant und ausgeführt.
• In Kombination mit anderen Sensoren sorgt LiDAR für Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Wahrnehmungssystems des Fahrzeuges.
• Auch für fortschrittliche Fahrassistenzsysteme wie die adaptive Geschwindigkeitsregelung und den Spurhalteassistenten können LiDAR-Sensoren eingesetzt werden.

Tesla & Co. – Welche Autos nutzen LiDAR?

Die ausgeklügelte Wahrnehmungstechnologie für Fahrzeuge kommt schon in diversen Automodellen zum Einsatz.

Waymo:

Waymo hat LiDAR-Sensoren in großem Umfang in seine selbstfahrenden Fahrzeuge integriert und bereits umfangreich getestet. Die Firma hat ihre eigenen LiDAR-Sensoren entwickelt und verwendet sie als Schlüsselkomponente in ihrem fortschrittlichen autonomen Fahrsystem, das bereits im Taxibetrieb erprobt wurde.

Cruise:

Cruise, ein Unternehmen für selbstfahrende Fahrzeuge, das sich mehrheitlich im Besitz von General Motors befindet, setzt in seinen autonomen Fahrzeugen ebenfalls die LiDAR-Technologie ein. Sie haben ihre eigenen LiDAR-Sensoren entwickelt und setzen sie neben anderen Sensoren für die Wahrnehmung und Kartierung ein.

Ford:

Ford ist für seine autonomen Fahrzeugprojekte eine Partnerschaft mit Velodyne LiDAR eingegangen. So hat Ford Velodyne-LiDAR-Sensoren in seine Forschungsfahrzeuge integriert, um deren Wahrnehmungsfähigkeiten zu verbessern.

Volvo:

Volvo hat mit Luminar Technologies zusammengearbeitet, um deren LiDAR-Sensoren in das Entwicklungsprogramm für autonome Fahrzeuge von Volvo einzubauen.

Nutzt Tesla etwa kein LiDAR? Gerade der US-amerikanische Elektroauto-Pionier Tesla hat einen anderen Ansatz gewählt und verwendet derzeit kein LiDAR in seinen Serienfahrzeugen oder autonomen Fahrsystemen.

Tesla verlässt sich in erster Linie auf eine Kombination aus Kameras, Radarsensoren, Ultraschallsensoren und KI-gesteuerter Software für seine Autopilot-Funktionen. Elon Musk, CEO von Tesla, hat sich skeptisch über die Notwendigkeit von LiDAR für das autonome Fahren geäußert – Teslas Ansatz mit kamerabasierter Wahrnehmung reiche demnach aus, um volle Fahrautonomie zu erreichen.

LiDAR vs. Radar – die Unterschiede

Auf den ersten Blick treiben LiDAR und das bekanntere Radar (Radio Detection and Ranging) ein gleiches Spiel: Sie sind beide ihres Zeichens Umgebungserkundungstechnologien, die Informationen über die Welt sammeln. Es existieren jedoch grundlegende Unterschiede:

Licht vs. Radiowellen:

Während LiDAR Laserlicht nutzt, um Entfernungen zu messen und detaillierte 3D-Karten der Umgebung zu erstellen, arbeitet das Radar mit Radiowellen und misst die Zeit, die die Radiowellen benötigen, um von Objekten abzuprallen und zurückgeschickt zu werden. Radar bestimmt Entfernungen auf der Grundlage der Laufzeit der Radiowellen. Das LiDAR sendet im Gegensatz hierzu Laserimpulse aus und misst die Zeit, die das reflektierte Licht braucht, um zurückzukehren.

Verschiedene Wellenlängen:

Unterschiede ergeben sich auch im Bezug auf die Wellenlänge und den Erfassungsbereich: LiDAR arbeitet im optischen Teil des elektromagnetischen Spektrums. Es bietet zwar hochauflösende Messungen, hat aber im Vergleich zum Radar eine relativ begrenzte Reichweite. Radar wiederum, das im Radiowellenbereich des Spektrums arbeitet, hat größere Wellenlängen und kann viel größere Entfernungen abdecken, bietet aber eine geringere räumliche Auflösung.

Unterschiede in der Durchdringung:

LiDAR ist empfindlich gegenüber dem Reflexionsvermögen von Objekten. Es funktioniert am besten, wenn das Laserlicht mit festen Oberflächen interagiert, die das Licht zurück zum Sensor reflektieren. Dementsprechend kann LiDAR Schwierigkeiten haben, transparente oder schwach reflektierende Objekte zu erkennen. Radar hingegen kann verschiedene Materialien wie Nebel, Regen und Pflanzen durchdringen.

Es kann Objekte auch unter schwierigen Wetterbedingungen und durch bestimmte Materialien hindurch erfassen. Gerade bei schlechtem Wetter sollten Sie sich der Schleudergefahr bewusst sein und immer auch den Reaktionsweg beim Bremsen im Kopf behalten.

Welche Nachteile hat LiDAR?

LiDAR ist zwar eine leistungsstarke Technologie, hat aber auch einige Nachteile. Manche hiervon sind bereits im Vergleich von LiDAR und Radar aufgekeimt, an dieser Stelle soll aber der Vergleich entfallen und stattdessen die Betrachtung von LiDAR selbst forciert werden.

• Kosten: LiDAR-Systeme können im Vergleich zu anderen Sensortechnologien wie Kameras und Radar relativ teuer sein.
• Größe: Herkömmliche LiDAR-Sensoren, insbesondere solche mit mechanischer Abtastung, sind in der Regel sperrig und benötigen unter Umständen mehr Platz.
• Begrenzte Reichweite: LiDAR-Sensoren können bei widrigen Wetterbedingungen wie bei starkem Regen, Nebel oder Schnee an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit stoßen.
• Empfindlichkeit: Die LiDAR-Leistung kann durch verschiedene Umweltfaktoren beeinträchtigt werden, z. B. durch natürliche Lichtverhältnisse oder Abblendlicht.
• Datenmenge: Das System erzeugt aufgrund seiner 3D-Kartierungsfähigkeiten enorme Datenmengen. Die Verarbeitung und Interpretation in Echtzeit ist aufwendig.
• Begrenztes Sichtfeld: Um eine vollständige Abdeckung der Umgebung zu erreichen, sind unter Umständen mehrere LiDAR-Sensoren oder Scanning-Mechanismen erforderlich.