Umfelderkennung für das autonome Fahren

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Die Gefahr im Blick. Für autonom fahrende Automobile ist die Umfeldsensorik das Fundament einer sicheren Mobilität. "Alle weiteren Datenverarbeitungsschritte sind darauf angewiesen, dass das Auto seine Umwelt ausreichend gut vermisst", schreibt dazu Springer-Autor Johannes Ritz in seinem Kapitel Autonome Fahrzeuge aus dem Buch Mobilitätswende – autonome Autos erobern unsere Straßen. Für ihn gehört die "Vermessung der Welt" zu den elementaren Herausforderungen selbstfahrender Automobile und die Lidar-Technik ist seiner Ansicht nach ein wesentlicher Teil des Gesamtsystems automobiler Sensorik. 

Aus diesem Grund setzen viele Automobilhersteller Lidar (light detection and ranging)-Systeme zur genauen Umfelderkennung ein, um vorausfahrende Objekte ertasten und erkennen zu können. Statt aber Radiowellen auszusenden wie es bei radarbasierten Systemen üblich ist, nutzt Lidar Ultraviolett-, Infrarot- oder Strahlen aus dem Bereich des sichtbaren Lichts. Bei diesem Laserverfahren nutzen Ingenieure den Umstand, dass der Laserstrahl mit endlicher Geschwindigkeit unterwegs ist. Das Prinzip der Messung beruht also auf der Zeitdifferenz zwischen der Aussendung eines oder mehrerer Licht(Laser)-Impulse bis zum Empfang der rückgestreuten Strahlen.

Atmosphärische Störungen beeinflussen das Lidar

Dass sich mittels komplexer Auswerteverfahren auch mehrere Objekte in einem Messkanal erkennen lassen und den Abstand mit wenigen Zentimetern auflösen, schätzen die Automobilhersteller. Sie nutzen dieses optische Messverfahren deshalb auch für Assistenzfunktionen wie Rückfahrhilfe, Abstandsregeltempomat (ACC)  Abbiege-, Totwinkel- und Spurhalteassistent. Ein Nachteil bei der Lidar-Technik ist, dass einzelne Sendeimpulse auch an Wassertröpfen in der Luft reflektiert werden. So steigt bei Nebel oder Regen die Dämpfung der Atmosphäre, ein genaues Messen der Abstände ist kaum mehr möglich.

Zwar gelingt es, die Empfindlichkeit der Sensoren dynamisch an die Wetterverhältnisse anzupassen und damit auch "weiche" atmosphärische Störungen mit dahinter liegenden Reflexionen (Objektantworten) zu vermessen. Doch Ritz hält auch radar- und kamerabasierte Systeme für notwendig. Auch weil die Integration des Lidars "aufgrund seiner hohen Kosten noch nicht abschließend sicher ist". Dass nur durch "die Kombination mehrerer Sensorsysteme der Autopilot sein Umfeld ausreichend gut vermessen kann", zeigt im Kapitel auch die tabellarische Gegenüberstellung der Eigenschaften der drei Arten der Umfelderkennung Lidar, Radar und Kamera.

Lidar wird für autonomes Fahren ab Level 3 benötigt

Während Kamera- und Radarsysteme derzeit in Level-1- und Level-2-Fahrzeugen zum Einsatz kommen und dort im Übrigen auch die Voraussetzung für alle weiteren Automatisierungsstufen darstellen, sind Lidar-Systeme für voll autonomes Fahren ab Level 3 eine wesentliche Voraussetzung. Gelingt es nun, die sogenannte Solid-State-Technik serienreif in der Großserie einzusetzen, lässt sich Lidar kompakter und besser in Fahrzeuge integrieren. Die Umgebung kann dann dreidimensional abgebildet werden, auch ohne rotierende Spiegel.

Experten erwarten, dass die auf dem Gebiet derzeit führenden Unternehmen wie Ibeo-ZF, Leddartech-Valeo, Quanergy-Delphi und ASC-Continental bereits in 2020 so weit sind, den Markt flächendeckend zu bedienen. Bis dahin wird sich auch der Anteil von Sensoren in einem Fahrzeug stark erhöhen, wie Richard Dixon weiß. Der Autor bietet in Trends in der Automobil-Sensorik aus dem Buch Automobil-Sensorik 2 neben einer Übersicht aller im Automobil benötigten Sensoren auch eine Trendanalyse künftiger Sensorik-Entwicklungen.

Folgende Automobilhersteller führen demnächst Lidar ein

• BMW: Zunächst will der bayerische Automobilhersteller mit Lidar Assistenzfunktionen für einen Stadt- und Autobahn-Piloten einführen. Bis zum Jahr 2020 sollen dann die Modell i8, 7 und i5 eine vollautomatisierte Parklösung bekommen.
• Mercedes-Benz: Die Stuttgarter Entwickler planen bis 2017 einen Level-drei-Autobahn-Piloten. Für die E-Klasse soll es verbesserte Parkfunktionen geben.
• Ford: Die zum US-amerikanischen Konzern General Motors gehörende Automobilmarke plant die Kommerzialisierung von Level-drei-Funktionen in Ford-Modellen für das Jahr 2025.
• General Motors: Die US-Amerikaner selbst entwickeln für die Marke Cadillac die autonome Fahrfunktion (Level-vier-Automatisierung) bis 2025.
• Toyota: Der japanische Automobilhersteller forscht an Lidar-basierten, intelligenten Fahrassistenzsystemen, um den Fahrer zu entlasten.