Automatisierte Fahrszene auf einer Brücke

Zu den Stärken von Lidar zählt das Generieren hochauflösender 3D-Informationen in Echtzeit. (Bild: Continental)

Je umfassender und verlässlicher ein autonomes Fahrzeug die Umgebung erkennen soll, umso wichtiger werden Anzahl und Anordnung von Sensoren. Light Detection and Ranging, kurz: Lidar, ist besonders stark bei der Generierung hochauflösender 3D-Informationen in Echtzeit. Anders als Radarsysteme erfassen Lidar-Sensoren ihre Umwelt allein mit Hilfe von Licht - durch einen Fotosensor. Das optische System berechnet, wie lange es dauert, bis ein Laserstrahl auf ein Objekt trifft und zurückreflektiert wird. Anhand dieser Messungen wird eine 3D-Karte der Fahrzeugumgebung erstellt. Aktuell gibt es zwei Verfahren, Time of Flight (TOF) beziehungsweise Laufzeitmessung sowie Frequency-Modulated Continuous Wave (FMCW), welches über Frequenzmodulation funktioniert. Die Lidar-Technologie bietet bei der Umfelderkennung hohe Reichweiten und eine sehr hohe Auflösung. Etabliert haben sich Solid-State-Lösungen mit 200 bis 300 Metern Reichweite.

Autonomes Fahren auf Level 3 und höher werde ohne Lidar nicht funktionieren, meint Joachim Mathes, CTO der Geschäftseinheit Comfort & Driving Assistance bei Valeo im Interview mit automotiveIT. Wolle man über SAE-Level 3 hinaus, müsse man die Systeme technisch völlig anderes auslegen. Für die Stufen 4 und 5 würden Anbieter auf mehr als einen Lidar-Sensor oder andere Systeme setzen, ergänzt der Softwareexperte Intellias. Dies sei notwendig, um das erforderliche Sichtfeld wie auch die Redundanz zu schaffen. Neue Entwicklungen beim Radar stellen Lidar jedoch auf den Prüfstand: Denn auch 4D Imaging Radar kann die Umgebung detailliert erfassen, indem es Objekte detektiert, separiert und anschließend klassifiziert. "Radar ist einerseits die deutlich robustere, andererseits aber auch kosteneffizientere Lösung", erläutert Matthias Feulner, ADAS-Experte von NXP gegenüber automotiveIT. Feulner sieht die Use Cases für Lidar daher schrumpfen.

Lidar erhält Schub bei Präzision und Reichweite

Ungeachtet dessen macht die Lidar-Technik Fortschritte und namhafte Player melden Vollzug bei besserer Performance sowie geringerer Komplexität und Kosten. Zulieferer Valeo etwa, der als einer der ersten die Systeme im Premiumsegment in Serie liefert, meldete kurz vor Ende des vergangenen Jahres einen Technologieschub in Form seines Generation 3-Lidars. Dem Unternehmen zufolge werde der Lidar-Markt bis 2030 auf über 50 Milliarden US-Dollar wachsen. Das neue System soll einzigartige Werte in Bezug auf Reichweite, Auflösung sowie Frame Rate bieten und ein 3D-Echtzeitbild der Fahrzeugumgebung mit 4,5 Millionen Pixeln und 25 Bildern pro Sekunde rekonstruieren.

Im Vergleich zur vorherigen Generation wurde die Auflösung um das zwölffache, die Reichweite um das dreifache und der Blickwinkel um das 2,5-fache vergrößert. Das System erfasse und klassifiziere alle Objekte in der Umgebung des Autos, auch bei schlechten Licht- und Sichtverhältnissen, so Valeo. Ein Highlight sei das Tracken von Fahrzeugen in der Umgebung, selbst wenn diese sich nicht mehr im Sichtfeld des Fahrers befinden. Dazu nutze es Algorithmen, um deren weitere Bewegungen zu antizipieren und gegebenenfalls Sicherheitsmanöver auszulösen. Laut Geoffrey Bouquot, Senior Vice-President R&D and Strategy bei Valeo, soll das System 2024 auf den Markt kommen.

Während der Vorgänger Scala 2 etwa in der S-Klasse von Mercedes-Benz das SAE-Level 3 ermöglicht, soll der Scala 3 sdie Erfolgsgeschichte der ersten beiden Generationen fortschreiben. Mit Blick auf die beiden Technologien erkenne Valeo zudem die Möglichkeiten der FMCW-Technologie, allerdings sie sei noch nicht ausgereift genug für die Serienproduktion von Fahrzeugen, heißt es seitens des Zulieferers. Daher verwende Scala 3 noch die TOF-Technologie.

Opsys will Lidar-Technologie revolutionieren

Weniger Kosten und mehr Robustheit verspricht eine Lidar-Technik, die ohne Mechanik für das Schwenken auskommt. Diese gilt als komplex. Das sogenannte elektronische Strahlschwenken biete das Potenzial, das Für und Wider von Lidar neu zu definieren, betont das Tech-Unternehmen Opsys aus Israel, das diese Technik jüngst auf der CES 2022 präsentierte. Die patentierte Scanning-Microflash-Technologie soll Opsys zufolge Vorteile wie Kosteneffizienz und Robustheit des Solid-State Flash-Lidar mit der überlegeneren Reichweite und Auflösung von mechanisch-schwingenden oder oszillierenden Spiegeln verbinden.

Man erreiche die vierfache Reichweite eines Flash-Lidars und übertreffe gleichzeitig dessen Auflösung und Scan-Rate, so das Unternehmen. Das System soll Objekte zehnmal schneller und mit viel größerer Reichweite als Flash-Lidar messen und um den Faktor 30 schneller als ein mechanischer Sweep oder mikro-elektronische Spiegel (MEMs) arbeiten. Der Einsatz der patentierten Flash-Technologie durch Apple im neuen iPhone 12 bietet Opsys zufolge große Skaleneffekte. Anfang des Jahres wurden demnach mehrere Verträge abgeschlossen, um in den nächsten zwei bis drei Jahren Lidar-Systeme für Serienfahrzeuge zu liefern. Sie wurden allesamt mit in Asien ansässigen Zulieferern getroffen, unter anderem mit SL Corp. Das Unternehmen wolle eine neue Produktlinie auf den Markt bringen, die Lidar in das Sensor- beziehungsweise Beleuchtungsmodul integriert.

905 nm-Lidar ist die etablierte Lösung

Den Massenmarkt bereits bis 2023 mit Lidar zu beliefern, kündigte kürzlich Cepton an. Konkret geht es dabei um den kantenemittierenden 905-nm-Laser von ams Osram. Der insbesondere für die Augen sichere Betrieb - bei einer Wellenlänge von 905 nm - soll in Kombination mit der proprietären MMT (Micro Motion Technology)-Bildgebungsplattform das richtige Gleichgewicht zwischen Leistung, Kosten und Zuverlässigkeit bieten. ams Osram hat neben kantenemittierenden Lasern (Edge Emitting Laser, EEL) auch oberflächenemittierende Laser (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL) im Portfolio.

Die Wellenlänge von 905 nm ist heute die am häufigsten verwendete in Lidar-Lösungen. Gegenüber 1.550 nm-Lösungen besteht Osram zufolge einer der Vorteile vor allem in den Systemgesamtkosten. Das Produkt verfügt über eine Mehrfachlasertechnologie mit drei epitaktisch hergestellten Emittern, die übereinandergestapelt sind. Der Laser kann bei Temperaturen von bis zu 125 Grad Celsius betrieben werden. ams Osram teilt nur so viel mit, dass Cepton den Auftrag für die Lidar-Großserienproduktion von einem Automobilhersteller mit Sitz in Detroit erhalten hat.

LiDAR-Sensoren von Cepton
Mit seinen Lidar-Sensoren will Cepton den Massenmarkt befeuern. Gängig bei Lidar ist eine Wellenlänge von 905 nm. (Bild: Cepton)

Bei Lidar ist Software das Zünglein an der Waage

Da sich die Hardware im Lidar-Umfeld immer weniger unterscheide, spiele Software und Integration eine zunehmende Rolle, hört man vom Softwareentwicklungspartner Intellias. Erst im Dezember verkündete Continental eine Minderheitsbeteiligung am Softwareexperten Apex.Ai, mit dem die Hannoveraner bereits seit 2020 zusammenarbeiten. Mithilfe des bereits zertifizierten Meta-Betriebssystems Apex.OS werden man die Entwicklungszyklen von neuen Mobilitätsfunktionen vor allem für das automatisierte und autonome Fahren im Einklang mit höchsten Sicherheitsstandards signifikant verkürzen, so Continental.

Im Januar zeigte das Unternehmen mit dem sogenannten HRL 131 einen auf einem mikroelektromechanischen System (MEMS) basierenden adaptiven Lidar. Dieser adressiert assistiertes und automatisiertes Fahren auf SAE-Level 3 und 4. Der Sensor sei für die schwierigsten, dynamischen Umgebungen beim automatisierten Fahren ausgelegt – von Hochgeschwindigkeitsszenarien auf Autobahnen bis hin zu dicht befahrenen Straßen im urbanen Raum. HRL 131 ist dem Zulieferer zufolge der weltweit erste hochauflösende Festkörper-Lidar mit hoher Reichweite (300 Meter), der für den Automobilmarkt in Serie produziert wird. 2024 will man mit der Fertigung beginnen. Wie Continental mitteilt, umfasst das Lidar-Portfolio Sensoren für den Nah- und den Fernbereich, die mit dem TOF-Verfahren arbeiten. Der Nahbereichs-Lidar-Sensor (HFL 110 – Solid-State 3D Flash Lidar), wird bereits bei einem Premiumhersteller serienmäßig verwendet.

Punktewolke des Fernbereichs-LiDAR HRL 131 von Continental
Die hohe Auflösung des Fernbereichs-Lidar hilft die Klassifizierung von Objekten zu verbessern. (Bild: Continental)

Falcon-Lidar geht im NIO ET7 in Serie

Still und leise „unter dem Radar“ habe man in den letzten fünf Jahren entwickelt, sagt Erich Smidt, Managing Director der Innovusion Europe und Vice President EMEIA von Innovusion, einem 2016 gegründeten Unternehmen, das den Lidar Falcon im Portfolio hat. Ihr TOF-System haben die Entwickler bewusst mit dem Raubvogel betitelt, da es sich hierbei um ein System mit bis zu 500 Meter Reichweite handelt. Falcon ist ein nach vorne gerichtetes, polygonbasiertes Scan-Lidar, das eine 3D-Punktwolke seiner Umgebung erzeugt. Smidt spricht von eine Auflösung von 1.500 konfigurierbaren Abtastlinien pro Sekunde, wodurch die 3D-Punktwolke wie ein Bild erscheine. Die Kombination aus großer Entfernung und hoher Auflösung soll es autonomen Fahrzeugen ermöglichen, ihre Umgebung mit größerer Klarheit zu sehen als mit jedem anderen derzeit auf dem Automobilmarkt erhältlichen Lidar. Dies gelinge Falcon durch den Einsatz eines sogenannten ROI-Systems (Region of Interest).

Das Elektrofahrzteug Nio ET7 geht in diesem Sinne mit Falcon an den Start. Wie Erich Smidt im Interview mit automotiveIT erläutert, setzt Innovusion dabei auf die 1.550 nm-Technik. Gemeinsam mit dem Beherrschen der Fertigung großer Stückzahlen in Automotive-Qualität sieht man sich auf einem guten Kurs, weitere Bedürfnisse der Branche im Reigen der Sensorik für autonome Fahrzeuge zufriedenzustellen, sagt der Experte. Auf die zunehmenden Fortschritte in der Radartechnologie angesprochen, lobt Smidt diese Entwicklungen. Gleichwohl seien die Fortschritte auf dem Feld der Lidar-Technologie ebenso bedeutend. Autohersteller wollen ihm zufolge schlicht eine Kamera, einen Lidar und einen Radar im Verbund. Einer der Hauptgründe dafür sei, dass jede Technologie über eine andere Frequenz verfüge. Smidt betont: "Diese Kombination bietet sich alleine schon aus Gründen der Risikominimierung an. Ich gehe davon aus, dass wir diesen Dreiklang in den kommenden zehn, womöglich sogar 20 Jahren sehen werden."

Innovusion Lidar Falcon
Mit Falcon will Innovusion einen guten Kompromiss zwischen Auflösung, Reichweite und FoV (Field of View) bieten. Das System kann Objekte in Entfernungen von bis zu 500 Metern erkennen. (Bild: Innovusion)

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