Stauvermeidung in Städten

LiDAR im Einsatz zur Verkehrsflussoptimierung

Wer schon einmal während der Rush Hour in München über den Mittleren Ring gefahren ist, der kennt das enorme Problem von urbanen Räumen weltweit: Stau so weit das Auge reicht. Im Durchschnitt standen die Deutschen im Jahr 2018 120 Stunden im Stau, in München waren es sogar 140 Stunden. Für Autofahrer sind diese verlorenen Stunden ärgerlich und beeinträchtigen ihre Lebensqualität. Für den Staat Deutschland bedeuten diese Zahlen erhebliche wirtschaftliche Auswirkungen: Stau kostet jährlich mehrere Milliarden Euro, da Mitarbeiter im Stau stehen, statt produktiv zu sein und Warenlieferungen auf der Straße stehen, statt im Regal. Hinzu kommt eine hohe Umweltbelastung wegen des erhöhten Benzinverbrauchs und damit vermehrten CO2-Ausstoßes.

Stau ist ein Problem, besonders in den Städten. Neue Technologien können und werden jedoch einen wichtigen Beitrag leisten, um dieses Problem zu lösen.

 

Mehr wissen, als der einzelne Verkehrsteilnehmer

Wie entsteht Stau überhaupt? Stau ist ein verteiltes Problem, das dadurch zustande kommt, dass jeder Verkehrsteilnehmer für sich optimiert sein Fahrzeug steuert. Er schließt zum Beispiel zum vorausfahrenden Auto auf oder wechselt die Spur – was immer ihm als Möglichkeit erscheint, schneller an sein Ziel zu kommen. Da der einzelne Verkehrsteilnehmer gar nicht überblicken kann, wie er den Verkehr um sich herum beeinflusst, kann er auch nicht dementsprechend optimiert handeln. Dass ein auf-die-Bremse-steigen drei Kilometer hinter dem bremsenden Fahrzeug einen Stau auslösen kann, registriert der Autofahrer selber nicht.

An diesem Punkt muss angesetzt werden: Das Verhalten der Einzelpersonen muss in der Verkehrsplanung und -steuerung ausgeglichen werden, um den Verkehrsfluss zu optimieren. Die Lösung liegt darin, präemptiv und verteilt, also vorausschauend und über den einzelnen Teilnehmer hinaus, den Verkehr zu regeln. Dafür ist ein Gesamtüberblick über die Verkehrssituation nötig.

Mit GPS, Kameras und Sensoren zum Gesamtüberblick

Um diesen Gesamtüberblick zu erlangen, können verschiedene Technologien zum Einsatz kommen. Wirft man einen genauen Blick auf diese, stellt man fest, dass einige dieser Technologien sich aus verschiedenen Gründen eher weniger für die Ausstattung einer Smarten Infrastruktur eignen:

GPS:

GPS liefert wertvolle Daten, indem es die Bewegungsdaten der Verkehrsteilnehmer sammelt. Somit kann mit Hilfe dieser Technologie recht zuverlässig Stau gemeldet werden. Fußgänger und Radfahrer zu berücksichtigen, übersteigt allerdings die Möglichkeiten von GPS.

Statt, wie im Fall von GPS, mit Hilfe der Verkehrsteilnehmer Informationen zu sammeln, können Sensoren und Kameras in die Infrastruktur integriert werden, um das Verkehrsgeschehen zu beobachten. Hierfür werden die Geräte in Ampeln, Straßenlaternen oder Verkehrsschilder eingebaut und sammeln von dort aus Informationen über ihr Umfeld. Auch hier lassen sich klare Vor- und Nachteile der möglichen Technologien erkennen:

Kameras:

Kameras etwa sind in der Lage, Farbbilder zu erfassen, können aber bei Dunkelheit nicht mit gleicher Qualität eingesetzt werden. Zudem stellen sie die Daten lediglich in 2D zur Verfügung und geraten bei der Aufzeichnung und Speicherung von personenbezogenen Daten schnell in eine datenschutzrechtliche Grauzone.

Radar:

Radar wird bisher hauptsächlich zur Geschwindigkeitsüberwachung eingesetzt, könnte aber auch in der Verkehrsüberwachung Anwendung finden. Jedoch liefert Radar nur ein sehr ungenaues Bild: Die Technologie kann deshalb zwar Objekte erkennen, ist aber aufgrund der fehlenden Detailtiefe nicht in der Lage, diese auch zu klassifizieren. Mit Radar-Daten lässt sich also beispielsweise nicht zuverlässig zwischen Fußgänger und Radfahrer unterscheiden.

LiDAR erfasst Verkehrsteilnehmer präzise und anonymisiert

Eine Technologie, die sehr präzise zwischen allen Verkehrsteilnehmer unterscheiden kann, ist die laserbasierte LiDAR-Technologie. Die Sensoren liefern detaillierte und zuverlässige 3D-Informationen, die es ermöglichen zwischen den verschiedenen Verkehrsteilnehmern zu unterscheiden. Dabei kann erkannt werden, ob es sich bei der 3D-Punktwolke um einen Fußgänger oder Radfahrer handelt, allerdings ist die individuelle Identifizierung von einzelnen Personen nicht möglich, was die Privatsphäre der Verkehrsteilnehmer schützt.

Zudem sind LiDAR-Sensoren in der Lage, auch bei schwierigen Wetterbedingungen und Lichtverhältnissen zuverlässig Informationen zu sammeln. Dunkelheit, Staub oder Nebel machen der Technologie nichts aus. Neben Positions- und Objektinformationen erfassen die Sensoren zudem auch Geschwindigkeiten, was bei der Analyse des Verkehrsflusses oder Entstehungsgründen von Stau hilfreich sein kann.

Solid-State als Lösung für heutige LiDAR-Probleme

Die High-Tech Sensoren kommen aktuell vor allem im Bereich des autonomen Fahrens zum Einsatz und stehen vor einer großen Herausforderung: Heute verfügbare LiDAR-Sensoren sind teuer und störanfällig. Diese Probleme löst die Solid-State-Technologie. Bei dieser Art von LiDAR werden die beweglichen Bauteile, die den Laser ablenken, um die Umgebung abzutasten, durch wartungsfreie Komponenten ersetzt. Die Sensoren sind damit deutlich robuster und zudem günstiger – und somit für den breit gefächerten Einsatz in der Infrastruktur bestens geeignet.

Verkehrsinformationen ermöglichen konkrete Maßnahmen

Die in der Infrastruktur verbauten LiDAR-Sensoren liefern Informationen über die aktuelle Verkehrssituation in Echtzeit: Fließt oder stockt der Verkehr? Gibt es einen Unfall oder eine Baustelle? Stehen viele Fußgänger an der Ampel oder am Zebrastreifen?

Mit diesen Informationen lassen sich die folgenden Maßnahmen in Echtzeit und auf den Verkehr angepasst ergreifen, um den Verkehrsfluss zu optimieren:

  • Anpassung von Ampelphasen
  • Anpassung von Geschwindigkeitsbegrenzungen
  • Anzeigen von Stauwarnungen
  • Ausspielen von Umleitungsempfehlungen
  • Identifizierung und Umbau von Gefahrenstellen

In Zukunft wird man sogar noch einen Schritt weitergehen: Dann werden autonome Fahrzeuge die Informationen verwenden um ihre Fahrpläne und -routen dynamisch an das Verkehrsgeschehen anzupassen.

Städte, die sich wieder um den Menschen drehen

In vielen Städten sind heute noch deutlich die Einflüsse des Paradigmas der „autogerechten Stadt“ zu erkennen: Die Stadtplanung wird nach dem Ziel des ungehinderten Verkehrsflusses des Autos ausgerichtet. Auch wenn sich dieses Modell schon seit einigen Jahrzehnten starker Kritik gegenübersieht, sind viele Verkehrskonzepte in den Städten noch am motorisierten Individualverkehr orientiert.

Dieser Ansatz wird in den letzten Jahren zunehmend von der Forderung nach autofreien Zonen oder sogar ganzen Innenstädten verdrängt. Diese Forderungen zeigen deutlich: Die Städte- und Verkehrsplanung muss sich wieder mehr um den Menschen drehen. Die Bedürfnisse der Bewohner, Pendler und aller weiteren Verkehrsteilnehmer müssen in den Mittelpunkt rücken und das bedeutet, Mobilität so sicher und unkompliziert wie möglich zu gestalten. Fußgängerübergänge müssen sicherer konzipiert werden, Abbiegeunfälle vermieden werden, ausreichend Platz für Radfahrer geschaffen werden – die Liste der Maßnahmen ist lang. Die intelligente Steuerung des Verkehrs mit Hilfe einer smarten Infrastruktur ermöglicht genau das – und die LiDAR Technologie steht in ihrem Mittelpunkt.

LiDAR für alle – MEMS-Spiegel machen LiDAR-Sensoren fit für den Massenmarkt

LiDAR-Systeme haben in der Vergangenheit mit einigen Probleme zu kämpfen gehabt: Sie waren weder performant, noch robust genug für den Einsatz in der Automobilindustrie. Ein noch viel größeres Problem stellten allerdings bisher die Kosten für ein LiDAR-System dar: Die Sensoren waren viel zu teuer für den Massenmarkt Automobil. Dieses Problem ist Blickfeld angegangen. Die Technologie des Münchener Start-ups setzt auf MEMS-Siliziumkomponenten und hochautomatisierte Fertigung – und bereitet so dem autonomen Fahrzeug den Weg.

Das Problem: Fehlende Robustheit und zu hohe Produktionskosten

Die LiDAR-Technologie ist keine neue Erfindung, sie kommt bereits seit den 60er Jahren in verschiedenen Anwendungen zum Einsatz, etwa zur Messung von Emissionen in der Atmosphärenforschung oder zur Fernerkundung in der Archäologie. Doch die LiDAR-Systeme standen bisher vor einigen gravierenden Problemen:

  • LiDAR-Systeme sind sehr groß.
  • Die eingesetzte Mechanik ist empfindlich gegenüber rauen Umweltbedingungen wie Erschütterungen, Vibrationen, Hitze und Kälte.
  • Die Reichweite der bisherigen LiDAR-Systeme reicht für viele Anwendungen nicht aus.
  • Und: LiDAR-Sensoren sind heute weder in großen Stückzahlen noch zu erschwinglichen Preisen verfügbar.

All diese Punkte stellen besonders für die Automobilindustrie große Probleme dar, die händeringend nach leistungsfähigen LiDAR-Systemen mit robustem und produktionsskalierbarem Design sucht. Warum? Weil LiDAR essentiell für die autonom fahrenden Autos von morgen ist. In der Mobilität geht es immer um Abstände und Geschwindigkeiten. Nicht-Kollidieren ist essentiell im Straßenverkehr. LiDAR Sensoren erfassen unmittelbar und sicher. Experten gehen daher davon aus, dass zukünftig gleich mehrere LiDAR-Sensoren je Auto verbaut sein werden. Hierfür müssen aber zunächst die genannten Probleme überwunden werden.

Woher stammen die Probleme?

Klassische, mechanisch drehende LiDAR-Konzepte sind empfindlich und komplex im Aufbau und in der Fertigung, was zu großen Abmessungen und einem hohen Preis führt. Andere Technologien und Bauarten wie beispielsweise Optical-Phased-Array- und Flash-LiDAR haben zwar durchaus das Potenzial, deutlich weniger Bauraum zu benötigen und günstiger produziert werden zu können, sind aber noch am Anfang der Entwicklung oder haben systembedingte Nachteile, etwa eine sehr begrenzte Reichweite.

Die Lösung: MEMS-basierte LiDAR Sensoren

Eine vielversprechende Lösung stellen dagegen LiDAR-Sensoren dar, die auf MEMS-Spiegeln basieren. Ihre Siliziumbauweise ist bereits deutlich fortgeschritten und in vielen Anwendungen im Automobil sehr erfolgreich in Verwendung. Zudem kommt die MEMS-Technologie ohne rotierende Bauteile aus und ist daher viel robuster und langlebiger als die mechanischen LiDAR-Systeme. Auf dem Markt verfügbare MEMS-Spiegel zur Ablenkung der Laserstrahlen haben kleine Spiegelgrößen und kleine Ablenkwinkel, da diese für ihre bisherige Verwendung ausreichten. Ihre Leistung in Bezug auf die Reichweite und das abgedeckte Sichtfeld ist daher eingeschränkt.

MEMS-Spiegel im Wafer

Die Blickfeld-Lösung: Besonders große Spiegel

Auch Blickfeld setzt auf MEMS-basierte LiDAR-Systeme. Doch was macht das Unternehmen anders? Um die Reichweite der Sensoren zu erweitern, hat Blickfeld eigens MEMS-Spiegel entwickelt. Mit großzügigen Abmessungen von mehr als 10 Millimetern Spiegeldurchmesser kann somit ein hoher Anteil an einfallendem Licht auf den Fotodetektor gelenkt werden. So erkennt der LiDAR in mehr als 180 Metern Entfernung noch sicher sogar schwach reflektierende Objekte. Im Vergleich dazu verfügen herkömmliche MEMS-Spiegel über Durchmesser von nur wenigen Millimetern und kleine Ablenkwinkel, was beim Einsatz in LiDARs die Reichweite und das Sichtfeld entsprechend verkleinert.

Weitere Vorteile des in Blickfeld-Produkten verbauten MEMS-Spiegel sind:

  • eine große Auslenkung, was einen Scanwinkel von ca 100° x 30° und damit ein breites Sichtfeld ermöglicht.
  • Räumliche Filterwirkung durch koaxialen Aufbau: Das vom Laser ausgesendete und vom MEMS-Spiegel auf die Szenerie abgelenkte Licht wird nach der Reflexion an den Objekten im Feld auf einem optisch nahezu identischen Weg zurück auf den Detektor geleitet. Damit werden Lichtphotonen nur aus exakt der Richtung eingesammelt, in welche der Laser gesendet hat. Dadurch wird das Hintergrundlicht, etwa durch Sonne oder andere LiDARs minimiert und es entsteht ein sehr hohes Signal-Rausch-Verhältnis, was der Reichweite zugutekommt.

Der Blickfeld Cube auf einem Autodach

Wie begegnet Blickfeld dem Problem der Produktion?

Die von Blickfeld entwickelten MEMS-Spiegel lösen drei der vier genannten Probleme: Die LiDARs sind platzsparend, robust und performant. Wie begegnet Blickfeld aber dem Problem der kostenintensiven Herstellung? Indem es die Spiegel mit kostengünstigen fotolithografischen Produktionstechniken herstellt, die höchste Präzision bei extremer Skalierbarkeit ermöglichen, sogenannter MEMS Siliziumfertigung. Aus einem Standard-Silizium-Wafer mit einem Durchmesser von 200 Millimetern entstehen hochautomatisiert hunderte MEMS-Bauteile gleichzeitig. Die in der Halbleiterindustrie bereits seit Jahrzehnten erprobte und etablierte Methode verhilft der Technologie in den Massenmarkt.

Der MEMS-Spiegel ist dabei in einen Aufbau aus ‚commercial off-the-shelf‘, also handelsüblichen Standardkomponenten eingebettet. Dank dieser am Markt verfügbaren Laser- und Detektoreinheiten ist eine kostengünstige und skalierbare Produktion der Sensoren möglich.

Autonom fahrende Autos und noch so viel mehr

Der Einsatz von LiDAR-Sensoren erstreckt sich weit über die Automobilbranche hinaus und die Anwendungsfelder sind vielseitig. Um die Vorteile der Technologie nutzen zu können, hat Blickfeld die großen Probleme der LiDAR-Systeme aus dem Weg geräumt und sie somit für den Massenmarkt zugänglich gemacht. Die Zeit der LiDARs hat gerade erst begonnen!

cube in hand

Blickfeld und Koito entwickeln zukunftsweisende Technologien für die vollständige Integration von LiDAR-Sensoren in Scheinwerfer

München, Deutschland und Tokio, Japan. Blickfeld, ein führender Anbieter von Solid-State-LiDAR-Technologie, und Koito Manufacturing, der weltweit führende Anbieter von Fahrzeugaußenbeleuchtung, geben heute bekannt, dass sie an der Entwicklung eines LiDAR-Sensors arbeiten, der sich vollständig in Scheinwerfer integrieren lässt.

Die Integration von Blickfelds LiDAR in Koito-Scheinwerfer ermöglicht Automobilherstellern eine Echtzeit-3D-Kartierung und Objekterkennung, Klassifizierung sowie Tracking, ohne das Design des Fahrzeugs zu beeinträchtigen. Dies stellt einen beispiellosen Fortschritt im Bereich der serienmäßigen Fahrerassistenzsysteme (ADAS) und dem autonomen Fahren dar.

Mit der von Blickfeld für den Massenmarkt entwickelten 3D-Solid-State-LiDAR-Technologie werden die höchsten Leistungsanforderungen im Automobilbereich erfüllt. Das Herzstück des Blickfeld LiDAR ist dabei ein speziell für LiDAR-Anwendungen entwickelter MEMS-Spiegel aus Silizium.

Dr. Mathias Müller, Mitgründer und CEO von Blickfeld: „Mit seiner renommierten Expertise und starken Marktposition ist Koito ein ausgewiesener Pionier auf dem Gebiet der Autoscheinwerfer. Wir arbeiten seit Anfang 2018 sehr erfolgreich mit dem Koito-Team zusammen und freuen uns darauf, die nächste Generation von Beleuchtungsprodukten zu entwickeln”.

Yuji Yokoya. Executive Vice President von Koito: „Koito war auf der Suche nach innovativer, leistungsstarker LiDAR-Technologie aus aller Welt. Wir sehen Blickfeld hier als eines der vielversprechendsten Unternehmen seiner Branche“.

 

Über Blickfeld

Blickfeld, 2017 in München gegründet, ist ein Anbieter von 3D-LiDAR-Produkten für autonome Fahrzeuge und IoT-Anwendungen. Das Unternehmen hat eine eigene LiDAR-Technologie entwickelt, die auf patentierten Silizium-MEMS-Spiegeln sowie auf handelsüblichen Komponenten basiert. Die Blickfeld-LiDAR-Familie erfüllt höchste Leistungsanforderungen im Hinblick auf Kosten und Größe, die für den Massenmarkt erforderlich sind. Aufgrund ihrer vielfältigen Konfigurierbarkeit deckt sie verschiedene Anwendungsfälle ab. Das Team von Blickfeld besteht aus erfahrenen Fachleuten mit ausgewiesener Expertise in den Bereichen Elektronik, Optik, MEMS und Software.

Das Unternehmen wird von den Venture-Capital-Investoren Fluxunit – OSRAM Ventures, High-Tech Gründerfonds, Tengelmann Ventures und Unternehmertum Venture Capital Partners finanziell unterstützt. Weitere Informationen finden Sie unter www.blickfeld.com

 

About Koito

Under the corporate message, “Lighting for Your Safety”, Koito Manufacturing Co., Ltd (Koito) has been marking a history of leadership in automotive lighting since its establishment in 1915. Today, the Koito Group consists of 31 companies located in 12 countries worldwide and provides products and services to customers all over the world, through the global network led by five major regions (Japan, North America, Europe, China, and Asia.) Its products, recognized for its high quality and advanced technology, are widely used by automotive makers worldwide. The company is responding to the future transformation of mobility through the development of next-generation lighting technologies and related equipment, control systems, and environmentally friendly products, materials, and production methods. For more information please visit www.koito.co.jp/english.

 

punktwolke

LiDAR – Technological key for environment perception?

“Yes, it definitely is” says Florian Petit, tech-savvy founder of Blickfeld. “Light detection and ranging” a.k.a. LiDAR presents the latest possibility and most promising technology set to revolutionize many perception needs of the next generation of intelligent machines – with focus on the automotive industry as well as many other sub-segments around the Internet of Things (IoT)

When it comes to environment perception, nowadays it is all about LiDAR. The LiDAR technology allows a direct geometric measurement of distances regarding objects and provides a distance image, not a color image. The advantage is that data can be very effectively evaluated by computer algorithms, distances to other cars can be measured directly, for example. LiDAR technology produces a point cloud image, which is a digital twin of the real world. Dimensions of scenes, people or cars can be portrayed incredibly accrately. In combination with software, LiDAR systems work threefold starting with capturing scenes, followed by real-time perception and finally connecting multiple data sources for analysis.

Today, LiDAR systems prove to be an attractive alternative to cameras and radars with LiDAR bearing significant advantages – from high range and resolution up to a wide field of view. The question is not “if” but “when” LiDAR systems will rule different markets. LiDAR faces many challenges. Most important, as of now; products are still very expensive, hardly available, and not fully reliable.

“This is where we come in” says Florian. Blickfeld developed a totally new microfabricated MEMS silicon scanner. “We strive to provide a solution that is highly performant and mechanically robust with a high production scalability.” Next to performance and reliability being key for diverse applications (e.g. autonomous driving or high-safety solutions), a high production scalability means access for the mass market – a key ambition Blickfeld fully strives for.

Finally, it can be said that every testing car today as well as every consumer car tomorrow most likely will be equipped with LiDAR – an incredible potential for now and the future.