Sensorik LiDAR-Sensoren für autonome Fahrfunktionen: Die Software macht den Unterschied

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LiDAR-Sensoren bieten enorme Fähigkeiten, um die Umgebung eines Fahrzeugs und Objekte im Raum zu erfassen. Damit sie wirklich helfen können, Industrieroboter, fahrerlose Transportfahrzeuge, mobile Plattformen oder Automobile zu steuern, brauchen sie leistungsfähige Software.

Luft- und Raumfahrt, Militär, Meteorologie und Archäologie nutzen die Technik schon – auch für Anwendungen in der industriellen Robotik oder für autonome Fahrfunktionen in fahrerlosen Transportfahrzeugen in der Intralogistik oder in unseren Automobilen auf der Straße gewinnt sie immer mehr an Bedeutung: Die Rede ist von LiDAR. LiDAR steht für Light Detection And Ranging und bezeichnet ein optisches Verfahren, das ähnlich wie ein Radar Objekte im Raum erkennt, dabei aber mit einem Laser arbeitet.

Wie LiDAR Umgebung und Objekte im Raum erkennt

Ein LiDAR-Sensor sendet dazu gepulste Infrarot-Lichtwellen in die Umgebung aus, die von Objekten reflektiert werden und zum Detektor zurückkehren. Aus der Zeit der Impuls-Aussendung bis zu seiner Rückkehr berechnet der Sensor die zurückgelegte Strecke und damit die Entfernung eines Objekts. Dabei sind LiDAR-Sensoren wesentlich präziser, schneller und zuverlässiger als Radar- oder Kameralösungen. Selbst bei Dunkelheit und Regen liefern Laserscanner hochauflösende 3D-Bilder von sich verändernden Umgebungen, indem sie Millionen von Datenpunkten in Echtzeit erzeugen. Dass sich die Laserscan-Technik jetzt auch verstärkt für industrielle Anwendungen etabliert, liegt nicht nur an diesen Qualitäten. Vor allem auch die gesunkenen Preise und kleinere Bauweise der Sensoren erhöht deren Attraktivität.

Je nach Anforderung können unterschiedliche LiDAR-Typen eingesetzt werden. Dazu gehören sogenannte solid-state LiDAR-Sensoren und Lösungen mit beweglichen Bauteilen. Auf der CES 2022 in Las Vegas präsentierten viele Anbieter solid-state LiDAR-Lösungen mit Reichweiten von 200-300 Metern, die eine ausreichend hohe Auflösung bieten, um in diesem Verkehrsradius Objekte oder andere Verkehrsteilnehmer zu erkennen. Für eine performante und vor allem sichere Steuerung autonomer Fahrfunktionen und die Abdeckung des für die jeweilige Anwendung notwendigen Sichtfelds braucht es möglicherweise weitere Sensoren oder Kameras. Eine besonders wichtige Rolle spielt für Sicherheit, Funktionalität aber auch bei der Preisgestaltung von LiDAR-Sensoren die Software.

Technik

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Welche Software es für autonome Fahrfunktionen braucht

Zur Nutzung von LiDAR-Sensoren für autonome Fahrfunktionen lässt sich die benötigte Software gut in drei Ebenen gliedern:

Die Software der ersten Ebene arbeitet direkt an und auf der Hardware des Sensors und kommuniziert mit anderen Softwaresystemen. In der nächsten Software-Ebene, der Perzeptionsebene, werden aus den gepulsten und reflektierten Laserwellen Punktwolken und daraus dreidimensionale Tiefenkarten mit den gemessenen Objekten im umgebenden Raum erstellt – für den Straßenverkehr wären das beispielsweise Straßenlinien, andere Fahrzeuge oder Personen. Die dritte Software-Ebene plant aus diesen Daten dann die eigenen Bewegungen und steuert das autonome Fahrzeug. Diese Ebene benötigt eine zusätzliche Logik in Form von Regeln, die festlegt, wie sich das Fahrzeug bewegen darf oder soll. Im Straßenverkehr würde das bedeuten, ein Auto so zu lenken, zu beschleunigen oder abzubremsen, dass es sich sicher im öffentlichen Raum bewegt.

Die erste dargestellte Software-Ebene ist unabdingbar, um LiDAR-Sensoren zu nutzen und in das System eines Fahrzeugs einzubinden und zu integrieren. Sie wird deshalb von den LiDAR-Anbietern meist mitgeliefert. Für die Unternehmen, die diese LiDAR-Sensoren nutzen – wie in der Automobilindustrie beispielsweise OEM und Tier-1-Zulieferer – gilt: Im Idealfall unterstützen die Sensoren nicht nur die allgemeine Gerätetreiber-Ebene für bestimmte Betriebssysteme, sondern alle Architekturen. Je besser dieses Softwarepaket, desto einfacher die Integration in das Fahrzeug.

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Bewegungsplanung meist in Eigenregie

Die Software-Ebenen 2 und 3 hängen deutlich stärker vom Anwendungsszenario ab und werden deshalb – wenn überhaupt – von Anbietern bereitgestellt, die sich auf LiDAR-Sensoren für einen bestimmten Anwendungsbereich spezialisiert haben. Gerade auf der zweiten, der Perzeptionsebene, bestehen große Unterschiede darin, ob benötigte Software enthalten ist und wenn ja, was sie genau extrahieren kann. Oft bietet die mitgelieferte Anwendung nur rudimentäre Funktionen. Somit müssen Unternehmen diese meist aufwändig optimieren und verifizieren, um die konkreten Anforderungen zu erfüllen. Die Software für die dritte Ebene, den Bewegungsplaner, müssen diejenigen, die LiDAR-Sensoren in ihre Fahrzeuge, Maschinen oder Geräte integrieren wollen, häufig ganz selbst entwickeln.

So kann der mitgelieferte Software-Stack zum entscheidenden Faktor für die Auswahl des passenden LiDAR-Sensors werden: Je einfacher die Integration, desto attraktiver sind die Lösungen für Unternehmen, die die LiDAR-Sensoren in ihren Fahrzeugen für autonome Fahrfunktionen nutzen möchten. Spezifische Anwendungen und Architekturen der Fahrzeughersteller machen Anpassungen allerdings nahezu auf allen Ebenen unausweichlich. In der Automobilindustrie ist LiDAR außerdem sicherheitsrelevant, so dass Anbieter schließlich mithilfe zahlreicher Optimierungen und Tests sicherstellen müssen, dass ein System zuverlässig funktioniert und stets die gewünschte Leistung erbringt. Hierfür bilden definierte Normen und Methoden wie ISO 26262 und SOTIF den Rahmen.

KI

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Software-Entwicklungs-Partner für LiDAR-Komponenten

Unternehmen, die LiDAR-basierte Roboter oder autonome Fahrzeuge für die Industrie bereitstellen möchten, ebenso wie die klassischen OEM und Zulieferer in der Automobilindustrie haben deshalb künftig zunehmend Bedarf an Entwicklungs- und Integrationspartnern, die sich mit dem Software-Engineering und seinen Zyklen auskennen, um ihre eigenen Produkte für ihren Markt leistungsfähig und attraktiv zu machen. Spezialisten für diese Aufgaben wie Intellias unterstützen sie bei der Entwicklung und Optimierung des benötigten und gewünschten Softwarepakets und geben ihnen somit die bestmögliche Ausgangsposition und entscheidende Wettbewerbsvorteile.

* Oleksandr Odukha arbeitet als Vice President Delivery, Mobility bei Intellias.

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