Ein etwas anderer Zeitstrahl

Ziehen Nebelschwaden auf oder setzt starker Regen ein, kommen aktuelle LiDAR-Systeme schnell an ihre Grenzen. Die Sicht verschwimmt im wahrsten Sinne des Wortes und eine sehr teure Technologie wird hilflos. Nicht mehr lange! Mit Draper und RoboSense haben sich zwei Unternehmen an die beiden größten Baustellen gemacht.

Rund um die autonome Mobilität gibt es noch einige Baustellen, an denen ge­forscht und gearbeitet werden muss. Da-runter fällt beispielsweise die Fähigkeit, Hindernisse auch unter schweren Bedingungen wie Nebel und Starkregen zu erkennen. Nicht zu vergessen: In der nächsten Etappe müssen LiDAR-Sensoren (Light Detection and Range) erst einmal günstig genug werden, um als Technologie großflächig „einsatzfähig“ beziehungsweise en masse produziert werden zu können.

Wichtig ist bei den erschwerten Sichtverhältnissen vor allem, dass die Technik dazu in der Lage sein muss, zwischen anderen Pkw und Fußgängern oder Radfahrern zu unterscheiden. Das US-Unternehmen DRAPER stellte im Juli 2018 einen LiDAR-basierten Sensor vor, von dem Automobilhersteller zu Recht signifikante Fortschritte erwarten. Aktuell liegt der Fokus der Forschung unter der Projektleitung von Dr. Joseph Hollmann auf zwei Aspekten: Die Reichweite der Laserstrahlen sowie die Qualität der Bildübermittlung unter erschwerten Bedingungen. Dabei funktioniert LiDAR nach einem denkbar einfachen Prinzip – das Laserlicht wird ausgestrahlt, erreicht das Zielobjekt, wird von dort auf die Umgebung des Ausgangspunkts reflektiert. Die Zeit, die der Strahl hierfür benötigt, gibt Aufschluss über die Distanz des Objekts, das als Reflektionsoberfläche dient.

Der erstbeste “Gegenstand” reflektiert den Laser

Das Problem bei Schneefall, Regen oder Nebel ist, dass die Bahn des Laserstrahls verfälscht wird und so nicht die korrekten Informationen übermittelt werden – zumeist entstehen so Bilder, die ausschließlich eine Art Rauschen zeigen. Hemera, wie das Draper-Team den Sensor genannt hat, erkannte bei Tests einen Gegenstand, der auf den Kühlergrill eines Jeep Renegade montiert wurde.

Die besondere Herausforderung dabei war, dass das LiDAR-System nicht einfach das erste Objekt aufzeichnen muss, auf das der Strahl trifft, sondern sozusagen durch den Regen oder Schneefall hindurch mehrere Ebenen tiefer in die Situation auf der Straße eintauchen muss. Daraus ergeben sich im Anschluss Bilder, die gerade bei Wettereinflüssen wesentlich mehr der Realität entsprechen, als die Technik es bisher ermöglichte.

Würde es bei dieser Entwicklungsstufe bleiben, hieße das natürlich, dass jeder Pkw oder Lkw mit einem bestimmten Gegenstand an der Front ausgerüstet werden müsste, um von den Laserstrahlen „erkannt“ und über die Software hinter der Bilderkennung als solcher eingeordnet zu werden. Ein ganz offensichtlich nicht besonders praktikables Vorgehen – ganz abgesehen davon, dass echte Fahrsituationen mit mehreren beteiligten Pkw, Fahrrädern und Co deutlich komplexer sind als das Testszenario von Draper. Ge­rade deswegen wird es spannend sein, die Weiterentwicklungen bei Draper und deren Konkurrenz zu beobachten – denn andere Jungunternehmen haben vor allem die hohen Kosten ins Auge gefasst.

Kostenreduktion für die Massentauglichkeit

Traditionelles, mechanisches LiDAR ist sehr teuer. Das 64-Linien-Produkt, das derzeit in der Regel verkauft wird, kostet offiziell 80.000 Dollar. RoboSense, ein im Jahr 2014 gegründetes Unternehmen und der weltweit führende Anbieter von umweltbewussten LiDAR-Lösungen, will ein leistungsfähigeres, sichereres, zuverlässigeres und kostengünstigeres LiDAR-System für autonome Fahrzeuge bieten. „LiDAR braucht eine Selbstrevolution. Der Markt benötigt ein Auto-Produkt, das in der Masse von Zehntausenden und Hunderttausenden hergestellt werden kann“, sagte Mark Qiu, RoboSense Co-Founder. Sein Versuch, den Markt auf Vordermann zu bringen: Das RS-IPLS (Intelligent Perception LiDAR-System), den Informationen des Unternehmens nach die erste auf Hardware- und Softwarealgorithmen basierende Lösung für eine vergleichsweise sehr günstige Massenproduktion von LiDAR-Systemen.

Das RS-IPLS soll ein leistungsstarkes autonomes Antriebssystem sein, das eine Echtzeit-Datenvorverarbeitung und eine, dem menschlichen Auge sehr ähnliche, „Gaze“-Funktion bietet: Wenn das Sichtfeld ein Ziel von Interesse wahrnimmt, leitet der RS-IPLS einen Bearbeitungsmechanismus ein, der das Ziel sofort für die Verarbeitung fixiert, um die klarsten und verlässlichsten Daten über die Umwelt zu erhalten. Weitere Features wären unter anderem sichereres Fahren dank eines AI-fähigen Algorithmus. Der wurde speziell für autonomes Fahren entwickelt, verbessert die Erkennung von Entfernung, Ge­nauigkeit und Opazität des Zielobjekts und verstärkt die Sicherheit des selbstfahrenden Fahrzeugs mit weniger Re­chenleistung.

Außerdem kombiniert das Produkt eine Farbpunktwolke mit 3D-Bemaßung mit RGB-Informationen, um zweidimensionale Farbinformationen sofort auf 3D-Hochpräzisionsdaten zu erfassen. Dabei werden nach der Zeit- und Raumsynchronisation Farbpunktwolkendaten bereitgestellt, sodass RS-IPLS weitere Details von Straßenobjekten erkennt. Unverzichtbar wird zukünftig die Bereitstellung der Informationen in Echtzeit sein, damit beispielsweise bei Hindernissen im Straßenverkehr umgehend reagiert werden kann: Der intelligente Erkennungsalgorithmus „erarbeitet“ dabei derart verfeinerte In­formationen über das Ziel in seinem Fo­kus, die Erkennung der Umwelt in Echtzeit ohne Verzögerung ermöglichen.

Je nach Geschwindigkeit des autonomen Fahrzeugs ist die Distanz zu anderen Verkehrsteilnehmern et cetera ein extrem wichtiger Faktor: Umfangreiche dreidimensionale räumliche und farbliche Informationen (X, Y, Z, R, G, B) reduzieren die Zeitverzögerung zusätzlich, erhöhen die Wahrnehmung bei gleichzeitig größeren Entfernungen.

LiDAR-Forschung in München

Auch hierzulande wird an der Kostenfrage weiter geforscht, beispielsweise beim jungen Unternehmen Blickfeld in München, das 2017 gegründet wurde. Nicht nur, weil das derzeit leistungsfähigste LiDAR für den Automobilbereich noch rund 80.000 Euro kostet, sondern auch, weil die Technologie an sich noch bei weitem nicht perfektioniert wurde. Die aktuelle LiDAR-Generation arbeitet mit rotierenden Spiegeln, um die Strahlen aus mehreren Lasern über die Umgebung zu lenken. „Diese Mechanik ist empfindlich und nicht ideal für die typischen Belastungen im Auto geeignet. Die Lösung – nicht nur für dieses Problem – sind Solid-State-LiDAR-Sensoren, denn sie kommen ohne mechanisch bewegliche Bauteile aus und sind daher deutlich langlebiger“, erklärt Dr. Mathias Müller, Gründungsmitglied von Blickfeld und ergänzt: „Herzstück unseres neuen Solid-State-LiDARs in Siliziumbauweise ist eine mehrfach patentierte Laserablenkeinheit, die den Strahl mittels Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) steuert.“ Dank MEMS reicht eine Laserquelle aus, wo andere LiDAR Hersteller 64 benötigen.

Blickfeld-Gründer Dr. Florian Petit and Dr. Mathias Müller und Rolf Wojtech

Besonders wichtig ist, dass diese Einheit ähnlich skaliert – also standardisiert in hoher Stückzahl – wie ein Computerchip hergestellt werden kann. Das heißt nichts anderes, als dass günstige Standardbauteile entwickelt wurden und sich damit der Gesamtpreis des LiDAR auf wenige hundert Euro reduzierte – ein Meilenstein. Als sogenanntes Front-Facing-System, wie es auch bei Draper im Experiment montiert war, haben die Sensoren eine Reichweite von bis zu 200 Metern und können in Kombination mit weiteren „Seiten LiDAR“ einen Radius von rund 80 Metern vollständig abbilden.

Der Markt ist reif für diese Technologien – für den Automotive-Markt wird bis zum Jahr 2020 ein Wachstum um 1,8 Milliarden Dollar prognostiziert und bis zum Jahr 2030 sogar 35,7 Milliarden – natürlich weltweit. Daher wird es sehr spannend sein zu beobachten, welches Unternehmen sich welchen Marktanteil erobern kann!

Der absolute Knackpunkt aber sind die Kosten! Der Massenproduktionspreis des RS-IPLS von RoboSens beträgt lediglich 200 US-Dollar, also etwa ein Vierhunderstel des aktuell herkömmlichen 64-Linien-LiDAR, mit einer um mehrere tausend oder sogar zehntausend höheren Reaktionsgeschwin­digkeit.