LiDAR-Sensoren sind häufig nur im Zusammenhang mit autonomem Fahren bekannt. Dabei ist der Anwendungsbereich äußerst vielfältig und reicht vom automatisierten Hafenbetrieb über Verkehrslenkung bis zu hochwertigen Mährobotern. Das rasch steigende globale Marktvolumen soll nach einer Analyse von Mordor Intelligence in diesem Jahr bei 2,8 Mrd. $ liegen, inklusive Leiterplatten (Abb. 2).
Abb. 2: Basisleiterplatte eines LiDAR-SystemsIn dieser Kolumne liegt der Schwerpunkt auf den Applikationen in Häfen (Abb. 1) und im Bahnbetrieb.
Ein LiDAR-Sensor (Light Detection and Ranging) verwendet ein gepulstes Laserlicht, um Entfernungen bis 600 m zu messen und detaillierte 3D-Darstellungen der Umgebung zu erstellen. Dabei werden Laserimpulse ausgesendet und die Zeit gemessen, die das Licht benötigt, um nach dem Aufprall auf Objekte zum Sensor zurückzukehren. Diese Flugzeitmessung (Time-of-Flight ToF) ermöglicht präzise Entfernungsberechnungen und damit die Erstellung detaillierter 3D-Modellbilder.
Directional LiDAR
Im Gegensatz zu herkömmlichen LiDAR-Sensoren mit vielen beweglichen Teilen wie rotierenden Spiegeln bietet der gerichtete (Solid State)-LiDAR ein präzises, zielgerichtetes Sichtfeld – ideal, wenn fokussierte, hochwertige Daten aus einem bestimmten Bereich benötigt werden. Dazu gehören auch MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)-LiDAR-Applikationen, z. B.:
- Autonome Fahrzeuge für punktgenaue Richtungsbestimmung
- Annäherungserkennung, für Sicherheit in dynamischen Umgebungen
- Robotik für präzise Navigation und Objekterkennung
- Intelligente Transportsysteme, z. B. in Häfen, präzise Navigation und Objekterkennung
Einsatzmöglichkeiten von LiDAR in Häfen:
Smart Harbors oder intelligente Häfen liegen im Trend mit ihren ‚vollautomatischen Container Terminals'. Automatisierte Terminals haben eine höhere Effizienz, benötigen weniger Personal, ermöglichen Fernsteuerung und Berührungslosigkeit.
LiDAR ist dabei ein System, das Laser-, GPS- und INS-Technologien kombiniert, um Daten zu erfassen und ein genaues DEM (Digitales Höhenmodell) zu erstellen. Die LiDAR-Methode verwendet einen Hochfrequenz-Bilderfassungs- und Verarbeitungsmechanismus. Die Abtast- und Scanraten sind einstellbar und können an die Spezifikationen angepasst werden.
Abb. 3: SICK LMS1xx, kompakter 2D-LiDARSensor für Indoor- und OutdoorapplikationenAnlegehilfe: Ein Ultra-Long-Range-LiDAR-System wird an Land montiert mit einem Erfassungsbereich von 1,5 m bis 500 m und einem Sichtfeld (H × V) 120° × 25° bei einer Auflösung von 0,06° × 0,06°. Der Class-1-Laser hat eine Wellenlänge von 1550 nm bei 152 Scanlinien @ 10 FPS Bildrate. Er liefert Echtzeit-Einblicke in die Positionierung von Schiffen – er erfasst Entfernung, Geschwindigkeit, Kurs und 3D-Abmessungen, um das Anlegen zu optimieren und die Risiken beim Anlegen zu verringern.
Be- und Entladen von Containern: Ein anderes LiDAR-System ist in Kräne und intelligente Steuerungssysteme integriert und ermöglicht einen automatisierten Frachtumschlag, präzise Containerverlagerungen und ein sicheres Entladen von Schiffen mit maximaler Effizienz und Sicherheit. Durch eine bildgenaue Darstellung rund um die Uhr und mit Allwettertauglichkeit definiert LiDAR die Arbeitsweise von Häfen neu – vom Ufer bis zum Lagerplatz. Der Erfassungsbereich liegt bei 0,1 m bis 150 m und einem Sichtfeld (H × V) 120° × 70° bei einer Auflösung von 0,15° × 0,36°. Der Class-1-Laser hat eine Wellenlänge von 905 nm bei 192 Scanlinien.
LiDAR-Einsatz im Fährhafen Tallinn/Estland zu Ladeoptimierung
Im Fährhafen von Tallinn werden jährlich 1,8 Mio. Pkw und Lkw mit 10,5 Mio. Passagieren abgefertigt. Bei der Erfassung der Fahrzeuge wurden drei LiDAR-Scanner (Abb. 3) eingesetzt, die sowohl die Länge als auch die Breite und das Profil des Fahrzeuges scannen. Danach werden die Fahrzeuge auf eine von 14 Fahrspuren dirigiert zur optimalen automatisierten Beladung der Fähren (Abb. 4).
Abb. 4: Verkehrslenkung durch zwei D-LiDAR-Sensoren im Fährhafen Tallinn
LiDAR im Bahnverkehr
Herkömmliche Sicherheitsmaßnahmen im Schienenverkehr – von physischen Barrieren bis hin zur Videoüberwachung – reichen oft nicht aus, wenn es um Fernsichtbarkeit und Genauigkeit unter komplexen, realen Bedingungen geht. Dabei ist die Allwettertauglichkeit bei Regen, Schnee, Nebel sowie bei Tag und Nacht ein wesentlicher Faktor für LiDAR-basierte Schienenverkehrslösungen.
Bildähnliche Punktwolken schaffen mit Deep-Learning-Unterstützung weniger Fehlalarme und sorgen für eine höhere Erkennungsgenauigkeit.
Dabei ist ein LiDAR-System nicht nur für Züge geeignet. Auch an heiklen Stellen wie Tunneln und Bergpässen erkennt das System Gefahren durch Naturgewalten oder unerwartete Erdrutsche. In U-Bahn-Stationen kann ein LiDAR-System die Bahnsteige und die Lücken zwischen den Bahnsteigen auf Personen überwachen.
Abb. 5: LiDAR-System zur proaktiven Hinderniserkennung in Zügen
Proaktive Hinderniserkennung
Zur proaktiven Hinderniserkennung insbesondere bei Nacht oder unsichtigen Wetterverhältnissen kann ein LiDAR-System die Sicherheit erheblich erhöhen (Abb. 5). Dazu wird ein Ultra-Long-Range-LiDAR-System hinter der Frontscheibe eines Zuges installiert mit einem Erfassungsbereich von 1,5 m bis 500 m und einem Sichtfeld (H × V) 120° × 25° bei einer Auflösung von 0,06° × 0,06°. Der Class-1-Laser hat eine Wellenlänge von 1550 nm bei 152 Scanlinien @ 10 FPS Bildrate.
Bei einem Test wurde eine maximale Erkennungsreichweite von Hindernissen von 492 m erreicht. Eine Pappschachtel mit 50 cm Kantenlänge wurde definiert 195 m vorher erkannt, wobei der Verlust durch die Frontscheibe etwa 5 % bei gleicher Punktwolkenanzahl beträgt (Abb. 6).
Abb. 6: Test zur Hinderniserkennung durch ein LiDAR-System hinter der Frontscheibe eines Zuges
Auf den Punkt gebracht
- LiDAR-Sensoren (Light Detection and Ranging) verwenden ein gepulstes Laserlicht, um Entfernungen von wenigen cm bis 600 m zu messen und detaillierte 3D-Darstellungen der Umgebung zu erstellen.
- Vollautomatische Terminals sind das Kernstück in modernen Häfen. Dabei reicht der LiDAR-Einsatz vom Be- und Entladen von Containern bis zur An- und Ablegehilfe von Schiffen.
- Auch bei der Ladeoptimierung von Fähren wie dem Scannen von Länge, Breite und Profil von Fahrzeugen kommen LiDAR-Sensoren zum Einsatz.
- Im Bahnverkehr geht es um die Hinderniserkennung auf dem Gleiskörper vor allem nachts und bei unsichtigem Wetter. Hinzu kommen Nahbereichs-LiDARs zur Sicherung von Bahnreisenden in Türen.
Die Preise für LiDAR-Sensoren variieren stark je nach Anwendungsbereich und benötigter Auflösung. Einstiegsmodelle können bereits für unter 100 $ erhältlich sein, während hochauflösende Sensoren für den Automobilbereich zwischen 600 und 1.500 $ kosten können. Die Preise sinken tendenziell, insbesondere durch die zunehmende Kommerzialisierung des autonomen Fahrens und den wachsenden Wettbewerb unter den Herstellern.
Ich wünsche Ihnen einen kraftvollen Start in den Herbst. Bleiben Sie uns gewogen.
Ihr
Hans-Joachim Friedrichkeit
