TRENDS » Perspektiven
TRENDS » Perspektiven Expertengespräch: LiDAR ist Schlüsseltechnologie für viele sensorbasierte Anwendungen „LiDAR-Sensoren bieten präzise räumliche Wahrnehmung“ IM ÜBERBLICK Expertengespräch: LiDAR ist Schlüsseltechnologie für Beim Thema LiDAR (Light detection and ranging) denkt man zuerst an Automotive-Anwendungen. Doch die bereits in den 1960er Jahren für Applikationen in viele sensorbasierte Anwendungen. der Luft- und Raumfahrt entwickelte Technologie hat mehr zu bieten. Im Trendinterview der KEM Konstruktion erläutern Experten, die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten der berührungslosen Erfassung durch Laser in der industriellen Welt und welche Vorteile LiDAR im Vergleich zu anderen Sensortechnologien bietet. »Interview: Johannes Gillar, stellvertretender Chefredakteur KEM Konstruktion KEM Konstruktion: Wie funktioniert LiDAR-Technologie? Dr. Florian Baumann (Dell): LiDAR-Systeme senden Laserimpulse aus, die von Objekten in der Umgebung reflektiert werden. Sie fangen das zurückgestreute Licht auf und berechnen aus der Laufzeit vom Senden bis zum Empfangen die Strecke, die das Licht zurückgelegt hat, sprich: die Entfernung zu dem reflektierenden Objekt. Da LiDAR auch die Intensität der Reflexion erfasst, kann ein sehr genaues Abbild der Umgebung erstellt werden. Christoph Galle (Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland/FMD): 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. Die hierbei entstehenden Punktwolken werden im Anschluss ausgewertet, um Objekte positionsgenau zu erkennen, zu vermessen und anschließend auf Software- Ebene auszuwerten und zu kategorisieren. Im Ergebnis entsteht ein dreidimensionales Abbild der gescannten Umgebung, das Navigationsaufgaben im Kontext des autonomen Fahrens oder eine sichere Mensch-Roboter-Kollaboration im Kontext von hochautomatisierten Fertigungsumgebungen ermöglicht. Dr. Florian Baumann, CTO AI & Automotive bei Dell Technologies in Deutschland »LiDAR-Systeme senden Laserimpulse aus, die von Objekten in der Umgebung reflektiert werden. Sie fangen das zurückgestreute Licht auf und berechnen aus der Laufzeit vom Senden bis zum Em pfangen die Strecke, die das Licht zurückgelegt hat.« Bild: David Klein/Konradin Mediengruppe Dr. Jun Pei (Cepton): LiDAR nutzt drei wesentliche Funktionen. „Transmission“ bezieht sich darauf, wie LiDAR das Licht in die Umgebung sendet. Wenn das Licht auf Objekte fällt, wird ein Teil davon zurück zur Quelle reflektiert. „Detektion“ bezieht sich darauf, wie LiDAR das zurückreflektierte Lichtsignal detektiert. Da die Lichtgeschwindigkeit bekannt ist, können wir durch die Messung der Zeit zwischen der Aussendung des Lichts von der Quelle und der Detektion durch den Empfänger die 3D-Entfernung („Range“) des Objekts zum Lidar genau messen. Lidarsensoren erfassen Daten nicht nur von einer einzelnen Punktquelle und einem Detektor, sondern decken mit verschiedenen Techniken ein 2D-Sichtfeld („Field of View/FOV“) ab, was als „Bildgebung“ bezeichnet wird. Dr. Florian Petit (Blickfeld): LiDAR-Sensoren senden Lichtpulse aus, die von umliegenden Objekten reflektiert und vom Sensor anschließend wieder aufgefangen wird. Mit Hilfe der Zeit, die das Licht benötigt, um vom Sensor wieder detektiert zu werden und der bekannten Lichtgeschwindigkeit kann so sehr präzise errechnet werden, in welcher Entfernung zum Sensor sich das Objekt befindet. Indem dieser Vorgang millionenfach pro Sekunde wiederholt wird, wird das gesamte Sichtfeld in einer detaillierten 3D-Karte, der so genannten Punktwolke, erfasst. 18 KEM Konstruktion » 07/08 | 2021
Bild: vrx123/stock.adobe.com Die LiDAR-Technologie wird meist mit Automotive-Anwendungen assoziiert. Doch die Anwendungsmöglichkeiten in der industriellen Welt sind vielfältig. So kommen LiDAR-Sensoren zum Beispiel in Fahrerlosen Transportsystemen oder autonomen Trucks zur Kollisionsvermeidung (Bild) zum Einsatz. Bild: Cepton Dr. Jun Pei, der CEO von Cepton Technologies Thomas Tzscheetzsch (Analog Devices): Einfach gesprochen: Ein Laserstrahl wird ausgesendet und die Zeit gemessen, bis eine Reflektion des Ursprungstrahls erkannt wird. Aus dem Winkel der gemessenen Reflektion und der Laufzeit kann die Entfernung und die Position ermittelt werden. Harald Weber (Sick): Einen Laser zu verwenden bedeutet, das Messobjekt aktiv zu beleuchten. Durch die aktive Beleuchtung ist der Sensor unabhängig von externen Lichtquellen und kann bei Nacht, unter Tage, in Tunneln etc. mit der gleichen Effi- zienz verwendet werden, wie bei Einsätzen im Außenbereich oder bei künstlichem Licht. Die Fokussierung von Sendelasern ermöglicht im 2D- und 3D-Bereich feine Auflösungen, um Objekte in großer Entfernung »LiDAR-Sensoren erfassen Daten nicht nur von einer einzelnen Punktquelle und einem Detektor, sondern decken mit verschiedenen Techniken ein 2D-Sichtfeld („Field of View/FOV“) ab, was als „Bildgebung“ bezeichnet wird.« oder mit feinen Strukturen abzutasten. Zum Messen mit Lasern als Sendequelle gehört die Verwendung eines entsprechend geeigneten Empfangselements. Sender und Empfänger, sowie die Auswerteeinheit mit einer hohen zeitlichen Auflösung, bilden das Herzstück des LiDAR-Sensors. Die nachfolgenden elektronischen Schaltungen sind für die Verwendung der gewonnenen Messdaten relevant. Hier fließen Daten zur mechanischen Ausrichtung der Sende- und Empfangseinheiten und der hinsichtlich der Anwendung des Sensors relevanten leistungstechnischen Abstimmung zusammen. Ein berührungsloses Messverfahren erfordert, dass das Messobjekt entsprechend dem Messprinzip des Sensors physikalisch erfassbar ist. Bei der Verwendung von Laser bedeutet dies ein störungsfreies Strahlen des Lasers zum und vom Objekt in der direkten „line of sight“. Dabei besteht ein großer Vorteil der berührungslosen Lasermessung darin, dass sie bei nahezu jeder Art der Beschaffenheit des Messobjekts funktioniert. KEM Konstruktion: Welche LiDAR- Verfahren gibt es? Baumann (Dell Technologies): Man unterscheidet grundsätzlich zwei Arten von LiDAR-Sensoren. Scanning LiDAR lenkt die Lasersignale mittels einer beweglichen Ablenkoptik über die zu erfassende Umgebung. Das Sichtfeld ist sehr groß, aber da mechanische Komponenten zum Einsatz kommen, verschleißen die Systeme mit der Zeit und sind auch etwas größer und kos- KEM Konstruktion » 07/08 | 2021 19
