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Autonomes Fahren: Forscher packen LED-Licht, LiDAR und Radar in den Autoscheinwerfer

Fraunhofer FHR packt LED-Licht, LiDAR, und Radar in einen Autofrontscheinwerfer mit Multispektral-Combinern.
Fraunhofer FHR packt LED-Licht, LiDAR, und Radar in einen Autofrontscheinwerfer mit Multispektral-Combinern.
Die Autohersteller arbeiten mit Wissenschaft und Forschung fieberhaft an leistungsfähigen und sicheren Lösungen für das Autonome Fahren. Die Zahl der dafür notwendigen Sensoren im Auto steigt und wirft die Frage auf: wohin mit der ganzen Sensorik? Forscher entwickeln eine platzsparende Lösung und packen LED-Licht, LiDAR und Radar in die Frontscheinwerfer des Autos.

LiDAR (light detection and ranging) ist für das automatisierte Fahren ab SAE-Level 4 neben Radar, Video und Ultraschall ein wichtiger Baustein im Auto. Für unterschiedliche Fahrsituationen, bei verschiedenen Geschwindigkeiten und Umgebungsbedingungen, sind für Fahrassistenz-, Selbstfahr- und Sicherheitssysteme allerdings viele weitere Sensortypen notwendig.

Die Auswertung und Überwachung von Nah- und Fernbereich rund um das Auto erfolgt im unmittelbarem Umfeld des Fahrzeugs (bis 2,5 Meter) mit Ultraschallsensoren (Parkhilfen). Bis 20 Meter ergänzt der Nahbereichsradar (24 GHz) mit Short-Range-Radarsensoren (SRR) die Umfeldüberwachung (Totwinkel). Für den mittlere Bereich bis 80 Meter und Funktionen wie dem Spurhalteassistenten werden Videokameras eingesetzt. Für bessere Nachtsicht (bis 150 Meter) lassen sich Infrarotkameras nutzen. Der Bereich bis 200 Meter für ACC (Adaptive Cruise Control) wird mit Long-Range-Radarsensoren (LRR, 76,5 GHz) überwacht.

Fraunhofer FHR: LED-Scheinwerfermodell mit Multispektral-Combinern zur koaxialen Zusammenführung von optischem Licht, LiDAR- (rot) sowie Radarstrahlung (grün) zur platzsparenden Sensorintegration für Fahrerassistenzsystem der nächsten Generation.
Fraunhofer FHR: LED-Scheinwerfermodell mit Multispektral-Combinern zur koaxialen Zusammenführung von optischem Licht, LiDAR- (rot) sowie Radarstrahlung (grün) zur platzsparenden Sensorintegration für Fahrerassistenzsystem der nächsten Generation.

Je nach Fahrzeug und Ausstattung lassen sich für mehr Komfort, Sicherheit und Autonomes Fahren weitere Sensoren in das Auto integrieren, wie beispielsweise ein Eck-Radarsensor (bis 160 m, 76,5 GHz), der weitere Fahrerassistenzfunktionen auf der Autobahn und im komplexen Stadtverkehr möglich macht. Die steigende Anzahl der Sensoren benötigt auch immer mehr Platz. Forschende der Fraunhofer-Gesellschaft packen einige der Sensoren unauffällig in den Frontscheinwerfern und kombinieren dabei optisches Licht, Radar und LiDAR.

Fraunhofer FHR: 3D-Visualisierung der multispektralen Scheinwerferoptik.
Fraunhofer FHR: 3D-Visualisierung der multispektralen Scheinwerferoptik.

Statt den Kühlergrill des Autos mit Sensoren vollzupflastern, braucht es designtaugliche und platzsparende Lösungen, die Funktion und Leistung der Einzelsysteme nicht beeinträchtigen. Daran arbeiten gleich fünf hochspezialisierte Fraunhofer-Institute, darunter das Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR, im Projekt "Smart Headlight" zusammen. Ziel des Projekts: Entwicklung eines sensorintegrierten Frontscheinwerfers für Fahrerassistenzsysteme, bei dem unterschiedliche sensorische Elemente mit adaptiven Lichtsystemen kombiniert werden.

Für unterschiedliche Fahrsituationen, bei verschiedenen Geschwindigkeiten und Umgebungsbedingungen, sind für Fahrassistenz-, Selbstfahr- und Sicherheitssysteme viele verschiedene Sensoren notwendig.
Für unterschiedliche Fahrsituationen, bei verschiedenen Geschwindigkeiten und Umgebungsbedingungen, sind für Fahrassistenz-, Selbstfahr- und Sicherheitssysteme viele verschiedene Sensoren notwendig.

Der Ansatz hierfür ist hochkomplex, da sich alle Komponenten im Autoscheinwerfer nicht untereinander behindern dürfen. Die Wissenschaftler und Forscher der Fraunhofer-Institute entwickeln daher eine multispektrale Scheinwerferoptik als sogenannten Multispektral-Combiner, der die Wellenlängen von Licht (400 bis 750 nm), LiDAR (860 bis 1.550 nm) und Radar (4 mm) koaxial und damit gleichachsig zusammenführt. Mit der koaxialen Strahlenführung lässt sich ein Parallaxenfehler vermeiden, der sonst erst noch kompliziert herausgerechnet werden müsste.

Hier nutzen die Forschenden sogenannte Bi-Combiner: Für die Kombination von LED-Licht und LiDAR wird ein speziell beschichteter, dichroitischer Spiegel eingesetzt, mit dem beide Strahlenbündel über eine wellenlängenspezifische Reflexion auf eine Achse gebracht werden. Noch komplizierter wird es für die Kombination der unterschiedlichen Wellenlängen von LED- und LiDAR-Licht und Radar. Hierfür kommt ein zweiter Combiner zum Einsatz. Da Radarsensoren im Automobilbereich bereits weit verbreitet sind, soll der Bi-Combiner so ausgelegt werden, dass die Hersteller vorhandene Sensoren ohne Anpassung weiterverwenden können.

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Autor: Ronald Matta,  8.10.2022 (Update:  8.10.2022)