03.05.2022

Wide-Angle-LiDAR | Fahrzeugumfelderkennung mit LiDAR Newsroom | Projektportraits | Romy Zschiedrich

Mit LiDAR LiDAR (Light Detection and Ranging) ist ein laserbasiertes Verfahren, um Abstände und Geschwindigkeiten zu erfassen. LiDAR-Systeme messen die Zeit, die das von einem Laser ausgesendete Licht benötigt, um von einem Objekt reflektiert und mit Hilfe eines Sensors detektiert zu werden.  -Systemen wollen die Automobilhersteller das teilautonome und das autonome Fahren Autonomes Fahren bezeichnet das selbstständige, zielgerichtete Fahren eines Fahrzeugs ohne das Eingreifen eines menschlichen Fahrers. Das Fahrzeug bewegt sich durch ein Zusammenspiel aus Sensoren, Aktoren und Mikroprozessorsystemen, die sowohl einzeln als auch gemeinsam zuverlässig und vertrauenswürdig arbeiten müssen, damit die Sicherheit der Insassen gewährleistet werden kann. Benötigte Technologien hierbei sind Videokameras, Radarsensoren, LiDAR-Sensoren und GPS-Systeme.   vorantreiben. Grundlage ist die 3D-Objekterkennung mithilfe der LiDAR-Technik. Die Messdaten bilden beispielsweise die Grundlage dafür, dass sich ein autonomes Fahrzeug sicher in seiner Umgebung fortbewegen kann. Für die Pilot- und Testphase sind derzeit eine Vielzahl solcher Sensoren notwendig, wie beispielsweise Robotertaxen, die allerdings für den Massenmarkt weder preis- noch massentauglich sind. Unter dem Dach der FMD startete im Juli 2019 ein Proof-of-Concept-Projekt für ein hochauflösendes Weitwinkel-LiDAR-System. Beteiligt waren das MEMS-Start-up OQmented sowie drei FMD-Institute Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS und das Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT. Das Projekt wurde im Rahmen des FMD-Space zur Unterstützung von Hochtechnologie-Start-ups umgesetzt und sollte die Leistungsfähigkeit des weltweit ersten 180°-MEMS-Scanners nachweisen.


OQmented hatte die Projektierung inne und verantwortete die Systemintegration der aus den Instituten beigesteuerten Komponenten.

Das FBH hat wellenlängenstabilisierte Puls-Laser mit geringen Bandbreiten und besonders hohen Spitzenleistungen sowie die Impulsansteuerelektronik entwickelt und diese Pulslaserquellen mit geeigneter Strahlformung und mit geeigneter Ansteuerung beigesteuert.

Das Fraunhofer IMS hat SPAD-Arrays mit 192 x 2 Pixeln entwickelt und diese zusammen mit Vorverarbeitungs-Elektronik und geeigneten Datenschnittstellen beigesteuert.

Das Fraunhofer ISIT hat MEMS-Scanner mit besonders großen Scanwinkeln entwickelt und produziert, welche exklusiv von OQmented kommerzialisiert und weiterentwickelt wurden.


In den letzten Jahren konzentrierte man sich darauf, große Entfernungen zu detektieren. Die Reichweiten überschritten dabei 250 m und mehr. Dabei wurde der allerdings wichtige kurze bis mittlere Entfernungsbereich eines Fahrzeugs vernachlässigt, welcher einen besonders großen Mehrwert für die Verkehrssicherheit darstellt. Hier kommen derzeit Kamera- und Radar-Systeme zum Einsatz, welche allerdings verschiedene Nachteile mit sich bringen. Dazu gehört beispielsweise eine zu geringe Auflösung und mangelnde Nachtsichtfähigkeit. So sind etwa Wildwechsel, Rechtsabbiegesituationen mit totem Winkel zu anderen Verkehrsteilnehmern und komplexe Kreuzungssituationen in Innenstädten nur einige Fälle, bei denen Entfernungen von 25 bis 50 m in einer hochauflösenden Darstellung von besonderem Interesse ist. Das Lidar-System erkennt mit einem Field of View von 180° das nahe Umfeld bis 25 m und soll so die Sicherheit von autonomen oder teilautonomen Fahrzeugen erhöhen.

Im Kern besteht ein LiDAR LiDAR (Light Detection and Ranging) ist ein laserbasiertes Verfahren, um Abstände und Geschwindigkeiten zu erfassen. LiDAR-Systeme messen die Zeit, die das von einem Laser ausgesendete Licht benötigt, um von einem Objekt reflektiert und mit Hilfe eines Sensors detektiert zu werden.  -System aus einem Laser, einem Scanner und einer Fangoptik, welche jeweils über Elektronikkomponenten miteinander kommunizieren. Die meisten LiDAR-Systeme bestehen aus einer Vielzahl von Lasern und optoelektronischen Komponenten, diese sind komplex in der Fertigung, aufwendig in der Feinausrichtung für ein reibungsloses Zusammenspiel und in der Menge kostenintensiv. Zudem muss ein solches System zur Anwendung in der Serienfertigung eines Fahrzeugs entsprechend qualifiziert werden.


Der Projektansatz verfolgt eine radikale Reduktion der Gesamtkosten und Systemkomplexität und beschränkt sich auf jeweils eine Komponente, welche als Standardkomponenten eingebracht wurden. Somit ist keine Vorentwicklung zur Abstimmung des Zusammenspiels notwendig.

Erstmalig wurden folgende Komponenten miteinander kombiniert:

Mit einem Wert von 140° des horizontalen Field of View (FoV) lässt es sich über eine verbesserte Abbildungsoptik erhöhen. Vertikal lag das FoV bei 15° und es lässt sich durch eine optimierte Laserquelle ebenfalls verbessern. Entsprechend der genannten Komponenten kann die horizontale Auflösung von 0,5°, vertikal 0,25°, deutlich erhöht werden und ein Zielvorgabe von 0,1° erreichen. Die Reichweite liegt bei 25 m, welche durch ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnisses erhöht werden kann. Die Ergebnisse des Proof-of-Concept bieten eine solide Grundlage, um für den industriellen Einsatz übertragen zu werden. Außerdem lässt sich das Lidar-System weiterentwickeln. Die Ansatzpunkte für eine Go-to-Market-Strategie und somit eines erfolgreichen Projektergebnisses sind, das Gesamtsystem weiter zu miniaturisieren und die Framerate zu erhöhen.



Projekt Wide-Angle-LiDAR auf einen Blick

Projektlaufzeit

12 Monate

Projektziel

Zielsetzung der Kooperation ist der Aufbau eines gemeinsamen, im Wesentlichen von OQmented aufgebauten LIDAR LiDAR (Light Detection and Ranging) ist ein laserbasiertes Verfahren, um Abstände und Geschwindigkeiten zu erfassen. LiDAR-Systeme messen die Zeit, die das von einem Laser ausgesendete Licht benötigt, um von einem Objekt reflektiert und mit Hilfe eines Sensors detektiert zu werden.  -Demonstrators, der dazu dienen soll, die Puls-Laserquellen des Ferdinand-Braun-Instituts, die MEMS-Scanner-Bauelemente des Fraunhofer ISIT, die SPAD-Arrays des Fraunhofer IMS sowie die MEMS-Scanner-Controller und die Systemsoftware von OQmented zu kombinieren. Anschließend soll der Prototyp Interessenten aus Industrie und Wissenschaft vorgeführt werden.

Projektpartner

OQmented

Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik FBH

Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS

Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT

Projekterfolge

Gewinner des Plug and Play StartUp-Camps 2019

Anwendung

Sichere Abstandserkennung für den dauerhaften Einsatz im Bereich des (teil) autonomen Fahren Autonomes Fahren bezeichnet das selbstständige, zielgerichtete Fahren eines Fahrzeugs ohne das Eingreifen eines menschlichen Fahrers. Das Fahrzeug bewegt sich durch ein Zusammenspiel aus Sensoren, Aktoren und Mikroprozessorsystemen, die sowohl einzeln als auch gemeinsam zuverlässig und vertrauenswürdig arbeiten müssen, damit die Sicherheit der Insassen gewährleistet werden kann. Benötigte Technologien hierbei sind Videokameras, Radarsensoren, LiDAR-Sensoren und GPS-Systeme.  s durch 3D-Objekterkennung

Förderung

Das dieser Veröffentlichung zugrunde liegende Vorhaben wurde zum Teil mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter den Förderkennzeichen 16FMD01K, 16FMD02 und 16FMD03 gefördert.