Die Orientierung im Raum und der Abstand zu statischen und bewegten Objekten ist eine wichtige Voraussetzung für die kollisionsfreie Bewegung autonomer Maschinen. Dabei hängt es vom Anwendungsfall und den äußeren Umständen ab, welche Sensoren in welcher Anzahl dafür notwendig sind. Handelt es sich zum Beispiel nur um die Kollisionsvermeidung bei einem langsam fahrenden Fahrzeug auf einem abgesperrten Gelände, so reicht für diese Aufgabe vermutlich eine preiswerte Kamera mit entsprechender Software zur Hinderniserkennung. Autonome Fahrzeuge im Stadtverkehr können ohne eine Vielzahl von rund um die Karosserie angebrachten Sensoren keine Straßenzulassung erlangen. Dabei muss das Sensorpaket bestehend aus mehreren Kamera-, Radar- und Lidar-Sensoren den Nahbereich lückenlos durchleuchten, um beim Anfahren zum Beispiel keinen Hund zu gefährden, der dicht vor das stehende Fahrzeug gelaufen ist. Zugleich muss die Umfelderfassung bei Autobahngeschwindigkeit Hindernisse in einer Entfernung von zweihundert Metern und mehr zuverlässig erkennen können.
Schlechte Sensorik ist Sicherheitsrisiko
Eine schlechte Sensorik an autonomen Fahrzeugen stellt nicht nur ein Sicherheitsrisiko dar. Durch abrupte Manöver wird der Komfort der Passagiere an Bord empfindlich beeinträchtigt. Auch bei passagierlosen Plattformen, beispielsweise für den Gütertransport, sind schnelle Eingriffe mit hohen Kräften unerwünscht, da sie zu höherem Verschleiß und damit zu höheren Kosten führen. Mit steigenden Anforderungen an die Umfelderfassung sollten nicht einfach nur mehr Sensoren verbaut werden. Vielmehr empfiehlt es sich, Sensoren mit verschiedenen physikalischen Messprinzipien zu verbauen. Je nach Umgebungsbedingungen und Aufgabenstellung können verschiedene Sensoren ihre individuellen Stärken ausspielen und Schwächen ihrer Kollegen ausgleichen. Kameras waren die ersten Sensoren, die an Serienfahrzeugen als Rückfahrkameras in den frühen Neunzigern verbaut wurden. Sie sind mit ihrem Farbsehen bestens geeignet für eine Segmentierung der Umwelt sowie die Objekterkennung und -klassifizierung. Allerdings sind sie als passiver Sensor auf Fremdlicht angewiesen und haben bei schnellen Lichtwechseln beispielsweise bei Tunnelein- und -ausfahrten oder bei Gegenlicht Probleme. Die Entfernung von Objekten kann nur über deren bekannte Größe ermittelt werden. Zudem ist es schwierig mit einer Kamera, eine reale Person von einem lebensgroßen Bild einer Person zu unterscheiden.
Lidar-Sensoren erstellen 3D-Punktewolke
Radarsensoren, die ihre Umwelt mit Mikrowellen abtasten, fanden mit der Adaptive Cruise Control (ACC) Ende der Neunziger Jahre den Einzug in Premiumfahrzeuge. Inzwischen wurde der aktive Sensor soweit optimiert, dass er auch im Volumenmarkt angekommen ist. Ein Radarsensor nutzt die Phasenverschiebung zwischen ausgesendeter und empfangener Welle, die von einem bewegten Objekt verursacht wird. Damit lassen sich Abstand und Geschwindigkeit gut ermitteln. Allerdings stellt die Winkelauflösung eine Herausforderung dar, um beispielsweise unterscheiden zu können, ob sich das entfernt vorausfahrende Fahrzeug auf der eigenen oder der Nachbarspur befindet. Die dritte Sensorkategorie verwendet Laserstrahlen zur exakten Abstandsmessung. Mit dem DARPA-Wettbewerb für autonome Off-Road-Fahrzeuge im Jahre 2007 wurde die Leistungsfähigkeit von Lidar anschaulich demonstriert. Zehn Jahre später findet sich der erste Lidar-Sensor in einem Serienfahrzeug. Lidar-Sensoren verfügen allgemein über eine gute bis sehr gute Winkelauflösung und können den Abstand von Objekten direkt aus der Laufzeit eines Laserlichtpulses ermitteln. Damit stellen Sie eine wichtige Säule in der Sensorkonfiguration für autonome Maschinen dar. Aktuelle Lidar-Sensoren erstellen je nach Art und Aufbau eine 3D-Punktewolke, die Objekte in ihrer räumlichen Ausdehnung abbildet. Feste Körper erscheinen dabei mit ihrer Hülle auf der dem Sensor zugewandten Seite. Auf der Rückseite breitet sich dagegen ein Schatten aus. Lichtdurchlässige Strukturen wie Baumkronen werden in ihrer gesamten Ausprägung in allen drei Dimensionen erfasst. Schwachpunkt bei Lidar-Sensoren ist die fehlende Farbinformation. Für eine zuverlässige Objektklassifizierung ist in jedem Falle die Fusion mit Kameradaten notwendig. Erste Lidar-Systeme für den Einsatz an bewegten Maschinen und Fahrzeugen tasteten die Umgebung zeilenmäßig per Rotation ab. Damit konnte ein Sensor auf dem Dach montiert die kompletten 360 Grad rundherum erfassen. Für eine ansprechende Integration in die Fahrzeughülle ist dieser Lidar-Typ allerdings weniger geeignet. Aktuelle Entwicklungen zielen auf einen Erfassungsbereich ähnlich einer Kamera ab. Ein typisches Sichtfeld eines Lidar-Sensors liegt bei 120 Grad horizontal und 25 Grad vertikal sowie einer Reichweite von 200 Metern. Bei größeren Reichweiten für Anwendungen in einem höheren Geschwindigkeitsbereich verwendet man ein kleineres Sichtfeld und eine höhere Auflösung. Für automotive Anwendungen können diese Lidar-Sensoren in die Frontschweinwerfer, Rückleuchten und hinter die Windschutzscheibe integriert werden. Dafür ist jedoch neben einer kleinen Bauform auch ein geringer Leistungsverbrauch notwendig, um Temperaturprobleme ohne aktive Kühlung zu vermeiden.
Micro-Motion-Technologie für kompakte Sensoren
Die von Cepton Tech entwickelte Micro-Motion-Technologie verzichtet vollständig auf Rotation und verwendet keinerlei Spiegel. Damit können kompakte Lidar-Sensoren mit bewährten 905 nm Laserelementen hergestellt werden, die sich elegant in das Fahrzeug oder in die autonome Maschine integrieren lassen. Mit den Abstandsinformationen in der gleichmäßig dichten 3D-Punktwolke können Algorithmen zur Kollisionsvermeidung direkt Entscheidungen treffen und wesentliche Daten für die Sensorfusion beitragen. Lidar-Sensoren mit Micro-Motion-Technologie sind verfügbar und erfüllen alle Anforderungen für den Einsatz in autonomen Maschinen und Fahrzeugen. Baugröße, Stromverbrauch und Kosten sind keine Gründe mehr, auf die 3D-Umfelderfassung zu verzichten. Zudem wird die Palette an Lidar-Sensoren weiter ausgebaut und bietet für nahezu jede Anwendung den passenden Sensor. jg
Details zum Lidar-Sensor Sora P60 von Cepton (engl.):
hier.pro/AawO3
