LIANDRI
Advancing time-of-flight technology for high performance light detection and ranging
Photonische Sensorik als Wegbereiter für autonomes Fahren und Industrie 4.0
Sensortechnologie spielt heute eine wichtige Rolle in einer Vielzahl von Anwendungen von Alltagsgeräten über anspruchsvolle Industrieumgebungen bis hin zur Überwachung kritischer Infrastrukturen. Die Photonik ist hier zentraler Wegbereiter. Ein prominentes Beispiel ist die sogenannte „Time-of-Flight (ToF)“-Bildgebung: Durch die Beleuchtung einer Szene und die Messung der Laufzeit einzelner Lichtpulse können neben einer detaillierten 2D-Darstellung der Szene auch Tiefeninformationen gewonnen werden. Dies ist besonders attraktiv für 3DSensoranwendungen im Bereich der Objektlokalisierung, -verfolgung und -identifizierung, wie sie z. B. für die automatisierte Fertigung in Industrie 4.0 oder für selbstfahrende Automobile erforderlich sind. Rein elektronisch unterstützte Lösungen wie die Ultraschall-Detektion oder die RADARTechnologie weisen Schwachstellen hinsichtlich Reichweite und erreichbarer Auflösung auf. Konventionelle Kameras sind unter bestimmten Bedingungen, wie z. B. bei Blendung, nicht zuverlässig genug.
In dem transnationalen Verbundprojekt LIANDRI soll eine neuartige Komponententechnologie für die photonische Sensorik erforscht werden, die sich auf die lichtbasierte Detektion und Entfernungsmessung (LIDAR) mit hoher Präzision und Empfindlichkeit stützt. Die entwickelten Sensor-Demonstratoren sollen unter realistischen Bedingungen für die repräsentativen Anwendungen des automobilen LIDAR (autonomes Fahren) und der Objektverfolgung in engen Fertigungsumgebungen evaluiert werden.
Kurze Pulse und hohe Leistungen für genaue und robuste Messungen
Im Projekt soll ein LIDAR-Sensor entwickelt werden, der nach der direkten Time-of-Flight-Methode (Real Time of Flight, RToF) arbeitet. Dieser Ansatz erlaubt die Aufnahme von 3DPunktwolken in sehr kurzer Zeit, so dass für diese kurze Zeit eine starke Beleuchtung verwendet werden kann. In Bezug auf das Timing ist dies eine Herausforderung, bietet aber gleichzeitig deutliche Vorteile wie z. B. eine reduzierte Empfindlichkeit bei starkem Gegenlicht, einer kritischen Situation beim autonomen Fahren. Damit ist der RToF-Ansatz konventionellen LIDAR-Systemen überlegen.
Der LIDAR-Aufbau erfordert verschiedene Komponenten: Eine Lichtquelle beleuchtet die Szene mit Lichtpulsen einer Dauer von nur circa 10 Nanosekunden. Mittels eines sogenannten „Beam-Steering-Moduls“ wird der Öffnungswinkel der Beleuchtung vergrößert. Das Bild der Szene wird über ein spezielles Diodenarray (SPAD-Array, single-photon avalanche diode) erfasst, das über zwei Dioden pro Pixel verfügt und damit in der Lage ist, die Zeit des Eintreffens der reflektierten Pulse zu messen. Aus dieser gemessenen Zeit wird dann eine 3D-Punktwolke erzeugt, die weiter ausgewertet werden kann.
Die deutschen Partner stellen zwei Module für das transnationale Gesamtprojekt bereit: Die Universität Siegen erforscht die gepulste (Laser-)Beleuchtung, der Partner soft2tec GmbH Modelle, Algorithmen und Schnittstellen zur Auswertung der Punktwolke. Zur Pulserzeugung soll ein Chip entwickelt werden, der sowohl das Timing für den Laser als auch für das SPADArray bereitstellt. Dazu soll ein leistungsfähiger Treiber integriert werden, um die nötige Pulsleistung von circa 35 bis 50 W zu liefern. Die Auswertung der Punktewolke erfolgt dann durch eine Erkennung von eingelernten 3D-Mustern, um so eine Positions- und Lagebestimmung des Sensors im Raum in Echtzeit zu ermöglichen.
