Benedikt Still
14.09.2016
Audi bringt den Laserscanner in Serie
Laserscanner ebnet Weg zum pilotierten Fahren

Was bei der Berlinale für Staunen sorgte, könnte bald Alltag werden: pilotiert fahrende Autos in der Stadt. Den Weg dorthin ebnet Audi mit einem Laserscanner, der in Kürze in Serie kommt. Blog-Autor Benedikt Still hat nachgefragt, wie der Laserscanner funktioniert und welche Rolle er beim pilotierten Fahren spielen wird.

"Den Laserscanner kann man sich vereinfacht wie einen ­Finger aus Licht vorstellen, der die Umgebung abtastet und die direkte Umwelt räumlich abbildet", erklärt Hans-Martin Kroll Konzeptentwickler von Sensoren für Fahrerassistenzsysteme

„Den Laserscanner kann man sich vereinfacht wie einen ­Finger aus Licht vorstellen, der die Umgebung abtastet und die direkte Umwelt räumlich abbildet“, erklärt Hans-Martin Kroll,
Audi Konzeptentwickler von Sensoren für Fahrerassistenzsysteme.

 

Im Blitzlichtgewitter rollt ein schwarzer Audi A8 zur Eröffnungsgala der Internationalen Filmfestspiele in Berlin. Hollywood-Star Daniel Brühl sitzt auf dem Beifahrersitz und schüttelt ungläubig den Kopf. Immer wieder blickt er auf den verwaisten Fahrersitz neben ihm: Das Lenkrad bewegt sich wie von Geisterhand und manövriert den Schauspieler  an den Roten Teppich. Dann bremst das Auto von selbst sanft ab und überlässt die aussteigenden Insassen der tosenden Menge.

Laserscanner erweitert Sensortechnik

Der heimliche Star des Abends ist allerdings nicht zu sehen: ein unscheinbarer und nur faustgroßer Laserscanner, dessen Serieneinsatz kurz bevorsteht. Er ist im Kühlergrill des A8 verborgen. Mit diesem optischen Pendant zum Radar erweitert Audi seine bewährte Sensortechnik um ein weiteres Messprinzip. Ein großer und wichtiger Entwicklungsschritt auf dem Weg zum pilotierten Fahren.

Schon heute erfasst ein Radarsystem das Vorfeld des Autos, eine 3D-Videokamera erkennt Fahrbahnmarkierungen, Leitplanken, Fußgänger und andere Fahrzeuge. Ultraschall-Sensoren und weitere Kameras überwachen den kompletten Bereich rund um das Auto. Durch die Fusion aller Sensordaten in einem zentralen Fahrerassistenzsteuergerät (zFAS) kann ein hochgenaues Bild der Umgebung errechnet werden.

Laserscanner verbessert Detailerkennung

Wichtig ist, dass die verschiedenen Sensoren in der Lage sind, ihre Daten im gegenseitigen Abgleich zu plausibilisieren. Ihre spezifischen Eigenschaften hinsichtlich der Reichweite und der Erfassungsgeschwindigkeit müssen sich gegenseitig ergänzen und im Fall einer Sensorstörung ausgleichen können. Kommen in Zukunft die Informationen des Laserscanners hinzu, verbessert das nicht nur die Redundanz, sondern auch die Detailerkennung statischer und dynamischer Objekte. Das Auto wird seine Umwelt umfassender wahrnehmen, Entfernungen präziser messen und Hindernisse noch zuverlässiger erkennen.

Autos wie der Audi A7 piloted driving concept verfügen über eine Vielfalt an Sensoren und Kameras.

Autos wie der Audi A7 piloted driving concept verfügen über eine Vielfalt an Sensoren und Kameras.

 

Die gegenwärtige Technik ist in der Lage, weit nach vorne zu schauen. Das Fernbereichsradar erfasst Objekte in fast 250 Metern Entfernung, die Kameras sehen immerhin rund 150 Meter weit. Dagegen erscheinen die 80 bis 100 Meter, die der Laserscanner aufbringt, fast bescheiden. Allerdings vervierfacht der Sensor das bislang 35 Grad enge Sichtfeld des Fernbereichsradars auf 145 Grad. Dank des verbreiterten Erfassungsbereichs kann das Auto andere Verkehrsteilnehmer und deren Verhalten, beispielsweise das Ein- und Ausscheren, künftig deutlich früher erkennen und interpretieren. Der Laserstrahl selbst ist für den Menschen dabei unsichtbar, denn er liegt im Infrarotbereich.

Unsichtbarer Infrarotlaser mit einer Wellenlänge von 905 nm (links) und rotierender Spiegel (rechts).

Unsichtbarer Infrarotlaser mit einer Wellenlänge von 905 nm (links) und rotierender Spiegel.

 

Der neue Sensor verbessert auch die Orientierung bei Nacht. Ähnlich wie ein Radar sendet der Laserscanner aktiv Signale aus und funktioniert daher weitgehend unabhängig vom Umgebungslicht. Ganz im Gegensatz zur Kamera, die auf einfallende Strahlung angewiesen ist und deren Performance bei Dunkelheit nachlässt.

„Den Laserscanner kann man sich vereinfacht wie einen Finger aus Licht vorstellen, der die Umgebung abtastet und die direkte Umwelt räumlich abbildet“, erläutert Hans-Martin Kroll, bei Audi Konzeptentwickler von Sensoren für Fahrerassistenzsysteme. Ein in Rotation versetzter Spiegel lenkt dabei im Innern des rund 500 Gramm leichten Geräts die Laserstrahlen in kleinen Einzelschritten fächerartig über den zu scannenden Bereich. Trifft der Strahl auf ein Objekt, wie zum Beispiel ein anderes Auto, werden Lichtteilchen in Sekundenbruchteilen auf den Spiegel zurückgeworfen. Photodioden detektieren das eingefallene Licht und setzen das optische Signal in digitale Informationen um.

Entfernungsmessung in Lichtgeschwindigkeit

Neben der Objekterkennung kann der Scanner auch die Entfernung zu einem Hindernis exakt bestimmen. Dazu misst die Elektronik die Zeit vom Aussenden eines Laserimpulses bis zu seiner Detektion an der Photodiode. Das geht extrem schnell: Der nur 0,004 Mikrosekunden dauernde Lichtpuls legt den Hin- und Rückweg zu einem Objekt in 100 Metern Entfernung in weniger als 0,7 Mikrosekunden zurück. Der menschliche Lidschlag erscheint mit einer Dauer von 350.000 Mikrosekunden im Vergleich wie eine Ewigkeit.

Der Laserscanner ist in die Fahrzeugfront integriert. Die Stahlen sind nur mit einer Spezial­kamera sichtbar.

 

Entscheidend ist aber nicht die hohe Geschwindigkeit der Messung, sondern die Verarbeitung der Daten. Das Auto muss die komplexe Welt des Straßenverkehrs in allen erdenklichen Situationen absolut zuverlässig erkennen und verstehen können. Dies ist nur möglich, weil die Audi-Entwickler dem Auto beigebracht haben, die reflektierten Strahlen und die sich daraus ergebenden Muster zu interpretieren: Anhand der Ansammlung von Punkten, sogenannten Punktwolken, kann das Steuergerät eine Vielzahl verschiedener Objekte unterscheiden. „Weil der Scanvorgang in 580 Laserpulse unterteilt ist und der Lichtpuls nach 0,25 Grad Spiegeldrehung ausgelöst wird, erreichen wir eine sehr hohe Auflösung“, erklärt Kroll. „Im Vergleich zum Radar erscheinen die Konturen deutlich schärfer. So gelingt es uns, Objekte besser zu klassifizieren.“

Jahrelange Entwicklungsarbeit

Die präzisen Daten des Laserscanners sind ein essentieller Bestandteil für die Berechnung eines dreidimensionalen Umgebungsmodells. Das zFAS fusioniert die hochgenauen Daten der Sensoren in Echtzeit und eröffnet durch die Verbindung zu einem cloudbasierten IT-Backend völlig neue Anwendungsmöglichkeiten, welche die Rolle des Automobils als emotionaler, komfortabler und moderner Lebensraum deutlich erweitern.

Dass sich der Laserscanner nahtlos und unauffällig in das Fahrzeugdesign integriert, ist der Erfolg jahrelanger Entwicklungsarbeit. Es ist nicht nur gelungen, einen bis dato mehrere Kilogramm schweren und meist auf dem Dach montierten Sensor auf die Größe einer Faust zu schrumpfen. Auch die Kosten des hochkomplexen Laserscanners sind heute um ein Vielfaches geringer. Dank der Serienreife des Sensors und dessen Anbindung an das zFAS steht der erste pilotiert fahrende Audi nun in den Startlöchern. Audi-Fahrer werden sich deshalb schon in naher Zukunft auf die Dienste eines äußerst umsichtigen Chauffeurs verlassen können.

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Verbrauchsangaben des genannten Modells: Audi A8: Kraftstoffverbrauch kombiniert in l/100 km: 11,2 – 5,7; CO2-Emission kombiniert in g/km: 259 – 146. Angaben zu den Kraftstoffverbräuchen und CO2-Emissionen bei Spannbreiten in Abhängigkeit vom verwendeten Reifen-/Rädersatz. // www.audi.de/DAT-Hinweis


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