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Photonics News 85

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Auf dem Weg zum selbstfahrenden Auto

Mein Auto und wie es die Welt sieht


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In Science-Fiction-Welten gehören selbstfahrende Autos schon fast zur Standardausstattung. Im „wirklichen Leben“ sind wir gerade dabei, mit der Phantasie der Autoren gleichzuziehen. Schon heute scheint es, als ob jedes Jahr ein neues Assistenzsystem hinzukäme. Schon in Mittelklassewagen sind inzwischen Spurhalte-, Abstands- oder Einparkassistenten verfügbar. Bei höherpreisigen Modellen fährt das Auto zumindest im Stop-and-Go schon nahezu selbst. Zeit genug für Pendler, im täglichen Morgenstau noch ein kleines Nickerchen einzulegen? Ganz so weit ist die Technik noch nicht, doch unter den Automobilherstellern herrscht ein harter Wettbewerb auf dem Weg zum autonomen Fahren.

Wann auch immer die automobile Zukunft beginnen wird: Ein entscheidender Schritt dorthin ist die sogenannte Fahrzeugumfeldsensorik, denn um selbstständig durch den Verkehr zu steuern, muss das Fahrzeug seine Umgebung jederzeit im Blick haben. Viele der Lösungen werden schon heute in den Assistenzsystemen eingesetzt. Dabei herrscht eine erstaunliche technologische Vielfalt, denn jedes dieser Messprinzipien hat seine Vor- und Nachteile. Die Bandbreite reicht von elektromagnetischen, über akustische bis hin zu zahlreichen verschiedenen optischen Systemen. Als Außenstehender kann man da schon mal den Überblick verlieren.

Fledermaus im Auto?

Ortung durch Ultraschall kennt man schon aus der Natur. Das bekannteste Beispiel sind die Fledermäuse. Sie senden Ultraschallwellen aus und können anhand des reflektierten Echos Beutetiere und Hindernisse erkennen. Ihre maximale Reichweite liegt bei etwa 12 Metern. Nach demselben Prinzip funktionieren auch die in Autos eingesetzten Ultraschallsensoren. Das Problem: Auch die künstlich erzeugten Schallwellen haben eine vergleichsweise geringe Reichweite, lassen sich also nur im Nahbereich einsetzen. Die bekannteste Anwendung sind die Abstandsmesser bei Einparkhilfen.

Schon in den frühen Achtziger-Jahren kamen die ersten Modelle mit diesem Assistenzsystem auf den Markt. Inzwischen wird Ultraschall-Technologie nicht nur am Heck des Autos eingesetzt, sondern auch bei Totwinkel-Sensoren, oder um bei geringen Geschwindigkeiten den Abstand zum Vordermann zu messen. Neben der geringen Reichweite müssen sich Ingenieure bei der Entwicklung ultraschallbasierter Assistenzsysteme auch mit externen Störfaktoren auseinandersetzen.

Die hydraulischen Bremsen von Lkws und Bussen erzeugen zum Beispiel ebenfalls Ultraschallwellen und können so bei Sensoren in der näheren Umgebung ein akustisches Durcheinander verursachen.

Auto mit Augen

Am nächsten an der menschlichen Wahrnehmung sind wahrscheinlich Kamerasysteme. Eine im Auto installierte Kamera nimmt während der Fahrt kontinuierlich die Umgebung des Fahrzeugs auf. Eine Software interpretiert die Daten. Sie erkennt zum Beispiel Kanten, die auf andere Fahrzeuge oder Fahrspurbegrenzungen hindeuten. Da die Auflösung der Kameras kontinuierlich zunimmt, können auch immer mehr Details ausgewertet werden. So kann das System nicht nur Hindernisse erkennen, sondern auch Verkehrszeichen oder Ampeln. Diese Informationen helfen, Unfälle zu vermeiden und tragen zur Orientierung bei, denn die Kamera erkennt auch Details, die auf den digitalen Karten gängiger Navigationssysteme nicht verzeichnet sind.

Zwei Hauptprobleme von kameragestützten Systemen sind die fehlende Dreidimensionalität und der eingeschränkte Blickwinkel. Eine einzelne Kamera reduziert die dreidimensionale Welt auf zwei Dimensionen. Gerade in einem Umfeld wie dem Straßenverkehr, wo viel Bewegung herrscht, kann das zur Fehlinterpretation von Daten führen.

Ein Mensch weiß intuitiv, dass Gegenstände, die näher kommen, größer erscheinen. Diese Zusammenhänge muss ein Computer erst lernen. Es könnte ja genauso sein, dass ein Gegenstand bei gleichbleibender Entfernung immer größer wird. Außerdem ist das Blickfeld der Kamera eingeschränkt. Während andere Systeme mit breiten Sensorkeulen die Welt abtasten, kann sie immer nur nach vorne blicken. Ein Fußgänger, der plötzlich auf die Fahrbahn läuft, wird oft erst kurz vor dem Zusammenstoß erkannt. Beide Nachteile lassen sich durch den gleichzeitigen Einsatz mehrerer Kameras – eventuell mit unterschiedlichen Brennweiten – beheben.

RaDAR oder LiDAR?

RaDAR und LiDAR haben nicht zufällig ähnliche „Namen“. Beide dienen der Erkennung und Abstandsmessung (Detection And Ranging); sie basieren wie die Ultraschallortung auf der Analyse von reflektierten Wellen – nur sind es im einen Fall Funkwellen (RAdio Waves) und im anderen Fall Lichtwellen. Daraus ergeben sich einige Unterschiede, die für den Einsatz bei Kfz-Sensoren entscheidend sind:

Radar: Bei der Umfelderkennung werden meist frequenzmodulierte Dauerstrichradars eingesetzt, bei denen die Frequenz der elektromagnetischen Welle ständig rampenförmig moduliert wird. Mit Hilfe des Dopplereffekts lassen sich aus der Laufzeit der Welle und dem Frequenzunterschied der reflektierten Welle Abstand und Geschwindigkeit eines Objekts ermitteln. Um dessen Position bestimmen zu können, werden mehrere Antennen halbmondförmig angeordnet. Allerdings sind die Keulen der einzelnen Antennen vergleichsweise breit, sodass es zu Überschneidungen kommt. Es entsteht der Eindruck, als würde das Objekt zwischen den einzelnen Sensoren hin- und herspringen.
Radar liefert keine Informationen über Größe oder Form eines Objekts.

LiDAR: Bei LiDAR Messungen werden in einer Sekunde mehrere Tausend Laserimpulse ausgesendet. Jeder dauert nur wenige Nanosekunden. Am Laufzeitunterschied zwischen ausgehendem Signal und ankommender Reflexion (ToF – Time of Flight) lässt sich die Entfernung zum Hindernis ermitteln. Da Impulslaserdioden ihre Strahlen im Abstand von wenigen Nanosekunden aussenden und bekanntlich nichts schneller ist als das Licht, liefert LiDAR in kürzester Zeit zuverlässige Informationen.

Verglichen mit anderen Systemen ist das Abtastfeld einer einzelnen Sender-Empfänger-Einheit jedoch beschränkt. Um größere Flächen zu überwachen, werden Sensorarrays verwendet. Das Fraunhofer Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS hat vor kurzem sogar einen Chip entwickelt, der LiDAR-Messungen ohne bewegliche Elemente erlaubt. Bei diesem sogenannten Flash LiDAR errechnet ein Computer aus den Messpunkten ein detailliertes dreidimensionales Bild der Umgebung.

Das LiDAR-Verfahren arbeitet also erheblich schneller als das Radar-Verfahren und liefert eine größere Menge an präziseren Daten. Es hat allerdings einen entscheidenden Nachteil: Das Licht wird auch von der Feuchtigkeit in der Luft reflektiert. Bei schlechtem Wetter – vor allem bei Nebel – liegt die Dämpfung pro Kilometer erheblich über der eines Radars.

Daher werden lichtgestützte Systeme meist im Nahbereich eingesetzt, wo sie auch bei widrigen Bedingungen ihre Vorteile ausspielen können. Für größere Entfernungen setzen die Autobauer dagegen auf Long-Range Radars im Frequenzbereich von 77 GHz.

Gemeinsam stark

Beim automatisierten – oder später autonomen – Fahren darf nichts dem Zufall überlassen bleiben. Während ein Mensch aus seinem Erfahrungsschatz zehren und intuitiv auf Situationen reagieren kann, muss ein Computer ständig neu entscheiden. Dafür braucht er so viele Daten wie möglich. Dazu kann jedes Sensorsystem mit seinen spezifischen Vor- und Nachteilen beitragen. Es gibt zwar Prototypen, die nur mit Kameras oder ausschließlich mit LiDAR ausgestattet sind, die meisten Automobilhersteller setzen aber auf Lösungen, bei denen mehrere der oben genannten Technologien gleichzeitig zum Einsatz kommen. So können sie die Stärken jedes Verfahrens optimal nutzen und von Synergie-Effekten profitieren.


Sender und Empfänger aus einer Hand

LiDAR-Systeme sollen zuverlässig, klein und kostengünstig sein. Für die Hersteller von laserbasierten Messgeräten und optoelektronischen Bauteilen bedeutet das eine große Herausforderung.

LASER COMPONENTS fertigt in seinen ISO-zertifizierten Produktionsstätten alle Komponenten für leistungsstarke und zukunftsweisende LiDAR-Lösungen:
Impulslaserdioden mit ultrakurzen Pulsen sorgen für eine bessere Auflösung bei der Abstandsmessung. Im Zusammenspiel mit hochempfindlichen Avalanche Photodioden (APDs) werden selbst kleinste Signale erkannt.

Ergänzend besteht mit dem Fraunhofer Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS eine Kooperation für 1- und 2-dimensionale CMOS-SPAD-Arrays. Die Forscher aus Duisburg steuern neue Sensortechnologien bei.


Datenblatt:

Weitere Produktinformationen:
Avalanche Photodioden
Impulslaserdioden

Hersteller:
Laser Components Canada, Inc.

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Ansprechpartner:    Winfried Reeb
Firma:    Laser Components GmbH
Adresse:    Werner-von-Siemens-Str. 15
PLZ / Ort:    82140 Olching
Telefon:    +49 (0) 8142 2864-42
Fax:    +49 (0) 8142 2864-11
E-Mail:    w.reeb@lasercomponents.com
 

Darstellung Auto-Sensorik


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