Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/opa-mems-und-mmt-wer-baut-den-ersten-super-lidar-1905-140975.html    Veröffentlicht: 06.05.2019 12:03    Kurz-URL: https://glm.io/140975

OPA, Mems und MMT

Wer baut den ersten Super-Lidar?

Seit Jahren versprechen Startups den Durchbruch bei günstigen Laserscannern für das autonome Fahren. Selbst Apple sucht angeblich nach einem "revolutionären Design". Nur Tesla-Chef Elon Musk hält weiter nichts von der Lidar-Technik.

Wenn es eine Konstante in der Diskussion um autonome Autos gibt, dann ist es der Einsatz von Laserscannern als zusätzlichen Sensor bei der Umfelderkennung. Autokonzerne, Zulieferer und Entwickler gehen davon aus, diese sogenannten Lidare einbauen zu müssen - eine Ausnahme ist der Elektroautohersteller Tesla. Doch gegen den massenhaften Einsatz sprechen weiterhin die hohen Kosten der Geräte. Während Festkörper-Lidare immer noch auf sich warten lassen, setzen andere Anbieter auf neue und andere Techniken.

Der breiten Öffentlichkeit ist die Lidar-Technik vor allem durch Googles autonome Testautos bekanntgeworden. Auf dem Dach der kleinen Kugelautos rotierte ein Laserscanner des US-Herstellers Velodyne für den Preis eines Oberklasse-Wagens. Das selbstfahrende Testauto der General-Motors-Tochter Cruise Automation hat gleich fünf Lidare auf dem Dach. Konsequenterweise kaufte das Unternehmen im Oktober 2017 gleich das Lidar-Startup Strobe. Die Google-Schwesterfirma Waymo überraschte kürzlich die Konkurrenz mit der Ankündigung, seine selbstentwickelten Sensoren vermarkten zu wollen. Allerdings nicht an Autohersteller.

Um für den Massenmarkt tauglich zu sein, müssen die Laserscanner mehrere Anforderungen erfüllen: Die Sensoren müssen auch unter härtesten Bedingungen funktionieren und Vibrationen oder hohe Temperaturunterschiede wegstecken. Je nach Anwendung müssen sie eine große Reichweite von einigen Hundert Metern haben oder Objekte in unmittelbarer Nähe erkennen. Die Auflösung sollte dabei groß genug sein, damit die Erkennungssoftware aus den reflektierten Bildpunkten Objekte klassifizieren kann. Zu guter Letzt sollen die Geräte so günstig sein, dass die erforderliche Ausstattung mit vier, fünf Sensoren die Autos nicht extrem teuer macht.

Erwartungen an Quanergy bislang unerfüllt

Aus diesem Grund horchte die Branche vor einigen Jahren auf, als das US-Startup Quanergy günstige Lidare ohne bewegliche Teile ankündigte. Die Herausforderung bei einem Festkörper-Lidar besteht darin, den Laserstrahl ohne bewegliche Teile wie Spiegel und rotierende Laserdioden so abzulenken, dass ein bestimmtes Sichtfeld in horizontaler und vertikaler Ebene abgedeckt wird. Dies will Quanergy mit Hilfe einer optischen Phasenverschiebung erreichen, einem sogenannten (Optical Phased Array) - abgekürzt OPA. Ein "phasengesteuertes Feld" wird beispielsweise bei militärischen Radaranlagen seit Jahrzehnten verwendet. Beim OPA wird das Feld durch eine Vielzahl optischer Antennen erzeugt. Bei Phasengleichheit wird der Laserstrahl gerade nach vorne ausgestrahlt. Mit einer Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Antennen lässt sich der Strahl hingegen ablenken.

Doch Quanergy konnte die hohen Erwartungen bislang nicht erfüllen. Zuletzt sagte Firmenchef Louay Eldada dem Magazin IEEE Spectrum, dass die Fertigungsprobleme nahezu überwunden seien. Allerdings soll der Quanergy-Lidar weder die angekündigte Reichweite von 200 Metern erzielen noch für den günstigen Preis von 250 Dollar erhältlich sein. Geeignet sei der Sensor auch für den unmittelbaren Nahbereich. Die Bundesregierung fördert derzeit ein OPA-Forschungsprojekt (PDF), an dem auch der Stuttgarter Automobilzulieferer Bosch beteiligt ist.

Flash-Lidare für kurze Entfernungen

Für kurze Entfernungen gibt es bereits sogenannte Flash-Lidare. Hierbei senden die Geräte Laserimpulse aus, deren Reflexionen von einem Sensor registriert werden. Der vom Automobilzulieferer Continental auf der CES 2017 präsentierte Sensor kann allerdings nur Objekte in einer Entfernung von bis zu 30 Metern wahrnehmen. Zudem reagieren solche Flash-Lidare empfindlich auf Gegenlicht. Um eine zuverlässige Umgebungserkennung zu gewährleisten, braucht es auf jeden Fall noch Systeme, die über eine größere Reichweite verfügen.

Das lässt sich derzeit doch nur mit Systemen erreichen, die den Laserstrahl mehr oder weniger mechanisch ablenken. Um Größe und Kosten von Rotationslasern zu reduzieren, haben Unternehmen in den vergangenen Jahren sogenannte mikro-elektromechanische Systeme (Mems) entwickelt. Solche Mems arbeiten mit Mini-Spiegeln, die den Laserstrahl auf das Sichtfeld projizieren. Allerdings wird diesen Mems nachgesagt, dass sie aufwendig ausgerichtet werden müssen und störanfällig gegenüber Erschütterungen sind. Inzwischen gibt es zahlreiche Anbieter für Mems-Lidare. Das US-Magazin Ars Technica nannte kürzlich die Firmen Luminar, Aeye, Blackmore und Innoviz. Ebenfalls erwähnt wurde das Startup Cepton, das jedoch eine spezielle Art der Laser-Steuerung verwendet.

Mikrobewegungen als neues Konzept

Cepton-Manager Jürgen Ludwig erläuterte Golem.de das Konzept vor kurzem auf einer Automobil-Konferenz in Berlin. Demnach ging es den Firmengründern Jun Pei und Mark McCord vor allem darum, einen Lidar zu entwickeln, der sich in der Mitte zwischen Festkörper- und Rotationslasern befindet. Der Cepton-Lidar verfügt typischerweise über acht Laserdioden mit 905 Nanometern, die mit der Micro-Motion-Technik (MMT) in Schwingungen versetzt werden. Dadurch deckt jede Diode einen bestimmten Bereich des Sichtfeldes ab. "Am besten kann man das mit der Membran eines Lautsprechers vergleichen", erläuterte Pei bereits in einem Gespräch mit Golem.de auf der CES 2019 in Las Vegas.

Der Vorteil der Technik: Weil der Sensor nicht mit bestimmten Zeilen arbeitet, ist die Wahrscheinlichkeit geringer, dass Objekte bei größerer Entfernung zwischen zwei Zeilen verschwinden können. Bei 20 Aufnahmen ergebe die Darstellung ein komplettes Bild des Sichtfeldes. Die Auflösung des Sensors ist in horizontaler und vertikaler Richtung gleich. Bei einem horizontalen Sichtbereich von 120 Grad und einer Auflösung von 0,2 Grad ergeben sich 480 Punkte. Diese enthalten allerdings mehr Daten als ein Kamerapixel, da sich über die Laufzeitmessung die genaue Entfernung des Objektes ermitteln lässt.

Elon Musk lästert über Laserscanner

Der besondere Vorteil eines Laserscanners: Anders als bei Kameras ist keine Bilderkennung erforderlich, um ein Objekt in einer bestimmten Entfernung detektieren zu können. Auch wenn das System ein Objekt nicht erkennen und klassifizieren kann, weiß es dennoch, dass sich offenbar ein Gegenstand auf dem geplanten Fahrweg befindet, dem ausgewichen werden muss. Bei mehreren tödlichen Unfällen mit Tesla-Fahrzeugen hatte der "Autopilot" massive Hindernisse wie einen querenden Lkw oder einen Fahrbahntrenner nicht wahrgenommen. Das sollte beim Einsatz eines Laserscanners nicht passieren.

Dennoch lästerte Tesla-Chef Elon Musk erst kürzlich wieder über die Konkurrenz, die weiterhin auf diesen zusätzlichen Sensortyp setzt. Das sei "vergebliche Mühe", sagte Musk nach Angaben von The Verge und fügte hinzu: "Jeder, der sich auf Lidare verlässt, ist zum Scheitern verurteilt. Teure Sensoren, die nutzlos sind. Es ist so, als hätte man einen ganzen Haufen teurer Ergänzungen." Tesla setzt im Gegensatz zu anderen Anbietern auf selbstentwickelte Hard- und Software, die mit den gesammelten Daten der Flotte trainiert werden.

Apple sucht angeblich Lieferanten

Doch Tesla steht mit seiner ablehnenden Haltung in der Branche bislang alleine da. Selbst der Computerhersteller Apple soll für sein Auto-Projekt "Titan" in Verhandlungen mit mehreren Lidar-Herstellern stehen. Apple sei an Sensoren interessiert, die kleiner, billiger und leichter zu produzieren seien als die bisherige Technik, berichtete die Nachrichtenagentur Reuters Mitte April unter Berufung auf drei namentlich nicht genannte Personen. Das Unternehmen fordere dabei ein "revolutionäres Design" für die Sensoren. Die Namen der Lidar-Hersteller wurden jedoch nicht genannt.

Auch Cepton kann sich über mangelnde Nachfrage nicht beklagen und hat nach eigenen Angaben bereits mehr als 70 Kunden für seine vier Produkte. Dazu zählt nicht nur der selbstfahrende Kleinbus von May Mobility, der auf der CES 2019 vorgestellt wurde und normalerweise in Detroit seine Runden dreht. Der japanische Zulieferer Koito hat die Laserscanner bereits in Autoscheinwerfer integriert.

Den Super-Lidar gibt es noch nicht

Allerdings ist Cepton noch weit davon entfernt, die hohen Forderungen der Autoindustrie zu erfüllen. Ein Evaluierungsbausatz mit zwei Sensoren koste noch 20.000 US-Dollar, sagte Ludwig. Allerdings hält er es für möglich, diese Kosten bei einer Serienfertigung unter 500 US-Dollar zu drücken. Denn die Sensoren ließen sich vollautomatisch fertigen, da keine Bauteile aufwendig justiert werden müssten.

Eine weitere Anforderung dürfte hingegen kaum zu erfüllen sein: So wäre es der Autoindustrie am liebsten, mit einem einzigen Sensor alle Anwendungen abdecken zu können. Doch laut Ludwig sind extrem kurze und sehr große Reichweiten nicht gut unter einen Hut zu bringen. So gibt es Probleme bei kurzen Distanzen im Zentimeterbereich, da die Laufzeit des Laserstrahls im Pikosekundenbereich liegt. Dennoch behauptet Waymo, die Mindestreichweite seiner Lidar-Sensoren läge bei null Zentimetern.

Probleme bei großen Distanzen

Probleme gibt es auch bei größeren Reichweiten, da die Energie der Impulse bei 905-Nanometer-Lasern begrenzt wird, um keine Augenschäden zu verursachen. Zwar sind bei 1.550 Nanometern höhere Leistungen möglich, da diese Wellenlänge nicht so leicht die Augenflüssigkeit durchdringt und damit die dahinterliegende Retina schädigen kann. Doch dieser Effekt hat auf der anderen Seite zur Folge, dass solche Laser bei Regen oder Schnee nicht so gut funktionieren. Zudem muss die zusätzliche Leistung abgeführt werden.

Doch gerade die Leistung könnte für einen Elektroautohersteller wie Tesla ein Problem darstellen. So soll der neue Cepton-Lidar Vista-X eine Leistung von 15 Watt benötigen. Würden davon fünf Sensoren pro Auto eingesetzt, ergäbe das zusammen 75 Watt und würde ein paar Kilometer Reichweite kosten. Energie, die bei passiven Kameras nicht aufgewendet werden muss.

Welche Auffassung zu den erforderlichen Sensorsystemen sich am Ende durchsetzen wird, dürfte sich schon in den kommenden Jahren zeigen. Es bleibt zu hoffen, dass es keine weiteren schweren Unfälle geben muss, um Elon Musk von seiner Überzeugung abzubringen.  (fg)


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