Was ist Lidar?

Lidar, oder Light Detection and Ranging, ist eine Fernerkundungstechnologie, die Lichtimpulse verwendet, um eine Umgebung zu erfassen. Lidar ist in Heimsicherheitssystemen, Barcode-Scannern und Gesichtserkennungssystemen zu finden, aber am besten ist es vielleicht für seine Rolle beim vollautonomen Fahren bekannt. Im Gegensatz zu seinen Vettern radar und sonar liefert lidar hochauflösende 3D-Daten, was es zu einem wichtigen Werkzeug in allen Branchen macht, darunter Automobil, Geologie und Landwirtschaft. 

Anfang des 20. Jahrhunderts wurden radar (radio detection and ranging) und sonar (sound navigation and ranging) zur Messung von Entfernungen eingesetzt, wobei das eine mit elektromagnetischen Funkwellen und das andere mit Schallwellen funktioniert. Ping. Mit der Erfindung des Lasers in den 1960er Jahren entstand ein neues Entfernungsmesssystem, das die Möglichkeiten der Fotonik nutzte. Lidar ermöglicht es, unsere Welt mit Lichtgeschwindigkeit zu messen, zu kartieren und zu interpretieren.  

Alle lidar-systeme bestehen aus drei Hauptteilen und verfügen über einen Strahler zum Aussenden der Lichtwellen, einen Empfänger zur Erfassung der reflektierten Lichtwellen und einen Prozessor zur Verarbeitung der Daten. Tausende von pulsierenden Lichtwellen treffen in Sekundenbruchteilen auf ein Objekt, werden zurückgeworfen und liefern präzise Zeitdaten, anhand derer genau interpretiert werden kann, was sich in einer Umgebung befindet und was es tut.

Durch den Einsatz mehrerer Laser-Strahler und das schnelle Pulsieren von Licht (Hunderttausende Male pro Sekunde) können Lidar-Systeme Messungen aus verschiedenen Winkeln über ein weites Sichtfeld erfassen. Das Ergebnis sind 3D-Karten, die präzise Informationen über Position, Entfernung und Bewegung liefern. 

Die Idee, einen Laserstrahl durch die Luft zu schicken, mag ein wenig wie Science-Fiction klingen, aber lidar ist eine gängige Technologie, die derzeit in einer Vielzahl von Branchen und Anwendungen eingesetzt wird, darunter:

Autonomes Fahren

Zusammen mit Kameras und Radarsensoren liefert Lidar wichtige Daten für die sichere Navigation selbstfahrender Fahrzeuge. Durch die Erstellung von 3D-Karten der Umgebung des Fahrzeugs sammelt lidar präzise Informationen über Form, Größe und Position von Objekten und ermöglicht so die Erkennung von Straßenschildern, anderen Autos, Hindernissen und Fußgängern. Dank der Genauigkeit von Lidar auf große Entfernung können autonome Fahrzeuge auch Fahrspuren verfolgen und bei der Verhinderung von Kollisionen helfen.

Computer Vision

Um aus Bildern und Videos eine Bedeutung abzuleiten, benötigen Computer mehr Details, als Kameras allein bieten können. Die von Lidar bereitgestellten Daten ermöglichen es Computern, die sichtbare Welt zu erkennen und zu interpretieren, indem Tiefeninformationen mit Bildern verschmolzen werden. Lidar-unterstützte Computer Vision findet sich häufig in Augmented Reality, Gestenerkennung (Gaming) und medizinischer Überwachung.

Gesichtserkennung

In Systemen, die Gesichtserkennung zur Authentifizierung benötigen, verbessert Lidar die Genauigkeit und reduziert Manipulation. Die hochdetaillierten Punktwolken von Lidar enthalten präzise Daten über die Konturen und Dimensionen innerhalb der Gesichtsstruktur, wodurch Systeme zwischen realen Gesichtern und 2D-Bildern unterscheiden können. Und da Lidar seine eigene Lichtquelle verwendet, kann es Gesichter auch bei schlechten Lichtverhältnissen, sogar bei Dunkelheit, erfassen.

Robotik

Ähnlich wie autonome Fahrzeuge nutzen auch Roboter Lidar zur Unterstützung bei der sicheren Navigation in ihrer Umgebung. Die detaillierten 3D-Karten von Lidar liefern Robotern die genauen Daten, die sie benötigen, um fundierte Entscheidungen über ihre Routen in stark frequentierten und sich verändernden Umgebungen wie Lagerhäusern und Fabriken in Sekundenschnelle zu treffen. Es ist auch hilfreich, um die Objekterkennung und -manipulation von Robotern zu verbessern, die in komplexen Situationen wie Fertigung, Landwirtschaft sowie Suche und Rettung arbeiten.

Viele von uns haben zum ersten Mal vom Lidar gehört, als es um das autonome Fahren ging. Hier ist Autonomie der Stufe 5 (menschenähnliche Leistung in jedem Szenario) das ultimative Ziel. Um dies zu erreichen, müssen verschiedene Sensortypen wie Kamera, Radar, Ultraschall und Lidar aufeinander abgestimmt werden. Aber es ist die Genauigkeit und Reichweite von Lidar, z. B. beim Betrachten von Objekten in einer Entfernung von deutlich mehr als 200 Metern, weshalb es weithin als kritisch zur Kollisions- und Hindernisvermeidung gilt.  

Es gibt verschiedene Lidar-Typen, die nur für das autonome Fahren verwendet werden können, einschließlich Scanning, rotierend und Flash. Während die meisten aktuellen Lidar-Systeme Time-of-Flight-Erkennungstechnologien (ToF) nutzen, stützen sich viele Systeme der nächsten Generation auf die frequenzmodulierte Dauerstrichmethode (FMCW).

Hersteller können einen einzelnen Typ oder alle auf einmal verwenden. Geht man über Fahrzeuge hinaus, wird die Auswahl an Lidar-Typen immer größer, mit einer Vielzahl von Optionen, die den spezifischen Anforderungen in puncto Reichweite, Mobilität und Umgebung gerecht werden. 

Im Folgenden finden Sie die Definitionen einiger gängiger Begriffe, die zur Beschreibung von Lidar-Systemen verwendet werden:

• Rotierendes Lidar: Dabei rotiert die Lichtquelle, um Bilder aus der gesamten Szene zu erfassen. Die Rotation wird mechanisch angetrieben (das sind die rotierenden Oberteile, die häufig auf autonomen Fahrzeugen zu sehen sind).
• Scanning-Lidar: Dazu werden fortschrittliche Technologien (wie Phased-Array-Antenne, diffraktive Optik und Metaoberflächen) anstelle mechanischer-Rotation verwendet, um Bilder aus der gesamten Szene zu erfassen. Dies wird oft auch als "Solid-State-Lidar" bezeichnet.
• Flash Lidar: Dabei wird ein Lichtquellen-Array verwendet, um Bilder aus der gesamten Szene in einer einzigen "Aufnahme" zu erfassen (ähnlich wie der Blitz einer Kamera). Diese Technologie ist zwar robuster als rotierendes Lidar, funktioniert aber in der Regel über einen kürzeren Bereich.
• ToF-Erkennung: Diese Methode der Lidar-Erkennung beruht auf der Verwendung der Laufzeit (d. h. der Zeit zwischen der Ausstrahlung der Lichtquelle und der Erkennung durch den Empfänger), um die Entfernung zu den erkannten Objekten zu bestimmen.
• FMCW-Erkennung: Diese Methode der Lidar-Erkennung beruht darauf, dass mehrere Strahlen mit leicht unterschiedlichen Frequenzen in die Szene gesendet und die Interferenz zwischen ihnen gemessen werden, um den Abstand zum Objekt zu bestimmen. Diese Methode ist robuster als die ToF-Erkennung in Bezug auf die Verfälschung der Daten durch andere Lidar-Systeme, die möglicherweise gleichzeitig (z. B. an anderen Fahrzeugen) betrieben werden, erfordert jedoch deutlich mehr Rechenleistung.
• Airborne Lidar: Dies beschreibt Lidar-Systeme, die von Flugzeugen, Hubschraubern und Drohnen aus betrieben werden.
• Boden-Lidar: Hier werden Lidar-Systeme beschrieben, die auf Landfahrzeugen wie Lkws betrieben werden.

In Anwendungen, in denen Geschwindigkeit und Genauigkeit Priorität haben, ist Lidar die Technologie der Wahl. Doch solange Lidar die teuerste aller Sensormethoden bleibt, wird es auf seinem Weg hin zu einer universellen Akzeptanz wahrscheinlich weiterhin auf Widerstand stoßen.   

Mit steigender Nachfrage nach Geschwindigkeit und Genauigkeit bei allen Technologien wird auch die Integration von Lidar in alle möglichen Systeme zunehmen. Die Zukunft sich weltweit verändernder Branchen wie Gesundheitswesen, Transport und Landwirtschaft wird durch Innovationen bestimmt, die durch Lidar erst möglich werden.

Um die nächste Stufe der Lidar-Fähigkeiten zu erreichen, nutzen Ingenieure und Hersteller die prädiktiven Einsichten der Simulation. Mit Optik- und Fotonik-Software wie Ansys Speos, Lumerical , Zemax und AVxcelerate können Konstrukteure zahlreiche Szenarien erkunden, um genau vorherzusehen, wie Lidar funktionieren wird. Durch Simulation, Tests und Validierung bringen Sie Ideen auf Lichtbasis noch schneller voran.

Lidar-Trends:

• Intelligente Stadtplanung
• Unbemannte Luftfahrzeuge
• Umweltforschung und Umweltschutz
• Integration von Wearables

Egal, ob Sie nach Fußgängern suchen, die eine Straße überqueren, oder nach Senkgruben in einer Stadt, Lidar sieht mit unglaublicher Genauigkeit und Geschwindigkeit, was uns umgibt. Durch die Nutzung der Möglichkeiten von Lidar in allen möglichen Technologien können wir uns auf viele großartige Entwicklungen freuen. 

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