Automobil-Lidar und wie es funktioniert

Was ist Lidar (LiDAR)? Lidar kombiniert Radarentfernungsfunktionen mit der Winkelauflösung der Kamera, um eine genaue Tiefenerkennung zur Vervollständigung des Bildes zu ermöglichen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Kameras, Radar und Lidar sind die drei Technologien der Wahl für autonomes Fahren. (Bildnachweis: ADI)

Der visuelle Teil stellt die Sichtbarkeit der Kamera oder des Fahrers, die Objektklassifizierung und die seitliche Auflösung dar. Dunkelheit und Wetterbedingungen wie Schnee, Staub oder Regen können diese Fähigkeiten beeinträchtigen. Der Radarteil stellt die Rückkehr des HF-Signals dar. Dieses Signal ist unempfindlich gegenüber Wetterbedingungen und Dunkelheit und misst gleichzeitig die Entfernung. Der Lidar-Teil kann das Erfassungsbild vervollständigen, indem er weitere Objektklassifizierung, seitliche Auflösung, Entfernungsmessung und Dunkeldurchdringung bereitstellt.

Wie funktioniert Lidar?
Zu den Grundelementen eines Lidar-Systems gehören ein Rechteckwellen-Sendersystem, die Zielumgebung und ein optisches Empfängersystem, das zur Interpretation der Abstände zu externen Elementen in der Umgebung verwendet wird. Bei der Lidar-Erfassungsmethode wird Licht in Form eines gepulsten Lasers verwendet, um die Entfernung zu messen, indem die Flugzeit (ToF) des zurückgegebenen Signals analysiert wird (Abbildung 2).

Abbildung 2: Jede Lidar-Sendeeinheit verfügt über ein dreieckiges „Sichtfeld“. (Bildnachweis: Bonnie Baker)

Die Entfernungsanzeige ist abhängig vom optischen Digitalsignal.

Signale im digitalen Bereich
Die Schaltungslösung von Lidar besteht darin, das Problem des Signalempfangs durch Automobil-Transimpedanzverstärker zu lösen. Die Eingangsstufe wird verwendet, um negative Eingangsstromimpulse vom Fotodetektor zu akzeptieren (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der elektronische Teil eines Lidars besteht aus einem Laserdiodensender und zwei Fotodiodenempfängern. (Bildnachweis: Bonnie Baker)

Laserdioden übertragen digitale Impulse durch ein Stück Glas. Dieses Signal wird auch auf der D2-Fotodiode reflektiert. Die Verarbeitung dieses Signals sorgt für die im System integrierte Laufzeit und elektronische Verzögerung.
Die digitalen Lichtsignalimpulse treffen auf das Objekt und werden zum optischen System zurückreflektiert. Der zurückkommende Impuls wird auf die zweite Fotodiode D1 gespiegelt. Der elektronische Teil des D1-Signalpfads ist der gleiche wie der D2-Signalpfad. Die Flugzeit kann berechnet werden, nachdem die beiden Signale den Mikrocontroller (MCU) erreicht haben.

Marktschnappschuss
Automotive-Lidar-Systeme nutzen gepulstes Laserlicht, um den Abstand zwischen zwei Fahrzeugen zu messen. Automobilsysteme nutzen Lidar, um die Fahrzeuggeschwindigkeit und Bremssysteme als Reaktion auf plötzliche Änderungen der Verkehrsbedingungen zu steuern. Lidar spielt eine wichtige Rolle in halb- oder vollautomatischen Fahrzeugassistenzfunktionen wie Kollisionswarn- und -vermeidungssystemen, Spurhalteassistenten, Spurverlassenswarnungen, Totwinkelwächtern und adaptiven Geschwindigkeitsregelungen. Automotive Lidar ersetzt Radarsysteme in früheren Fahrzeugautomatisierungssystemen. Lidar-Systeme können eine Reichweite von wenigen Metern bis über 1.000 Metern haben.

Abbildung 4: Der Automobil-Lidar-Markt ist in halbautonome und vollständig autonome Fahrzeuganwendungen unterteilt. (Bildquelle: Allied Market Research)

Selbstfahrende Autos sind bereits weit verbreitet und Lidar-Bildgebungssysteme werden die Situation weiter verbessern. Radar, Kameras und Lidar-Geräte sind immer noch die Technologien der Wahl für halbautonomes und vollständig autonomes Fahren, und der Preis für Lidar sinkt, und der Markt beschleunigt diesen Wandel.