Wenn ein Industriefahrzeug selbst fahren könnte, wie würde es die Welt um sich herum wahrnehmen? Wir Menschen benutzen unsere Augen, um Licht aufzunehmen und die Entfernung, Größe und Richtung von Objekten zu bestimmen.
Die am häufigsten verwendete Technologie hierfür ist ein 3D-Lasersensor, auch bekannt als LiDAR-Sensor.
Ein LiDAR-System besteht aus einem Laser, einem Empfänger und einem Prozessor.
Das LiDAR projiziert Lichtstrahlen in verschiedene Richtungen. Wenn ein Strahl auf die Oberfläche eines Objekts trifft, wird er zurückreflektiert und vom Empfänger aufgefangen.
Durch die Berechnung der Zeit, die das Licht für den Hin- und Rückweg benötigt, ermittelt der Prozessor die genaue Entfernung zum Objekt. Da die Lichtgeschwindigkeit konstant ist, lässt sich so die Entfernung sehr genau bestimmen. Dieses Prinzip wird als Zeit des Fluges (TOF).
Die wichtigsten technischen Eigenschaften eines LiDAR-Sensors sind Reichweite, Auflösung und Genauigkeit.
Die wichtigsten Faktoren, die dies beeinflussen, sind die Anzahl der Laserkanäle, die Signalverarbeitung und die Effizienz des Sende-/Empfangsmoduls.
Anhand des Winkels, auf den der Laser gerichtet ist, und der Entfernungsmessung können wir die Position des Objekts berechnen.
Im Laufe der Zeit entsteht so eine Sammlung von Millionen von Datenpunkten, die zusammen ein detailliertes 3D-Bild der Umgebung ergeben: ein so genanntes Punktwolke. Um sicheres autonomes Fahren in komplexen Verkehrssituationen zu ermöglichen, muss es Punktwolke mindestens 10 Mal pro Sekunde aktualisiert werden.
Die Art und Weise, wie ein LiDAR-Sensor eine Punktwolke erzeugt, hängt stark von der Art des verwendeten Sensors ab.
Die LiDAR-Technologie ist in verschiedenen Versionen erhältlich, jede mit einzigartigen Merkmalen und Anwendungsbereichen. Die Wahl eines bestimmten Sensortyps hängt von Faktoren wie dem gewünschten Sichtfeld, der Auflösung, dem Erfassungsbereich, der Robustheit und den Kosten ab.
Sensoren ohne bewegliche Teile, kompakter und zuverlässiger, aber mit Einschränkungen bei Reichweite und Sichtwinkel. Ein Festkörper-LiDAR hat keine beweglichen Teile und benötigt daher viele Laserkanäle, um die gleiche Leistung wie mechanische Varianten zu erbringen. Die vielen Laserkanäle machen die Herstellung eines Solid-State-LiDAR derzeit sehr kostspielig.
Der derzeit am häufigsten verwendete LiDAR-Sensortyp ist immer noch ein mechanisch rotierender LiDAR. Das sind Sensoren mit beweglichen Teilen.
Die Laserkanäle sind in einem Array vertikal ausgerichtet. Ein Motor dreht die mechanische Drehplattform, auf der das Laserarray montiert ist, um ein Sichtfeld von 360° (horizontal) zu erreichen.
Aufgrund der begrenzten Anzahl von Vertikallasern ist die Dichte der Punktwolke mit zunehmender Entfernung abnimmt. Die horizontale Auflösung gewährleistet auch, dass die Punktwolke in der horizontalen Ebene in Bezug auf die Dichte nimmt mit zunehmender Entfernung ab. Um die Auflösung und den Erfassungsbereich zu erhöhen, können Sie weitere Sende-/Empfangsmodule hinzufügen und so die Anzahl der Laserkanäle erhöhen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Motor langsamer laufen zu lassen. Dies erhöht die horizontale Auflösung.
Die herkömmliche Herstellung eines mechanischen LiDAR-Sensors ist ein komplexer und zeitaufwändiger Fertigungsprozess. Dies führt dazu, dass mechanische LiDARS oft sehr groß und relativ teuer in der Anschaffung sind.
Eine Alternative zum mechanischen LiDAR ist das Halbleiter-Hybrid LiDAR, das mit zwei Spiegeln arbeitet, die sich innerhalb eines begrenzten Winkels drehen. Diese Kombination aus festen Komponenten und begrenzter mechanischer Bewegung - in Form von rotierenden Spiegeln - bietet ein gutes Gleichgewicht zwischen Leistung und Kosteneffizienz....
Das Herzstück dieses hybriden LiDARs besteht aus einem rotierenden Polygonspiegel und einem schwingenden Spiegel. Der Polygonspiegel sorgt für die horizontale Abtastung, während der Schwenkspiegel die Strahlen vertikal umlenkt.
Ein Laser kann zum Beispiel ein Abtastmuster erzeugen, das dem von a Mechanisches LiDAR mit mehreren Lasern.
Um ein vollständiges Bild mit einem einzigen Laser zu scannen, ist eine extrem hohe Geschwindigkeit erforderlich. Während sich ein mechanisches LiDAR 10 oder 20 Mal pro Sekunde dreht, muss sich der Spiegel eines ASIC-basierten Ein-Laser-LiDARs Hunderte bis Tausende Male pro Sekunde drehen.
Für Anwendungen in autonomen Fahrzeugen, Drohnen und stationären Sicherheitslösungen benötigt ein LiDAR-Sensor ein großes Sichtfeld (Sichtfeld, FoV) abdecken. Das FoV bezieht sich auf den horizontalen und vertikalen Betrachtungswinkel, innerhalb dessen das LiDAR seine Laserimpulse aussendet und zurückempfängt.
Je weniger bewegliche Teile in einen Sensor integriert sind, desto länger könnte theoretisch die Lebensdauer des Sensors sein. Das liegt daran, dass mechanische Teile immer einem Verschleiß unterliegen, der die Lebensdauer des Sensors stärker einschränkt als die Lebensdauer der elektronischen Komponenten.
Bild: DiePandar 128ist ein mechanisches LiDAR, bei dem die Sender- und Empfängermodule auf einer rotierenden Plattform integriert sind.
Bei einem herkömmlichen mechanischen LiDAR, bei dem die Sender- und Empfängermodule auf einer rotierenden Plattform integriert sind, ist dies sicherlich der Fall. Hier ist die Lebensdauer im Allgemeinen durch den Motor und die Lager begrenzt, die die Plattform in Position und in Drehung halten. Darüber hinaus ist die Herstellung einer solchen rotierenden Plattform sehr komplex. Die Konstruktion muss perfekt ausgewuchtet sein, um die Reibung an Motor und Lagerwelle zu verringern. Dies ist wichtig, um zu verhindern, dass sich die Wärmeentwicklung und der Verschleiß dieser mechanischen Teile drastisch auf die Lebensdauer des Sensors auswirken. Bei der Konstruktion von Laserarrays mit Sende- und Empfangsdioden ist die genaue Ausrichtung der Dioden ein besonders komplexer und weitgehend manueller Teil des Herstellungsprozesses, was ihn kostspielig macht.
Eine ideale Lösung wäre ein LiDAR-Sensor ohne bewegliche Teile. Mit anderen Worten, ein Festkörper-LiDAR-Sensor. Der Nachteil dabei ist, dass ein Festkörper-LiDAR-Sensor auch seine Grenzen hat. Insbesondere sind die Elektronik und die Optik eines Festkörper-LiDAR-Sensors komplexer als die eines mechanischen LiDAR-Sensors, so dass die Produktionskosten für einen Festkörper-LiDAR relativ hoch sind. Eine weitere Einschränkung besteht darin, dass ein Festkörper-LiDAR oft einen begrenzten Öffnungswinkel und einen kleineren Erfassungsbereich als ein mechanischer LiDAR hat. Dies liegt vor allem daran, dass das Sendemodul ein Chip ist, auf dem eine Matrix aus sehr kleinen Laserdioden integriert ist.
Aufgrund ihrer Größe und optischen Leistung haben diese Laserdioden eine geringere Reichweite als die einzelnen (größeren) Laserdioden, die in einem mechanischen LiDAR gestapelt sind.
Bild: Festkörper-LiDAR FTX
Es gibt dann zwei Möglichkeiten, den Sensor weiter auszubauen. Bei hybriden Festkörpersensoren, die einen großen Erfassungsbereich, aber kein 360°-Sichtfeld benötigen, werden die vom Sender-ASIC ausgesandten Laserpulse mit Hilfe von zwei rotierenden Spiegeln in den Raum gelenkt, und die Reflexionen kehren ebenfalls mit Hilfe der beiden Spiegel zum Empfänger-ASIC zurück.
Bild oben: ASIC
Dies ist eine sehr robuste und relativ einfache Konstruktion, da nur zwei kleine Spiegel als bewegliche Teile im Inneren des Sensors vorhanden sind. Dies vereinfacht die Konstruktion und die Mechanik des Sensors, was der Produktion zugute kommt. Diese Art des Aufbaus des LiDAR-Sensors bedeutet, dass diese Art von Sensor relativ kostengünstig hergestellt werden kann, ohne dass die Leistung darunter leidet.
Bild: dieOT128ist eine neue Generation mechanischer Lidars, die auf innovativer ASIC-Technologie basiert.
Mechanische LiDAR-Sensoren mit 360°-Sichtfeld, die auch die innovativen Sender- und Empfänger-ASICs von hybriden Solid-State-LiDAR-Sensoren verwenden, sind stark im Kommen. Die ASICs sind auf der rotierenden Plattform integriert, wie wir sie von traditionellen mechanischen LiDAR-Sensoren kennen. Auch hier besteht der Vorteil darin, dass der Zusammenbau, die Konstruktion und die Herstellung der rotierenden Plattform wesentlich weniger komplex geworden sind. Außerdem können durch den Einsatz von ASICs die Größe und das Gewicht der Drehplattform drastisch reduziert werden. Dies wirkt sich wiederum positiv auf die Belastung der Lager und des Motors aus, die die Plattform tragen und drehen müssen. Das Ergebnis ist ein kleinerer LiDAR-Sensor, der die gleiche Leistung wie ein herkömmliches mechanisches LiDAR bietet, aber zu drastisch niedrigeren Kosten.
Innovative ASICs vereinen das Beste aus beiden Welten. Derzeit ist die beste LiDAR-Lösung in vielen Situationen ein ASIC-basierter hybrider Festkörper- oder mechanischer LiDAR-Sensor.
3D-LiDAR-Sensoren gehören zu den wichtigsten Innovationen auf dem Sensormarkt der letzten Jahrzehnte. Die Entwicklungen auf dem LiDAR-Markt sind rasant: Sie werden immer besser, kompakter und erschwinglicher. Es ist daher nur eine Frage der Zeit, bis sie in immer größerem Umfang in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz kommen werden.
Die Vielseitigkeit von LiDAR-Sensoren macht sie breit einsetzbar. In vielen Fällen können sie bereits jetzt die Funktionen eines oder mehrerer herkömmlicher Sensoren mit einem einzigen Sensor übernehmen. In einigen Situationen ist es sogar schon jetzt möglich, auf einen LiDAR-Sensor umzusteigen, da sie die Effizienz und Leistung einer Maschine oder Anwendung erheblich verbessern können. Gleichzeitig können die Kosten und die Komplexität dieser Systeme reduziert und vereinfacht werden.
ET25
40° Vertikal
200 m Reichweite
105,2° Vertikal
20 m Reichweite
Das Prinzip von Lidar ist einfach. LiDAR (Light Detection and Ranging) ist eine Technologie, die Laserimpulse zur Messung von Entfernung, Größe und Richtung von Objekten verwendet. Dieses Verfahren ermöglicht genaue 3D-Karten der Umgebung.
Ein LiDAR-System besteht aus einem Laser, einem Empfänger und einem Prozessor.
Beim Time-of-Flight-Prinzip wird die Entfernung zu einem Objekt bestimmt, indem gemessen wird, wie lange es dauert, bis die von einem Sender ausgesandten Lichtimpulse von einem Empfänger reflektiert und empfangen werden. Die Zeit zwischen Aussendung und Empfang der reflektierten Photonen gibt Aufschluss über die Entfernung zum Objekt. Auf diese Weise lässt sich die Entfernung zu einem Objekt sehr genau bestimmen.
Eine Punktwolke ist eine Sammlung von Millionen von Datenpunkten, die von einem LiDAR-Sensor erzeugt werden. Diese Punkte stellen die 3D-Struktur der Umgebung dar und werden mehrmals pro Sekunde aktualisiert, um ein dynamisches und detailliertes Bild zu erstellen.
Ein Solid-State-LiDAR hat keine beweglichen Teile. Die Laserdioden und Empfänger sind auf einem Chip (ASIC) integriert, was die Zuverlässigkeit erhöht und den Verschleiß verringert. Diese Sensoren sind kompakter, haben aber oft einen kleineren Öffnungswinkel und Erfassungsbereich.
Ein hybrides Festkörper-LiDAR kombiniert feste Komponenten mit begrenzter mechanischer Bewegung, wie z. B. rotierenden Spiegeln. Dies bietet ein gutes Gleichgewicht zwischen Leistung, Kosteneffizienz und Haltbarkeit. Sie basieren häufig auf ASIC-Technologie und bieten ein breites Sichtfeld und eine hohe Auflösung.
Der derzeit am weitesten verbreitete LiDAR-Sensor ist immer noch die mechanisch rotierende Variante. Hier sind die Laserkanäle vertikal in einem Array angeordnet, das auf einer rotierenden Plattform montiert ist. Ein Motor dreht diese Plattform, wodurch ein horizontales Sichtfeld von 360° entsteht. Die herkömmliche Herstellung von mechanischen LiDAR-Systemen ist komplex und zeitaufwändig, was zu relativ großen Abmessungen und einem höheren Anschaffungspreis führt.
Ja, LiDAR-Sensoren sind vielseitig und können oft einen oder mehrere herkömmliche Sensoren ersetzen. Sie verbessern die Effizienz und Leistung der Maschine und können die Systemkomplexität verringern.
LiDAR wird eingesetzt in:
LiDAR ist ideal für:
Defekte LiDARs werden in der Regel je nach Typ und Garantiebedingungen ersetzt oder repariert. Bei Festkörper- und Hybrid-Varianten ist die Wahrscheinlichkeit eines mechanischen Defekts geringer, da es nur wenige bewegliche Teile gibt.
LiDAR ist dank der hohen Auflösung, der genauen Entfernungsmessung und der schnellen Aktualisierung der Punktwolke sehr zuverlässig. Hybrid- und Solid-State-Varianten sind besonders robust in komplexen und dynamischen Umgebungen.
Ja. Festkörper- und Hybrid-LiDARs sind wartungsarm, da es keine oder nur wenige bewegliche Teile gibt. Mechanische LiDARs sind aufgrund der Abnutzung von Motoren und Lagern wartungsintensiver.
Die Kosten variieren je nach Typ und Anwendung. Solid-State-LiDARs sind zwar in der Herstellung teurer, bieten aber eine längere Lebensdauer und geringere Wartungskosten. Dank höherer Effizienz und besserer Leistung können sie sich bei industriellen Anwendungen schnell bezahlt machen.
