TRENDS » Perspektiven
TRENDS » Perspektiven Bild: Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) nennen. Auch findet LiDAR eine große Verbreitung im Bereich Mobility – als Teil autonomer Systeme im Straßenverkehr (zur Objektidentifikation – z.B. NightVision bei BMW). In der Industrie gibt es Anwendungen im Bereich Robotik – befindet sich eine Person oder ein Werkstück im Arbeitsbereich? – und im Bereich Automation zur Line-End-Kontrolle, wie z.B. bei Füllanlagen um die Füllhöhe, die Kapselposition oder Glasbruch zu erkennen. Nicht zu vergessen sind Anwendungen im Bereich Landwirtschaft – hier wird vermehrt auf automatisch fahrende Maschinen gesetzt – dazu muss die Ackerfläche genau bestimmt sein – auch hier spielt LiDAR eine Rolle. Christoph Galle, Programm-Manager, Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) Weber (Sick): Die Anwendungsmöglichkeiten der berührungslosen Erfassung durch Laser in der industriellen Welt sind vielfältig. Laserbasierte Messsensoren finden z. B. Verwendung in der Logistik, etwa bei Förderprozessen, bei der Erfassung von Verkehrsflüssen auf Straßen oder bei der Automatisierung von Be- und Entladevorgängen an Containern in Häfen. Ein weiteres wesentliches Anwendungsgebiet sind Anwendungen rund um die Personensicherheit an Maschinen und Lagen. So sorgen Sicherheitslaserscanner an Maschinen dafür, dass diese rechtzeitig vor Gefahr für Personen abgeschaltet werden. KEM Konstruktion: Welchen Anforderungen muss ein LiDAR-Messsystem im Rahmen von Automotive genügen? Baumann (Dell): Es muss klein, robust und günstig sein. Klein, damit es unsichtbar ins Design des Fahrzeugs integriert werden kann. Robust, um Umweltbedingungen wie Feuchtigkeit sowie hohen und niedrigen Temperaturen zu trotzen, aber auch um Vibrationen und Erschütterungen wegzustecken. Günstig, damit die Materialkosten bei der Produktion nicht zu sehr ansteigen. Funktional muss ein LiDAR für den Einsatz im Automotive-Bereich zudem ein großes Sichtfeld haben und möglichst weit vorausschauen können, und das auch bei hohen Geschwindigkeiten des Fahrzeugs. »LiDAR-Systeme werden ein zentraler Bestandteil der Fabrik der Zukunft sein. Nur mit smarten Messsystemen, die schnell Daten weiterverarbeiten und Bildgebung ermöglichen können, ist eine sicher und reibungslos automatisierte Fabrik denkbar.« Galle (FMD): Im Bereich Smart Mobility arbeiten wir z.B. an Themen wie Advanced Driver Assistance Systems, die Fahrende zusätzlich unterstützen und damit eine sicherere Fahrt ermöglichen können. Hierzu gehören u.a. automatische Bremsmanöver durch Abstandsmessungen auf der Straße. Durch die extrem hohen Sicherheitsanforderungen müssen hierfür im Regelfall mindestens zwei Sensorsysteme, wie LiDAR, Radar, Kamera oder Ultraschall, mit ihren spezifischen Vorteilen in bestimmten Lichtoder Wetterverhältnissen kombiniert werden. Zudem muss die Weiterverarbeitung der Scan-Daten schnell und sicher realisiert werden, um Unfälle zu vermeiden. Die aktuellen Systeme arbeiten in Verkehrssituationen mit geringer Komplexität bereits sehr sicher, haben jedoch in hochkomple- xen Verkehrssituationen noch Schwierigkeiten, da große Datenmengen in kurzer Zeit verarbeitet und transportiert werden müssen, um eine optimale Entscheidungsfindung zu ermöglichen. Pei (Cepton): Das ideale LiDAR-System für Fahrerassistenzsysteme und autonome Fahrzeuge muss die richtige Balance zwischen Leistung, Zuverlässigkeit und Kosten bieten. Für die Leistung sind eine hohe Auflösung und eine akzeptable Reichweite mit guter Sichtfeldabdeckung (FOV) entscheidend. Vom Standpunkt der Zuverlässigkeit aus betrachtet sind Automobilqualität sowie eine einfache Fertigung in hohen Stückzahlen erforderlich. Zudem müssen LiDAR-Sensoren preislich deutlich unter 1.000 $ liegen, damit sie auf dem Massenmarkt für Automobile eingesetzt werden können. Schließlich sind auch ein kompaktes und gut integrierbares Design sowie ein geringer Stromverbrauch wichtig, um eine flexible Integration in das Fahrzeug zu ermöglichen. Petit (Blickfeld): Für den Einsatz im Automotive-Bereich gelten bestimmte Normen und Standards. Ein wichtiger Faktor dabei ist die Sicherheit der Systeme. Wir unterziehen unsere Sensoren daher ausführlichen Tests, beispielsweise was Schock und Vibration angeht, um das Risiko eines Ausfallens zu minimieren. Auch was die Leistung angeht, müssen LiDAR-Sensoren für den Einsatz in Fahrzeugen bestimmte Anforderungen erfüllen, die die Reichweite und das Sichtfeld umfassen. Für das schnelle Fahren auf Autobahnen oder Landstraßen beispielsweise wird eine hohe Reichweite benötigt, während das Fahren in der Stadt vielmehr eine Rundum-Sicht um das Fahrzeug erfordert. Tzscheetzsch (Analog Devices): Die wichtigsten sind Sicherheit, Entfernung und Auflösung. So ist für autonomes Fahren eine Auflösung von 5 cm nötig – umgerechnet in die benötigte Zeit ergibt sich eine Auflösung von 167ps – das bedeutet sehr schnelle Systeme sind nötig. Neben all dieser Performance ist auch die Sicherheit entscheidend – hier muss die Laserleistung und Wellenlänge bestimmte Anforderun- 24 KEM Konstruktion » 07/08 | 2021
Anwendung. Werden sie als Teil einer intelligenten Infrastruktur eingesetzt, erhöhen LiDAR-Systeme auch die Effizienz und Sicherheit. Sie sorgen z.B. für die Sicherheit des Personals und eine sichere Zugangskontrolle, schaffen die Grundlage für eine belegungsbasierte Automatisierung oder ein auf der Fußgängerfrequenz basierendes Gebäudemanagement, und schützen die Privatsphäre der Mitarbeiter. Bild: Blickfeld Der Mid-Range Sensor Blickfeld Vision Mini verfügt über sehr kleine Abmaße, die je nach Kundenanforderung angepasst werden können. gen erfüllen (IEC60825-1), damit das Auge geschützt wird. Baumann (Dell): Die Anforderungen sind mit denen im Automotive-Bereich vergleichbar, etwa was Robustheit und Kosten angeht, aber der „Fokus“ ist ein anderer. Während ein autonomes Fahrzeug eher in die Ferne schaut und einen großen Sichtbereich erfassen muss, reicht für die meisten Automatisierungs- und Industrie-4.0-Anwendungsfälle ein kleineres, näheres Sichtfeld. Dort wird aber eine sehr hohe Genauigkeit benötigt, teilweise im Zentimeterund Millimeterbereich. Petit (Blickfeld): Der Bereich, in dem LiDAR-Technologie einen großen Mehrwert für die Industrie 4.0 bringen kann, ist die (Intra-)Logistik. Autonome Gabelstapler und fahrerlose Transportfahrzeuge können Lagerhallen und Häfen komplett automatisieren und LiDAR ist dafür eine Schlüsseltechnologie. Sie helfen den Fahrzeugen dabei, ihr Umfeld zu erfassen und mögliche Hindernisse zu identifizieren. Durch die Automatisierung dieser Fahrzeuge können Effizienz und Sicherheit in der Lagerung und Logistik gesteigert werden. Weber (Sick): In diesem Bereich sind zuverlässige robuste Messwerte gefragt, welche dann zur weiteren Auswertung für Lokalisierung oder Freiraumkontrolle herangezogen werden. Insbesondere im Bereich Automotive bewegen sich die Anforderungen in anspruchsvollen Bereichen: sehr weiter Temperaturbereich, Wetterfestigkeit, Zuverlässigkeit, Baugröße beziehungsweise Integrationsfähigkeit, Kosten, Automobilnormung, etc. KEM Konstruktion: Eignet sich LiDAR auch für den Einsatz in der Industrie- Automation? Welche Anforderungen muss ein solches LiDAR-Messsystem im Rahmen von Automatisierung und Industrie 4.0 erfüllen? Galle (FMD): Entfernungssensoren, wie LiDAR-Systeme, werden ein zentraler Bestandteil der „Fabrik der Zukunft“ sein. Nur mit smarten Messsystemen, die schnell Daten weiterverarbeiten und Bildgebung ermöglichen können, ist eine sicher und reibungslos automatisierte Fabrik denkbar. Derzeit ist eine der größten Herausforderungen für LiDAR-Systeme jedoch der relativ hohe Herstellungspreis im Vergleich zu anderen, etablierten Technologien. Aus diesem Grund arbeiten wir an Lösungen, die kostengünstige Komponenten in innovativen Systemen ermöglichen, sowie die Komplexität der Systeme und damit deren Kosten reduzieren. Somit tragen wir dazu bei, eine der größten Herausforderungen für LiDAR-Systeme im Bereich Industrie 4.0 zu bewältigen. Pei (Cepton): LiDAR-Sensoren eignen sich ideal für den Einsatz in der der industriellen Automatisierung. Sie bieten eine präzise räumliche Wahrnehmung, mit deren Hilfe autonome Bodenfahrzeuge, Roboter und alle Arten von Industriemaschinen sicher navigieren können. Die Anforderungen sind in der Regel ähnlich wie in der Automobilbranche, mit einigen Variationen je nach Tzscheetzsch (Analog Devices): Auch hier spielt die Augensicherheit eine dominante Rolle. Daneben ist es wichtig, die Anwendung „functional safe“ zu bauen, besonders, wenn die Möglichkeit der Begegnung mit Menschen besteht. Gerade im Bereich Automatisierung bzw. Industrie 4.0 ergeben sich viele Anwendungen für ToF. Weber (Sick): Industrie Automation ist ein idealer Einsatz für LiDAR. Gerade dort müssen Waren und Produkte passgenau bewegt und übergeben werden. Dazu positioniert man z.B. Automatische Transport- Fahrzeuge im mm Bereich. Dabei müssen auch geforderte Industriestandards erfüllt werden und die Systeme sollten gut in industrieübliche Architekturen integriert und an industrieübliche Steuerungen angepasst werden. Außerdem ist es sinnvoll Messdaten vorzuberechnen, um nachgelagerte Rechner zu entlasten. www.analog.com www.blickfeld.com www.cepton.com www.delltechnologies.com www.forschungsfabrik-mikroelektronik.de www.sick.de KEM Konstruktion » 07/08 | 2021 25
