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Autonomes Fahren | Sensorik 04 2020 Elektronik automotive 13 Automatisierte Fahrzeuge müssen wenn sie erfolgreich sein sollen mit einem fest integrierten System von Sensoren die Fähigkeiten eines Menschen beim Autofahren nachahmen Typische menschliche Fahrer können etwa beim Fahren auf zwei Augen zwei Ohren und die taktilen Rückmeldungen des Autos zurückgreifen Das Gehirn verarbeitet all diese Informationen in Echtzeit und kann sich zudem auf einen umfangreichen Bestand an Fahrerfahrung beziehen Zu den Sensoren die zum Nachempfinden des menschlichen Fahrens benötigt werden gehören Radar LiDAR Kameras Inertial Measurement Units IMUs Trägheitsmesseinheiten und Ultraschallsensoren Bild 1 Jedes dieser Systeme hat seine Stärken aber auch buchstäblich blinde Flecken Es ist deshalb unwahrscheinlich dass einer dieser Sensoren jemals so weit verfeinert werden kann dass er ohne die anderen Sensoren auskommt In diesem Fachbeitrag geht es um die wichtigsten Überlegungen beim Design von LiDAR-Systemen die entscheidende Informationen zu jeder Lösung für das autonome Fahren beisteuern können Die LiDAR-Technik ist in autonomen Fahrzeugen ein enger Partner der Radar-Technik Die Tatsache dass beide ohne sichtbares Licht arbeiten ist entscheidend für das Fahren bei Nacht oder bei schlechten Lichtverhältnissen Während sich Radar gut für die Erkennung und Verfolgung über große Entfernungen eignet punktet LiDAR mit einer höheren Winkelauflösung was die Erkennung und Klassifizierung von Objekten gestattet Das heißt mit Radar lässt sich gut feststellen dass ein Objekt vorhanden ist und mit LiDAR lässt sich mehr über das per Radar detektierte Objekt herausfinden Bild 2 Beim Design eines LiDAR-Systems existieren verschiedene technische Herausforderungen darunter zuallererst die Notwendigkeit die in der Norm IEC 60825-1 spezifizierten Grenzwerte für den Schutz der Augen vor Strahlung im Nahinfrarot-Bereich einzuhalten Es gibt viele verschiedene LiDAR-Systemtopologien die durch unterschiedliche Designkomplexität und spezifische Vorund Nachteile gekennzeichnet sind Im Kern aber müssen bei allen diesen Designs dieselben grundlegenden Aspekte beachtet werden Da die Augensicherheit immer höchste Priorität hat soll der Blick im Folgenden auf andere Gesichtspunkte gerichtet werden wie etwa das Maximieren des Signal-Rauschabstands die Detektierungsanforderungen das Sichtfeld thermische Aspekte den Stromverbrauch und die Koppelnavigation Damit soll die Bedeutung der Augensicherheit selbstverständlich nicht heruntergespielt werden Sämtliche hier behandelten Aspekte sind von Bedeutung für Entscheidungen die auch Auswirkungen auf die Augensicherheit haben Signal-Rauschabstand entscheidend Was den Empfangspfad betrifft ist der Signal-Rauschabstand SNR des Systems ausschlaggebend für die Fähigkeit kleine Objekte in großen Entfernungen von beispielsweise 100 bis 300 m zu erkennen Das Grundrauschen des A D-Wandlers ADC kann nicht größer sein als die anderen Rauschquellen im Empfangspfad Wenn das Hintergrundlicht oder das Schrotrauschen des Signals geringer sind als das ADCGrundrauschen oder das Rauschen der Leiterplatte wird die Genauigkeit eingeschränkt Die Berechnung der Laufzeit Time of Flight ToF in einer Direct-Sampling-Topologie setzt voraus dass das System kurze Impulse von etwa 1 bis 5 ns erzeugen und mithilfe eines ADC mit hoher Abtastrate detektieren kann Mit Abtastraten von 1 GSPS ist das im Empfangspfad möglich Zu beachten ist ebenfalls dass die effektive Anzahl von Bits ENOB des ADC den vollen Ausgangsbereich des Transimpedanz-Verstärkers TIA abdecken muss ohne dass das Signal gekappt wird Man kann infrage stellen ob das System beispielsweise einen Basketball in 100 m Entfernung erkennen können muss Das Bestimmen der Reflexionseigenschaften und der Größe des betreffenden Objekts neben seiner Entfernung setzt dem akzeptablen SNR des TIA Grenzen Die Impulse die der ADC detektieren muss verlangen vom TIA eine hinreichende Bandbreite zum Erkennen kurzer Impulse Wegen des enormen Bereichs der Entfernung sowie der Reflektivität und Größe der Objekte mit denen die Systeme zurechtkommen sollen muss sich der TIA nach einer Sättigung regenerieren können Eine solche kann beispielsweise bei einem stark reflektierenden Objekt zum Beispiel einem nahen Geschwindigkeitsschild auftreten das einen großen Teil des ausgesendeten Lichts zurückwirft und damit zu einer Sättigung des Verstärkers führt Weil derartige Phänomene an der Tagesordnung sind ist die Schnelligkeit mit der sich ein System Bild 3 nach derartigen Ereignissen erholen und wieder präzise Informationen liefern kann entscheidend für die Sicherheit Das Sichtfeld und die Winkelauflösung wirken sich ebenfalls auf die Fähigkeit zur Erkennung des besagten Basketballs aus Die Komponenten die hauptsächlich die Größe des Bild 1 Netzdiagramm zum Vergleich von Kamera Radar und LiDAR Bild 2 Umgebungswahrnehmung autonomer Fahrzeuge mithilfe von LiDAR beide Bilder Analog Devices