LiDAR-Systeme und Automotive – Anforderungen an Sensoren

Dr. Marc Schillgalies, Februar 2019

Der Traum vom autonomen Fahren – Schritt für Schritt kommen Forschung und Industrie ihm näher. Elementarer Bestandteil eines Automobils, das immer weniger auf aktives Steuern eines Fahrers angewiesen ist, sind LiDAR-Systeme. Welche Funktionen solche Systeme heute schon übernehmen und welche Rolle speziell die Sensorik dabei spielt, fassen wir für Sie in diesem Blogpost zusammen.


Die LiDAR-Technik (Light Detection and Ranging) bildet die Basis effektiver Fahrerassistenzsysteme wie Adaptive Cruise Control, Kollisionswarnsystem, Spurwechselassistent und Toter-Winkel-Warner. LiDAR ist zwar mit dem Radar verwandt, nutzt aber Laserstrahlen statt Radiowellen, um Geschwindigkeiten und Abstände zu messen. In ihrer extrem hohen Winkel- und Abstandsauflösung stechen LiDAR-Systeme herkömmliche Radar- und Kamerasysteme aus. Mithilfe von Software kann ein sehr präzises Modell der Umgebung eines Fahrzeugs erstellt werden. Dieses umfasst nicht nur Verkehrsteilnehmer wie andere vierrädrige oder zweirädrige Fahrzeuge und Fußgänger, sondern gibt auch Auskunft über Fahrbahnmarkierungen, Verkehrszeichen und andere Verkehrseinrichtungen wie Schranken oder Lichtzeichenanlagen.

Ansprüche an LiDAR-Systeme

Welchen Anforderungen muss ein solches Messsystem im Rahmen von Automotive und Mobility genügen? Und welche Herausforderungen haben vor allem die eingesetzten Sensoren zu erfüllen?

  • Umgebungserfassung: Besonders Fahrzeuge, die mit hoher Geschwindigkeit unterwegs sind, brauchen ein extrem weites „Sichtfeld“, ein maximal vorausschauendes System und eine äußerst verlässliche, schnelle Erfassung.
  • Resistenz: Die verwendeten Sensoren müssen sich gegen diverse Umweltbedingungen behaupten und sämtlichen Wetterbedingungen sowie Windgeschwindigkeiten trotzen.
  • Konformität: Das elektronische System muss selbstverständlich den üblichen Branchenanforderungen entsprechen und die eingesetzten Sensoren müssen sich ins Gesamtkonstrukt der eingesetzten Sensorik einfügen.
  • Kosteneffizienz: Möglich ist viel, aber nicht alles ist in einem wirtschaftlich überschaubaren Rahmen machbar. Wer LiDAR-Systeme entwickelt, hält auch die Kosten im Blick und sucht nach einer 100 Prozent zuverlässigen und gleichzeitig kosteneffizienten Lösung.

Welches System erfüllt nun die Ansprüche an maximale Sicherheit und Belastbarkeit? Ein Langstrecken-LiDAR-System, das Objekte in bis zu 300 Metern Entfernung erfasst, ist die beste Laserwahl für Fahrzeuge mit hohen Geschwindigkeiten. Für die Umsetzung im Bereich Automotive bieten sich verschiedene Sensorlösungen an.

 

LIDAR Sensor

LiDAR-Kampagne

Wesentlich: Verlässliche Sensoren

Das Herzstück jedes LiDAR-Systems sind seine Sensoren. Jede Sensortechnologie hat ihre eigenen Vor- und Nachteile. Hier ein kompakter Überblick für Sie:

Silizium-PIN-Photodioden

Diese Detektoren auf Siliziumbasis setzen sich aus den drei namensgebenden Halbleitertypen zusammen: P-Typ, Intrinsic, N-Typ.

 

+ Sehr hoher Dynamikumfang; relativ günstig
- Hinken der guten Signal-Rausch-Performance nach, die moderne LiDAR-Systeme erfordern; nicht überragend schnell

Silizium-Photomultiplier (SiPM) und Einzelphoton-Avalanche-Dioden (SPAD)

Ursprünglich für Anwendungen im wissenschaftlichen und medizinischen Setting in kleinem Maßstab entwickelt, halten diese Detektoren langsam Einzug auch im Rahmen von LiDAR.

-  Gefahr der Übersteuerung; Ungünstiges Signal-Rausch-Verhältnis; sehr temperaturempfindlich

 

+ Gute Verstärkereigenschaft; sehr schnell; chipkompatibel mit CMOS

Indiumgalliumarsenid-Photodioden (InGaAs)

Eine Technologie, die ohne das übliche Silizium auskommt. InGaAs sind noch relativ neu in der Welt der LiDAR; gängig ist deren Einsatz im Bereich kleiner Glasfasernetze in der Telekommunikation.

+ Messung großer Entfernungen; großer Spektralbereich

- Temperaturempfindlich; komplexe und teure Herstellung

Avalanche-Photodioden (APD)

Im Rahmen industrieller und militärischer Technik zur Reife gebracht, sind APDs mittlerweile in den meisten Fahrzeugen an Bord, wenn es ums autonome Fahren geht.

+ Hohe Sensitivität; optimales Signal-Rausch-Verhältnis; schnell; günstig

- Nicht CMOS-Technik-kompatibel

So wählen Sie den besten Sensor

Kein Fahrerassistenzsystem kommt ohne LiDAR aus. In dieser Technik wiederum spielen Sensoren die versteckte Hauptrolle und machen autonomes Fahren erst denkbar. Ohne den Einsatz von Laserstrahlen wäre die Messung von Entfernung und Geschwindigkeiten von Objekten nicht gefahrlos möglich.

Wie finden Sie das optimale Sensorsystem für Ihren LiDAR-Anwendungsbereich? Wie steht es um die Erfahrung und die Qualifikationen eines Herstellers im Automotive-Bereich? Auf welche Supportleistungen können Sie bauen? Können die Detektoren individuell an Ihre Ansprüche und Bedürfnisse angepasst werden?

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Über diesen Blog

In diesem Blog schreiben wir über Anwendungen und aktuelle Themen aus der Sensorik.

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