Entmystifizierung von LiDAR – Ein Überblick über die LiDAR-Technologie

LiDAR ist das neueste Schlüsselwort in der Welt der autonomen Fahrzeuge. Aber wie genau funktioniert die Technologie? Wie viele Typen gibt es? Und warum sollte man LiDAR statt anderer Sensoren einsetzen?
Entmystifizierung von LiDAR – Ein Überblick über die LiDAR-Technologie

Was ist LiDAR?

LiDAR steht für Light Detection and Ranging und ist eine beliebte Methode zur Umfelderfassung. Dabei wird Licht in Form eines gepulsten Lasers eingesetzt, um Objekte zu erkennen und zu kategorisieren. LiDAR-Sensoren erzeugen präzise, dreidimensionale Informationen über die Form und Oberflächeneigenschaften der umgebenden Objekte.

Die Technologie verwendet Laserstrahlen im augensicheren Bereich, um eine 3D-Darstellung der erfassten Umgebung zu erstellen. Typische LiDAR-Anwendungen umfassen Vermessung, Geographie, Atmosphärenphysik und Archäologie. Heute wird die Technologie zudem vermehrt in hochmodernen Anwendungen sowie in der Robotik, in Smart City-Anwendungen und in autonomen Fahrzeugen eingesetzt.

Kernkomponenten von LiDAR

Ein LiDAR-Sensor, der die Umgebung abtastet und in einem virtuellen 3D-Format abbildet, besteht in erster Linie aus einer Laserquelle, die Laserpulse aussendet, einem Scanner, der das Licht auf die Szene ablenkt, und einem Detektor, der das reflektierte Licht wieder aufnimmt. Weitere Elemente sind z.B. optische Linsen.

Wie funktioniert die Technologie?

Ein typischer LiDAR-Sensor folgt einem einfachen Prinzip, das auch als Laufzeit-Prinzip bekannt ist. Er sendet gepulste Lichtwellen in die Umgebung aus, die von umgebenden Objekten reflektiert werden und zum Detektor des Sensors zurückkehren. Die Zeit, die jeder Impuls bis zur Rückkehr benötigt, wird zur Berechnung der zurückgelegten Strecke verwendet.


Die nachstehenden Diagramme erklären kurz und bündig das Laufzeit-Prinzip:

Der Laser sendet Lichtpulse aus und detektiert das von den Objekten reflektierte Licht. Anschließend misst der Sensor die Zeit zwischen Aussendung und Rückkehr des Laserpulses und berechnet daraus exakte Entfernungen.

Dieser Vorgang wird millionenfach pro Sekunde wiederholt, und es entsteht eine präzise 3D-Echtzeitkarte der Umgebung. Diese 3D-Karte enthält Daten, die leicht zu analysieren und z.B. für autonome Fahrentscheidungen genutzt werden können.

Was sind die Grundtypen von LiDAR?

LiDAR-Sensoren können je nach Plattform, zugrundeliegender Technologie und Funktionsweise in verschiedene Kategorien eingeteilt werden. Das nachstehende Diagramm veranschaulicht die Hauptkategorien in Bezug auf die Plattformen.

Überblick über verschiedene LiDAR-Typen

Auf oberster Ebene lassen sich die LiDAR-Systeme in zwei Typen einteilen – LiDAR, die aus der Luft aufzeichnen und terrestrisches LiDAR.

LiDAR-Sensoren, die aus der Luft aufzeichnen (Airborne LiDAR)

Airborne LiDAR-Sensoren waren die ersten LiDAR-Systeme, die in den 1960er Jahren entwickelt wurden, vorwiegend für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt. Sie werden, wie der Name schon sagt, normalerweise in Flugzeugen, Hubschraubern oder manchmal sogar Satelliten installiert, um Daten zu sammeln. Die Sensoren senden gepulste Lichtwellen zur Bodenoberfläche aus, die nach dem Auftreffen auf das Objekt zum Sensor zurückkehren. Damit liefern sie eine genaue Entfernungsmessung und entscheidende Informationen über die Eigenschaften der Oberfläche. Natürlich benötigen diese Sensoren sehr leistungsstarke Emitter, um so große Entfernungen zu überbrücken, was sie zu hochkomplizierten und teuren Geräten macht.

Auch airborne LiDAR-Sensoren können wiederum in zwei Kategorien unterteilt werden: Topologische LiDAR-Sensoren, die zur Überwachung und Kartierung der Topographie einer Region eingesetzt werden, und bathymetrische LiDAR-Sensoren, die zur Messung der Tiefe von Wasserkörpern verwendet werden. Diese werden typischerweise für Anwendungen wie die topographische Kartierung von Wäldern, das Scannen des Meeresbodens und der Atmosphäre verwendet. Interessanterweise wurde LiDAR sogar bei der Apollo-15-Mission der NASA zum Scannen und Kartieren der Mondoberfläche eingesetzt. Lesen Sie hier über die vollständige Entwicklung der LiDAR-Technologie.

Terrestrischer LiDAR

Im Vergleich dazu werden terrestrische LiDAR-Sensoren vom Boden aus betrieben und tasten Objekte mit Hilfe von Spiegeln in mehrere Richtungen ab, anstatt ausschließlich nach unten zu scannen. Dadurch können sie auch Bereiche erfassen und abdecken, die für LiDAR-Sensoren, die aus der Luft aufzeichnen, unzugänglich sind.

Terrestrische LiDAR-Sensoren sammeln Datenpunkte mit hoher Präzision und Dichte, was eine sehr genaue Identifizierung von Objekten ermöglicht. Diese dichten Punktwolken werden verwendet, um Fahrzeuge zu erkennen, Autobahn- und Eisenbahnvermessungen durchzuführen oder 3D-Stadtmodelle zu erstellen, um nur einige Beispiele zu nennen.

Terrestrische LiDAR-Systeme werden wiederum in zwei Typen unterteilt – statische LiDAR-Sensoren und mobile LiDAR-Sensoren.

Statischer LiDAR

Statische LiDAR-Sensoren sammeln Punktwolken von einem statischen Standort aus. Sie können in jede Richtung scannen, auch nach oben. Der Sensor kann nach Abschluss eines Scans an verschiedene Orte transportiert werden, so dass das statische System – obwohl während der Scans fixiert – vollständig tragbar ist. Statische LiDAR-Sensoren werden im Allgemeinen im Bergbau, in der Vermessung und in der Archäologie eingesetzt.

Mobiler LiDAR

Mobile LiDAR-Sensoren sind wegweisend für moderne Kartierungs- und autonome Fahrlösungen. Die Methode kann zur Erfassung von Millionen von 3D-Konstruktionspunkten pro Minute eingesetzt werden. Der mobile Laser bietet eine hohe Datendichte und ist damit im Vergleich zu allen anderen LiDAR-Verfahren der schnellste Weg zur Koordinatenerfassung.

Verschiedene Typen mobiler LiDAR-Sensoren

Auch die Kategorie der mobilen LiDAR-Sensoren wird in weitere Unterkategorien unterteilt, in mechanische oder rotierende Sensoren und Solid-State-LiDAR-Sensoren.

Rotierende LiDAR-Sensoren sind auf Getriebe und Motoren angewiesen, um die Laserdioden mechanisch zu lenken. Dadurch bieten sie zwar eine 360-Grad-Sicht auf die Umgebung, aber die beweglichen mechanischen Komponenten sind anfällig für technische Störungen, empfindlicher gegenüber Vibrationen und aufgrund ihres komplizierten Designs, ihres Aufbaus und ihrer manuellen Konstruktion teuer. Dadurch sind sie auch in großen Stückzahlen nicht besonders kosteneffizient.

Solid-State-Systeme basieren im Vergleich dazu auf Halbleitertechnologie und haben daher keine frei beweglichen mechanischen Teile. Dadurch sind die Gesamtsysteme weniger kompliziert, kompakter und langlebiger. Außerdem sind sie kostengünstiger und können zuverlässig in Serie gefertigt werden. Daher stellen die Solid-State-LiDAR-Systeme einen Durchbruch für viele Anwendungen dar, insbesondere für die nächste Stufe des autonomen Fahrens.

Wie hebt LiDAR sich von anderen Sensortechnologien ab?

Die LiDAR-Technologie hat einige andere Technologien und Sensoren abgelöst, die für einige Anwendungsfälle nicht die benötigte Präzision geliefert haben. Für viele Problemstellungen, wie z.B. das Scannen zwischen Bäumen, erweist sich LiDAR als eine wertvolle Technologie, da sie eine schnelle, präzise und direkte Methode zur 3D-Kartierung bietet und gleichzeitig genaue und leicht analysierbare Daten erzeugt.

Auch bei Mobilitätsanwendungen, bei denen hohe Präzision und Zuverlässigkeit erforderlich ist, gewinnt die LiDAR-Technologie immer schneller an Popularität.

Diese Eigenschaften heben LiDAR von den meisten Alternativen ab, z.B. von photogrammetrischen Techniken, die Schwierigkeiten bei der Interpretation von Bodenerhebungen hatten. Moderne LiDAR-Systeme sind außerdem weitgehend unabhängig von Umweltfaktoren und können rund um die Uhr eingesetzt werden, was ihnen einen erheblichen Vorteil gegenüber Sensoren wie Kameras verschafft, die bei Dunkelheit oder Regen nahezu nutzlos sind.

LiDAR ist in der Lage, hochauflösende 3D-Bilder zu liefern, indem es Millionen von Datenpunkten in Echtzeit erzeugt. Dadurch entsteht eine präzise Karte der sich ständig verändernden Umgebung, die es ermöglicht, die Objekte zu erkennen und zu kategorisieren. So kann beispielsweise ein Auto leicht von einem Radfahrer unterschieden werden, was mit Radargeräten oder Ultraschallsensoren allein nicht möglich ist.

Dank seiner robusten Leistung, einer erweiterten Reichweite von bis zu 200 Metern und einer Abstandsgenauigkeit von wenigen Zentimetern ist LiDAR in der Lage, Objekte schnell zu erkennen.  Und dank des Aufkommens und der Einführung der Solid-State-Technologie konnten auch die Kosten dieser hochauflösenden 3D-Sensoren erheblich gesenkt werden, sodass sie sich perfekt für eine Vielzahl von Technologien eignen.

Die Zukunft gehört LiDAR

Angesichts der zahlreichen Vorteile ist die LiDAR-Technologie für viele moderne Anwendungen wie autonome Navigation, HD-Kartierung und Personenzählung unverzichtbar. Da sie bemerkenswerte Leistungsvorteile gegenüber anderen Technologien bietet, ist es nur eine Frage der Zeit, bis sie in den meisten Industriezweigen zum Einsatz kommen wird.

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