Automotive LiDAR Technologie

 

Webinar

Automotive LIDAR Technologies

Fraunhofer IPMS

MEMS-Scanner

Maschinelle Wahrnehmung - Roboter lernen sehen mittels LiDAR

Um maschinelles Sehen in drei Dimensionen zu ermöglichen, entwickelt ein Forscherteam am Fraunhofer IPMS ein „scannendes Auge“. Das Institut arbeitet seit Jahren an so genannten MEMS-Scannerspiegeln, die zur gezielten Ablenkung von Licht für Anwendungen in der Industrie, in der Medizin und im alltäglichen Leben genutzt werden. Diese kompakten mikrooptischen Bauteile mit integriertem Antrieb sind äußerst robust und zuverlässig.

Mikrospiegel zur zweidimensionalen Lichtablenkung.
Mikrospiegel zur zweidimensionalen Lichtablenkung.

Um maschinelles Sehen in drei Dimensionen zu ermöglichen, entwickelt ein Forscherteam am Fraunhofer IPMS ein „scannendes Auge“. Das Institut arbeitet seit Jahren an so genannten MEMS-Scannerspiegeln, die zur gezielten Ablenkung von Licht für Anwendungen in der Industrie, in der Medizin und im alltäglichen Leben genutzt werden. Diese kompakten mikrooptischen Bauteile mit integriertem Antrieb sind äußerst robust und zuverlässig.

Maschinelles 3D-Sehen mit LIDAR

Am Ende eines Roboterarms verbaut kann ein Scannerspiegel dem Roboter zu jedem Zeitpunkt „bewusst“ machen, was in seiner Umgebung passiert, welche Arbeitsschritte er zu erledigen hat und wie die Qualität seiner Arbeit ist. Dieses Scannermodul ist für den Roboter eine Art Auge, welches in den drei Raumachsen hochauflösende Bilder aufnimmt. Das System lenkt und detektiert einen Laserstrahl in zwei Dimensionen und erfasst gleichzeitig die Tiefe als dritte Dimension durch Laufzeitmessung des Lichts zwischen Objekt und Detektor, auch bekannt als LiDAR (Light Detection and Ranging). Mit dieser Scantechnologie ausgerüstete Produktionsanlagen oder Fahrzeuge gewinnen ein verlässliches Verständnis ihrer Umgebung und ebnen so den Weg zu vollautonomen Systemen.

Erweiterte Maschinelle Wahrnehmung - 4D

Als Ausbaustufe des Systems können breitbandige Lichtquellen eingesetzt werden, um spektrale Information über feste, flüssige oder gasförmige Stoffe gewinnen zu können. Zusätzlich zur Laufzeitmessung wird mithilfe eines optischen Gitters auf dem Mikrospiegel die Reflektion wellenlängenabhängig gesteuert, was die spektrale Analyse unterschiedlicher Stoffe ermöglicht. Dieser Systemansatz findet nicht nur als Sicherheitsfeature bei Human-Machine Interface Verwendung, sondern kann auch zur Überwachung der Trinkwasserqualität, Qualitätsprüfung im Bereich der Pharmazie, Fernüberwachung von Produktionsanlagen oder als Leckageprüfung bei Pipelines eingesetzt werden. Hierdurch ermöglichen die Entwicklungen am Fraunhofer IPMS eine neue Art der Erfassung von Umfelddaten, so dass Anlagen sicherer betrieben werden, Prozesse stabiler und Personenkontakt mit gefährlichen Substanzen vermieden werden kann.

Vorteile des "Scannenden Auges"

  • Berührungslose Umfeldanalyse
  • Ultrahohe Auflösung
  • Extrem kompakt
  • Perfekt für mobile Anwendungen
  • Robust, zuverlässlich und wartungsfrei

Sinnesorgan fürs Auto - Forscherteam am Fraunhofer IPMS entwickelt scannendes Auge für autonomes Fahren

In autonomen Fahrzeugen ist der Mensch nur noch Mitfahrer. Das Auto steuert selbständig und erkennt Hindernisse und Gefahren. Damit das Fahrzeug seine Umwelt erkennen kann, ersetzen optische Sensoren das Auge des Fahrers. Ein Forscherteam am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden entwickelt Mikroscannerspiegel (MEMS-Scanner), die ihre Umgebung zuverlässig und störungsfrei wahrnehmen können und gleichzeitig klein und integrierbar sind. Die Vision eines sicheren autonomen Fahrens rückt damit in greifbare Nähe.

© shutterstock (temp-64GTX)
LiDAR-Technologie zum abstasten der Umgebung für das autonome Fahren.

Ein Auto fährt um die Ecke, auf dem Hintersitz schlafen die Passagiere. Der Fahrersitz ist leer. Als ein Fußgänger vor dem Fahrzeug überraschend die Straße überquert, bremst es automatisch.  
Ein Szenario, wie es bald auf unseren Straßen Wirklichkeit werden kann. In autonomen Fahrzeugen ist der Mensch nur noch Mitfahrer, das Auto steuert selbständig und erkennt Hindernisse und Gefahren. Damit das Fahrzeug seine Umwelt erkennen kann, kommen LiDAR- Sensoren zum Einsatz, die das Auge des Fahrers ersetzen. LiDAR bedeutet Light Detection and Ranging und ermöglicht die Entfernungsmessung zwischen Objekt und Fahrzeug. Das Prinzip beruht auf Lasersignalen, die in die Umgebung gesendet werden und  deren Reflexion analysiert wird.

Ein Forscherteam am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden entwickelte nun Mikroscannerspiegel (MEMS-Scanner), die alle Anforderungen für das autonome Fahren erfüllen können und gleichzeitig klein und integrierbar sind. Die Vision eines sicheren autonomen Fahrens rückt damit in greifbare Nähe . Das Forscherteam verfolgt dabei den Ansatz eines „scannenden Auges“, um digitales Sehen in drei Dimensionen zu ermöglichen. Ein Mikrospiegelmodul scannt die Umgebung indem der Spiegel das Licht eines Lasers in zwei Dimensionen verteilt. Die dritte Dimension des vom Objekt reflektierten Lichts wird anhand des Detektorsignals bestimmt. Dabei gibt es unterschiedliche Verfahren wie z.B. die Laufzeitmessung, codierte Pulse oder die Demodulation von FMCW-Signalen.

Aktuelle LiDAR-Systeme für das autonome Fahren beruhen auf großen rotierenden Spiegeln um eine Achse, die aufgrund ihrer Größe und ihres Gewichts schwer in Fahrzeuge integrierbar sind. Weitere Nachteile sind die hohen Herstellungskosten und die Anfälligkeit der rotierenden Teile gegenüber Vibrationen und Schock. Auf diese Weise entstehen Messungenauigkeiten, die im schlimmsten Fall zum Ausfall des Systems und Unfällen führen können. Alternativen sind sogenannte Solid State Lidar, die ohne beweglichen Teile auskommen und aufgrund ihrer geringen Größe integrierbar sind, allerdings können diese nur schwer Objekte in weiterer Entfernung erfassen. Für sicheres autonomes Fahren sind Erfassungsbereiche von wenigen Zentimetern bis zu mehreren hundert Metern notwendig.

„Das Besondere ist, dass die von uns entwickelten MEMS-Spiegel ihre Umgebung sicher in allen Reichweiten erfassen. Zudem sind sie so leicht und integrierbar, dass sie trotz ihrer Beweglichkeit durch Vibrationen im Automobil nicht beeinflusst werden und so ihre Umgebung ohne Messunschärfen detektieren“,  erklärt Dr. Grahmann, Forscher am Fraunhofer IPMS.  „Damit erfüllen Scannerspiegeldesigns des IPMS sowohl über mechanische Beweglichkeit als auch die Stabilität eines Solid State LiDAR. Auf diese Weise kann autonomes Fahren sicher umgesetzt werden.“ Da der vom IPMS entwickelte MEMS-Scanner aus einkristallinem Silizium hergestellt wird, ist er zudem äußerst robust, schockstabil und ermüdungsfrei. Kostengünstige Halbleiterherstellungsprozesse ermöglichen Skalierungseffekte bei der Herstellung. Die CMOS-Kompatibilität des Halbleiterchips ermöglichen außerdem eine hohe Integrationsfähigkeit in bestehende Systeme.

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