Neues Sensor-System für automatisiertes Fahren

Extremempfindliche Sensoren sorgen fuer optimaleSicht

Automatisiertes Fahren ist eines der Zukunftsthemen der Automobilbranche. Nachdem es im Sommer in den USA erstmals zu einem schweren Unfall mit einem selbstfahrenden Elektroauto kam, wurden Sicherheitsfragen wieder verstärkt diskutiert. Neue Sensor-Systeme könnten künftig derartige Zwischenfälle verhindern.

Das selbstfahrende Fahrzeug kollidierte bei eingeschaltetem Autopiloten mit einem Lkw. Die Frontkameras konnten laut Hersteller den Sattelzug nicht richtig erkennen. Zudem hatte eine falsche Radarmessung die Vollbremsung verhindert.

„Die Genauigkeit der Kamera ist von der jeweiligen Lichtsituation abhängig. In diesem Fall hat sie versagt. Das Radarsystem hat das Hindernis zwar erkannt, konnte es aber nicht genau lokalisieren und verwechselte den Lkw mit einem Wegweiserschild“, sagt Werner Brockherde, Geschäftsfeldleiter CMOS Image Sensors am Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS in Duisburg.

Der Forscher und sein Team setzen auf eine von ihnen weiterentwickelte Alternative, die LiDAR-Technologie (Light Detection and Ranging). Sie schafft die Voraussetzung für das selbstständige Lenken, Bremsen und Beschleunigen. „LiDAR hätte die Unfälle wahrscheinlich verhindern können“, so Brockherde. Das System könnte beim automatisierten Fahren die bisher genutzte Kamera- und Radartechnik ergänzen. Damit wäre eine komplette Aufnahme des Fahrzeugumfelds möglich und Hindernisse im Verkehr könnten erkannt werden.

Wie funktioniert die Technik? Die LiDAR-Systeme senden gepulste Laserstrahlen, die an der Oberfläche von Objekten reflektiert werden. Mit sogenannten Time-of-Flight-Kameras empfängt das LiDAR-Gerät die zurückgestreuten Signale: Anhand der Laufzeit werden Abstand, Position und Geschwindigkeit von anderen Objekten errechnet.

Orientierung mit Lichtblitz

Beim traditionellen LiDAR wird ein einziger Laserstrahl auf einen rotierenden Spiegel gelenkt, der so die Umgebung im 360-Grad-Winkel erfasst. Google verwendet die Technologie für seine Driverless Cars. Diese Spiegelvarianten sind jedoch klobig und mechanisch fehleranfällig. Deshalb entscheiden sich viele Automobilhersteller gegen das System.

Das Forscherteam am IMS verwendet daher sehr empfindliche Sensoren, die ohne rotierenden Spiegel auskommen. Sie erfassen mit einem einzigen Laserblitz die gesamte Szenerie – die Umgebung des Fahrzeugs. „Flash-LiDAR“ bezeichnen die Forscher ihre neue Generation von Sensoren. Sie besteht aus mehreren speziellen am IMS entwickelten Photodioden, sogenannten Single-Photon Avalanche-Dioden (SPADs). Damit wird nicht nur ein Punkt beleuchtet, sondern ein rechteckiges Messfeld.

Die SPADs sind hundert Mal empfindlicher als beispielsweise in Smartphones integrierte Photodioden. Der Vorteil gegenüber dem klassischen LiDAR-System: Sowohl Sensor als auch Auswertelektronik sind auf nur einem Chip verbaut. Dadurch ist die Entwicklung klein und flach. Automobilhersteller können sie problemlos etwa hinter der Windschutzscheibe oder dem Scheinwerfer verbauen.

Ziel der IMS-Forscher ist es, mit Flash-LiDAR eine Entfernung von bis zu 100 Metern abzudecken. 2018 werden die ersten dieser Systeme in Serie gehen, die auch für andere Anwendungsfelder wie Medizin, Analytik oder Mikroskopie interessant sind.

Foto: © Foto Fraunhofer IMS