LIDAR: Schlüsseltechnologie und Distanzmessung für selbstfahrende Autos und andere autonome Maschinen

Artikel-Inhalt

• Was ist LiDAR?

• Wie funktioniert die Abstandsmessung mit dem 3D-Scanner für LiDAR?

• Was ist der Unterschied zwischen RADAR und LiDAR?

• Wozu wird LiDAR verwendet?

• Die wichtigsten Hersteller für diese Lasersysteme

• Die Nachteile von Laserstrahlen für die Abstandsmessung

• Was können LiDAR-Sensoren am Smartphone/iPhone?

LiDAR [ˈlaidɑː(r)] steht für Light Detection and Ranging (Lichterkennung und Abstandsmessung) und gilt als revolutionäre Technik für das Erkennen und Vermessen von Objekten sowie deren Entfernungen.

Für die Kollaboration von Mensch und Maschine gilt LiDAR als essenzielle Technologie, um Maschinen schnell und präzise zu vermitteln, was um sie herum passiert. Die Technologie gibt es schon seit den 1960er Jahren. 1971 wurde mit dieser Lasertechnik bei der Apollo-15-Mission der Mond das erste Mal kartografiert.

Um die Technologie breit auszurollen, fehlte damals jedoch die Möglichkeit, die dabei anfallenden großen Datenmengen zu verarbeiten. Mit der Entwicklung von neuen Anwendungsgebieten, besonders im Bereich des autonomen Fahrens, hat die technologische Entwicklung in den letzten Jahren massive Fortschritte gemacht.

Ein LiDAR erkennt und vermisst Objekte. Dazu sendet ein Lasersensor mehrere Hunderte Male in der Sekunde Laserimpulse in die Umgebung. Das Laserlicht trifft binnen Nanosekunden (1 Sekunde = 1 000 000 000 Nanosekunden) auf die zu messenden Objekte (Gegenstände oder Personen) und wird von dort wieder zurück zum Laser-Sensor (Sender/Empfänger) reflektiert.

Aus der Zeit, die das Signal vom Sensor zum Objekt und zurück benötigt kann die Distanz berechnet werden. Nachdem die Lichtgeschwindigkeit konstant ist (299.792.458 m/s) lassen sich mit dieser Technologie Entfernungen extrem genau messen. Dabei kann nicht nur eine einfache Abstandsmessung erfolgen, sondern die Umgebung im Detektionsbereich (Erfassungsbereich) dreidimensional erfasst werden.

Eine Detektion ermöglicht einen hochauflösenden Modus, der je nach Einsatzgebiet kleinste Objekte bis zu zwei Zentimeter Durchmesser erfasst. Der Detektionsbereich kann genau definiert werden und es bestehen Einstellmöglichkeiten für Größe oder Geschwindigkeit zu detektierender Objekte. LiDAR-Systeme nutzen das Detektieren von Objekten oder Menschen, um aus der Laufzeit des Lichtes die Distanz des zurückgeworfenen Lichtes zu messen.

Bei den Light-Detection-and-Ranging-Systemen wurde die Scangeschwindigkeit in den letzten Jahren um das 20-Fache verbessert. So werden heute laut dem Institut für Kartographie und Geoinformatik der Universität HannoverErfassungsraten von mehr als einer Million 3D-Punkten pro Sekunde erreicht.

LiDAR erfasst und vermisst die Umwelt alleine durch Lichtimpulse und kann so eine exakte Karte seines Umfelds erstellen. RADAR ist die Abkürzung für „Radio Detection and Ranging“ (Erkennung und Entfernungsmessung). Mit einem RADAR wird die Entfernung durch Funksignalen gemessen. Ein weiterer Unterschied: Die langwelligen Funksignale sind nicht so anfällig für Wetterbedingungen wie Laserlicht, können aber Größe und Form von Objekten nicht so präzise ermitteln wie LiDAR, was jedoch beispielsweise für das autonome Fahren entscheidend ist. Neuartige 4D-Radare (siehe Erklärung unten) sollen jedoch genau dieses Manko ausgleichen.

Ein klassischer Radar misst beispielsweise Abstände wie solche zwischen Flugzeugen im Luftraum. Das Radargerät strahlt mit elektromagnetischer Energie das Flugzeug an, die dort reflektiert wird und im Radargerät wieder empfangen wird und misst so die Entfernung. Die Energie, die durch die Antenne empfangen wird, nennt man Echosignal. Größe und genaue Form der Objekte erkennt das Radar im Gegensatz zum LiDAR jedoch nicht. Weitere Informationen dazu finden Sie unter radartutorial.eu.

• Autonomes Fahren

• Staubsaugerroboter

• Kartierung von Gebäuden, Gelände und in der Luft- und Raumfahrt

• Digitale Grundriss-App am Smartphone

• Aufnahmen mit wenig Licht, um so bessere Ergebnisse bei Bildern und Videos zu bekommen

• Augmented Reality (AR) -Erlebnisse, um durch virtuelle Elemente im Raum besser als bisher einsetzen zu können.

• Anonymisierte Zählung von Personen in öffentlichen Räumen

• die Zählung von Personen, um die Raumauslastung etwa bei großen Veranstaltungen

• Identifikation der Bewegungsrichtung der Personen von Ein- und Ausgängen

• um für bestimmte Zwecke zwischen Mensch und Objekt zu unterscheiden: Menschen werden erkannt und Objekte werden anhand ihrer Kontur nicht berücksichtigt

LiDAR gilt als zentraler Baustein für das autonome Fahren. Die Lasertechnologie dient dazu, die Umgebung rund um das Fahrzeug in einer 360-Grad-Perspektive exakt wahrzunehmen und in 3D wiederzugeben. Lasersensoren übernehmen dabei die Aufgabe, Abstände zwischen anderen Verkehrsteilnehmern, Hindernissen und anderen Objekten zu messen, damit die künstliche Intelligenz entsprechend reagieren kann, um das Fahrzeug unfallfrei und an die richtige Richtung zu steuern.

Nach Einschätzung von Experten in der Autobranche ist autonomes Fahren auf Level 3 und höher, ohne LiDAR nicht möglich. Noch ist die Technik aber, um massentauglich einsetzbar zu sein, nicht ausgereift genug und zu teuer. Die meisten Autohersteller setzen bei der Entwicklung autonomer Fahrzeuge nicht nur auf die Lasertechnologie, sondern auf eine Kombination aus Kameras, RADAR und LiDAR.

Jedoch bekommen LiDAR-Systeme neuerdings Konkurrenz durch 4D-Imaging-RADAR-Systeme. Einer der ersten solchen digitalen Radare wurde vom kanadisch-österreichischen Autozulieferer Magna entwickelt. Die neuartigen 4D-Radare können die Umgebung nicht nur wie bisher horizontal, sondern wie bei der Lasertechnik auch vertikal vermessen. Insgesamt gibt es vier Dimensionen: Distanz, Objektgeschwindigkeit, Smartantennen (diese errechnen über einen Algorithmus aus den diversen Empfangssignalen die Richtung) und Höhe. Letztere wird benötigt, um beispielsweise Randsteine erkennen zu können.

Ein 4D-Imaging-Radar liefert zunehmend höhere Auflösungen, vergleichbar mit jenen von Lidar-Sensoren und ermöglicht so bereits gute Aufnahmen von der Umgebung (siehe Bild unten). Die Aufnahmen durch das digitale 4D-Radar von Magna bietet einen 30-mal höheren Kontrast als analoges Radar und liefert damit ebenfalls äußerst scharfe Bilder. Die neuen Hightech-Radare sind zudem robuster und günstiger zu implementieren als Laserscanner für LiDAR.

LiDAR-Systeme werden auch genutzt, um Gelände auf der Erde und in der Luft- und Raumfahrt zu kartieren. Aus LiDAR-Kartierungsdaten können hochpräzise 3D-Daten von Gebäuden, Hallen oder Anlagen erstellt werden. Die Messungen können mobil und damit vor Ort durchgeführt werden. Beispiele dafür finden Sie hier.

Durch Laserscans können beispielsweise für Gebäude Hochwassersimulationen durchgeführt werden, um so festzustellen, wie von Häusern am wirkungsvollsten Schaden abgewendet werden kann. So sind Kellerfenster, Türen und Tiefgarageneinfahrten häufige Orte, an denen Hochwasser in ein Gebäude eindringen kann. Mobile LiDAR-Kartierungssysteme werden so zu wirksamen Werkzeugen für groß angelegte städtische 3D-Messungen, die dazu im Detail Fassaden vermessen, um so gezielt Maßnahmen zur Prävention von Hochwasserschäden zu ergreifen - wenn die Modellierung von Fenstern und Türen an der Fassade 3D-Stadtmodellierung jedoch anspruchsvoll und teuer sind. Weitere Informationen dazu finden Sie auf sciencedirect.com.

Informationen über Personenzählung durch LiDAR-Sensoren finden Sie unter anderem hier.

Lidar-Systeme werden sowohl von Automotive-Zulieferer hergestellt als auch von Technologie-Unternehmen.

Zu den sechs Keyplayern am Markt zählen laut einer Untersuchung des Marktforschungsinstituts Market Research

• Faro

• Jabil

• Trimble

• Velodyne

• Innoviz

• Leica Geosystems.

Weitere namhafte Hersteller von LiDAR-Systemen sind Valeo, Continental (2024 wollen die Deutschen mit der Fertigung eines hochauflösenden Lidars mit einer Reichweite von rund 300 Metern beginnen, bisher liegt der Schnitt bei 250 Meter), Bosch und ZF. Weitere Akteure sind Luminar, Microvision, Opsys, Cepton oder Innovusion. In Österreich ist unter anderem der steirische Sensorspezialist ams OSRAM in der LiDAR-Forschung und -Entwicklung aktiv.

• LiDAR ist ein optischer Sensor und damit ebenso anfällig für Einschränkungen des Sichtfelds wie Kameras, etwa durch Nebel, starkem Regen oder Schneefall. Es benötigt außerdem hohe Kapazitäten, um die Daten zu verarbeiten.

• Im Unterschied zu Kamerasystemen sind LiDAR-Sensoren nur in der Lage, Form, Entfernung und Bewegung zu erfassen, nicht aber zu dessen genauer Darstellung, wodurch sie nicht zum Erkennen von Hinweisen auf Verkehrsschilder verwendet werden können.

• LiDAR-Abstandsensoren, die auch noch beweglich sind, wie sie beispielsweise in Autos verwendet werden, sind derzeit noch recht groß und teuer. Sie kosten diese für Autos im Schnitt zwischen 35.000 und 65.000 Euro. Damit ist die Massentauglichkeit von selbstfahrenden Autos noch in weiter Ferne.

Auch nicht jeder in der Autobranche sagt der LiDAR-Technik eine große Zukunft voraus. Tesla-Chef Elon Musk hält LiDAR seit Jahren für einen Holzweg. Diese Sensoren für die Lasertechnologie sind seiner Ansicht nach teuer und unnötig. Sie seien nichts weiter als „ein Haufen teurer Anhängsel“. Musk setzt statt dessen bei Tesla-Modellen für autonome Fahrzeuge auf Kameras, um die Umgebung wahrzunehmen. Die Auflösung werde stetig steigen und die Preise für Kamerasensoren laufend sinken. Diese seien daher bestens für Fahrerassistenzsysteme wie Teslas Autopilot und vollautonome Systeme geeignet, so seine Argumente.

Bei der Markteinführung des iPhone 12 und des iPad Pro war der US-Technologiekonzern Apple das erste Unternehmen, das mobile Endgeräte mit der LiDAR-Technologie ausstattete. Auch das iPhone 13 Pro und Pro Max und das iPhone 14 Pro und Pro Max verfügen über diese Sensoren. Die Technik ist mittlerweile auch für Handynutzer mit Android-Technik verfügbar.

Auf den iPhones ab der 12-Serie ist eine Maßband-App mit LiDAR-Technik bereits vorinstalliert. Auf der Applikation mit der Funktion einer Kamera erscheint ein Punkt in einem Kreis. Tippt man auf das Plus darunter, ist der Punkt, auf den das Handy zielt, gesetzt. Sobald man das mobile Gerät von dem virtuellen Punkt entfernt, wird diese Entfernung auf die man sich begibt, am Smartphone angezeigt (siehe Screenshot unten). So lassen sich leicht alles vermessen, von Bilder oder Möbel bis zur Größe der Kinder.

Wie bei der Maßband-App von Apple ist auch für den digitalen Grundriss eine entsprechende App nötig, wie etwa "Magicplan". Apple bietet dafür die App "RoomScan Pro LiDAR floor plans". Solche Apps ermöglichen eine exakte 3D-Visualisierung von Innenräumen. Der LiDAR-Sensor ist für die Raumabtastung optimiert und misst den Abstand zu umliegenden Objekten in einer Entfernung von wenigen Metern. Die Software erkennt und klassifiziert die Objekte mit künstlicher Intelligenz und fügt diese automatisch zu einem Grundriss zusammen. Die künstliche Intelligenz erkannt dazu Böden und Wände und kann eine räumliche Szene realistisch erfassen. Die für das menschliche Auge unsichtbaren Strahlen reichen bei diesen Handyfunktionen bis zu fünf Meter.

LiDAR bietet den Nutzern eine bessere Kamerafunktion. Handys, die mit der Technik ausgestattet sind, können bei schlechten Lichtverhältnissen auf den LiDAR-­Sensor zurückgreifen und schneller scharf. Der LiDAR-Scanner fokussiert das Objekt und erfasst es gleichzeitig. Auf diese Weise reagiert beispielsweise der Autofocus von iPhones, die mit der Technik ausgestattet sind, laut Hersteller bei Szenen mit wenig Licht sechs Mal schneller als ohne einen integrierten Laserscanner.

LiDAR verbessert auch die Möglichkeiten von Augmented Reality (AR) und hat damit virtuellen räumlichen Erlebnissen einen kräftigen Innovationsschub verliehen. Denn die Apps für die Augmented Reality (AR) arbeiten so genauer und erkennen beispielsweise schneller, ob ein Gegenstand einen anderen verdeckt. So schweben beim Gaming virtuelle Monster nicht in der Luft, sondern wirken als stünden sie auf dem Boden. Gamer können so ihr Wohnzimmer in eine AR-Version von Videospielen verwandeln – oder es kann für 3D-Pläne von Innenräumen verwenden werden.

Ob LiDAR die Technik sein wird, die die Kommunikation zwischen Mensch und Maschine dominiert, wenn es um die Erkennung der Umgebung geht, ist dennoch nicht unumstößlich. „Lidar wird in der Zukunft nur noch eine Nische darstellen“, behauptet etwa Matthias Feulner von NXP in einem Interview mit automotiveit.eu. Er sieht wie Magna, was autonomes Fahren betrifft, für 4D-Imaging-Radare die große Zukunft.