Image: Schlechte Sicht? Nicht mit Lidar!FERCHAUFERCHAULidar-Sensoren werden künftig in oder auf den meisten autonomen Fahrzeugen zu finden sein und die Umgebung nach Objekten scannen, die dem Auto in die Quere kommen könnten. (Foto: Continental) | (Foto: Continental)
TechnikDie Augen der selbstfahrenden Autos

Schlechte Sicht? Nicht mit Lidar!

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Mirko Besch

Mirko Besch

freier Journalist

Sehen und gesehen werden – für Promis auf Partys wichtig, für alle Beteiligten im Straßenver­kehr dagegen absolut unerläss­lich. Was bisher die Augen von Autofahrern und anderen Verkehrs­teil­neh­mern erledigten, müssen bei völlig autonomen Fahrzeugen künftig zahlreiche Sensoren gewährleisten. Eine wichtige Technologie dafür stellen sogenannte Lidar-Systeme dar.

25. Februar 2016

Damit selbstfah­rende Autos auch wirklich eigenständig fahren, benötigen sie Sensoren. Zu den wichtigsten gehören neben Radar (Radio Detection and Ranging), Stereoka­meras oder Ultraschall­sen­soren auch Lasersen­soren wie Lidar (Light Detection and Ranging). Derartige Fahreras­sis­tenz­sys­teme liefern den Großteil der benötigten Datenbasis. Lidar ähnelt vom Prinzip her dem Radarver­fahren, allerdings kommen anstelle von elektroma­gne­ti­schen Wellen hier Ultravio­lett-, Infrarot- oder Strahlen aus dem Bereich des sichtbaren Lichts zum Einsatz. Während Radar nur Punktinfor­ma­tionen liefert, erkennen Lidar-Systeme die Konturen der Objekte.

Verschie­dene Fahrzeug­her­steller und Unternehmen bauen bei ihren Tests mit selbstfah­renden Autos auf diese Lösungen. Laut einer Studie von Frost & Sullivan arbeiten derzeit sieben von 13 Top Original Equipment Manufactu­rers (OEMs) am automati­sierten Fahrbetrieb von Pkws auf Lidar-Basis. Dabei habe der Markt für Lidar-fähige Pkws im Jahr 2014 einen Umsatz von 51,1 Millionen Dollar erwirtschaftet, der bis 2021 voraussicht­lich auf 141 Millionen Dollar anwachsen werde.

Auch Google setzt auf Lidar

Auch Google gehört zu den Lidar-Usern. Bei den Fahrzeugen des Internet-Riesen kommt neben anderen Sensoren das System HDL-64E von Velodyne zum Einsatz, das mit 64 unabhängigen Laserstrahlen arbeitet und auf der Oberseite platziert ist. Auf jedem Wagen ist ein Rundum-Laserscanner auf einem drehbaren Gerüst montiert, der sich mit bis zu 15 Hertz um die eigene Achse dreht. Mithilfe dieses 360-Grad-Lidars wird eine detaillierte 3D-Karte der Umgebung erzeugt, die anschlie­ßend mit den bereits vorhandenen Landkarten verglichen und kombiniert wird. Das Lidar-System erreicht Entfernungen bis zu 100 Meter und ist beispiels­weise zum Erkennen von Kreuzungs­si­tua­tionen geeignet.

Ein sogenannter Wide-Range-Laserscanner ist der Alasca XT von Ibeo, der Objekte in bis zu 200 Metern Entfernung entdecken kann und in der Regel zur Hindernis­er­ken­nung vor dem Auto eingesetzt wird. Ein sich hinter der Abdeckung drehender Spiegel lenkt dabei die Laserstrahlen so um, dass ein Bereich von 240 Grad abgedeckt wird. Außerdem gibt es Laserscanner für den Nahbereich wie den LMS 291-S05 des deutschen Herstellers Sick. Er hat mit seinem Öffnungs­winkel von 120 Grad ein recht eingeschränktes Sichtfeld und wird vornehmlich zur Erkennung von Bordsteinen eingesetzt.

Kombination von Lidar und Kamera

Einen neuen Weg beschritt im vergangenen Jahr der Automobil­zu­lie­ferer Continental. Er stellte ein neues Sensormodul vor, das eine Multifunk­tions-CMOS-Kamera mit einem Infrarot-Lidar in einer kompakten Einheit kombiniert. Es soll hinter dem Innenspiegel platziert werden und ist als günstige Lösung im Bereich der Fahrassis­tenz­sys­teme vor allem für untere Fahrzeug­klassen vorgesehen. Laut dem Hersteller fordert das Sensormodul den Fahrer im Falle einer drohenden Kollision mit akustischen und optischen Warnsignalen zum Bremsen auf. Bremst dieser nicht rechtzeitig, betätigt das System die Bremsen automatisch. Bis zu einer Geschwin­dig­keit von rund 80 km/h könne ein Zusammen­stoß ganz verhindert werden, sofern der Geschwin­dig­keits­un­ter­schied zu dem Objekt unter 50 km/h liege. Bei größeren relativen Geschwin­dig­keiten werde die Wucht des Aufpralls durch die Notbremsung zumindest erheblich abgemildert.

Da die Informationen einer CMOS-Kamera zur Einleitung einer automati­schen Notbremsung allein nicht immer zuverlässig genug seien, habe man diese passive Sensortech­no­logie mit einem Infrarot-Lidar kombiniert, erklärt Karl-Heinz Haupt, Leiter des Geschäfts­be­reichs Fahreras­sis­tenz­sys­teme bei Continental. „Der Lidar-Sensor sendet drei gepulste Infrarot­strahlen mit einer Wellenlänge von 905 Nanometern aus und misst die Zeit bis zum Eintreffen der reflektierten Strahlen an der Empfangs­optik.“ Anhand der gewonnenen Daten kann das autonome Auto die Kontur, die Geschwin­dig­keit und die Position von Objekten in der näheren Umgebung bestimmen und bei Kollisions­ge­fahr entsprechende Maßnahmen – wie Kursände­rung oder Vollbrem­sung – einleiten.

Ende der Fahnenstange noch nicht erreicht

Bei dieser günstigen Kamera-Lidar-Kombination werde ein Bereich von mehr als zehn Metern vor dem Fahrzeug erfasst. Lidar-Systeme mit größeren Reichweiten von bis zu 200 Metern sind entsprechend teurer. Bei Google soll das eingesetzte Lidar-System allein schon rund 70.000 US-Dollar kosten – für das Massenge­schäft viel zu teuer. Daher haben Sensoren-Entwickler wie Velodyne, Quanergy, Sick oder Ibeo mittlerweile neue Lidar-Sensoren auf den Markt gebracht, die deutlich kleiner und dazu wesentlich günstiger sind – teilweise für weniger als 1.000 Euro. Doch damit ist das Ende der Fahnenstange noch nicht erreicht. Sollen Lidar-Systeme massentaug­lich werden, muss der Stückpreis Experten zufolge auf etwa 100 Euro sinken. Der Anfang des Jahres auf der Consumer Electronics Show in Las Vegas vorgestellte neue Lidar-Sensor „Ultra Puck“ von Velodyne beispiels­weise soll Ford dazu verhelfen, das Rennen um das erste komplett autonome Fahrzeug zu gewinnen.

Für Kritik an der Lidar-Technologie sorgte die Aktion von Sicherheits­ex­perte Jonathan Petit, der mithilfe eines Raspberry Pi und eines Laserpoin­ters die Lidar-Sensoren eines autonomen Autos manipulieren konnte. Petit gelang es, den Sensoren mit seiner Ausrüstung verschie­dene Objekte wie ein Fahrzeug, eine Mauer oder einen Fußgänger vorzutäu­schen. Allerdings werden die Daten verschie­dener Sensortypen normaler­weise miteinander abgeglichen. Wenn also nur ein Sensor ein Objekt wahrnimmt und die anderen nicht, sollte die Information als falsch interpre­tiert und somit ignoriert werden.

Augen für Robotertaxis

Nichtsdes­to­trotz: Lidar-Sensoren werden wohl in den meisten künftigen Robotertaxis integriert sein. „Da sich die Technologie noch in der Anfangsphase befindet, wird die Marktakzep­tanz noch eine gewisse Zeit auf sich warten lassen“, sagt Anirudh Venkitaraman, Frost & Sullivan Automotive & Transpor­ta­tion Senior Research Analyst. „Wenn 2020 technisch hochwertige, bezahlbare Lidar-Systeme der nächsten Generation im Markt erhältlich sein werden, ist der Endnutzer-Markt eher bereit, in diese Produkte zu investieren.“