Solid-State-LiDAR: Zuverlässige, skalierbare Lösung für automobilen Sensorbereich

Das in Leuven ansässige Unternehmen XenomatiX liefert, was es „echte Solid-State-LiDAR-Sensoren“ nennt – eine Kombination aus Multi-Beam-Laserarchitektur und risikofreier, skalierbarer Halbleitertechnologie.

Anforderungen an LiDAR in der Automobilindustrie

Fortgeschrittene Automobilanwendungen wie ADAS und autonomes Fahren verlangen leistungsstarke Reichweiten- und Objekterkennung. LiDAR – auch Time-of-Flight (ToF) oder Laserradar genannt – erfüllt diesen Bedarf, indem es präzise optische Pulse aussendet und das zurückkehrende Signal misst. Wichtige Parameter sind Pulsleistung, Laufzeit, Phasenverschiebung und Pulsbreite.

LiDAR-Systeme lassen sich in zwei Hauptkategorien einteilen: mechanisch und optisch. Mechanische Geräte nutzen rotierende Köpfe für große Sichtfelder (bis 360°) und hervorragende Signal-Rausch-Verhältnisse, sind aber sperrig und schwer. Solid-State-LiDARs verzichten auf bewegliche Teile, bieten höhere Zuverlässigkeit und geringere Größe, hatten traditionell aber ein schmaleres Sichtfeld. XenomatiX überwindet diese Einschränkung mit einer Multi-Beam-Strategie.

XenomatiX' Ansatz

Die meisten LiDAR-Lösungen heute sind mechanisch und verlassen sich auf rotierende Köpfe, die schwer, teuer und anfällig für mechanische Ausfälle sind. Zwar reduzieren schwingende Spiegel die Größe, beinhalten aber noch bewegliche Komponenten. XenomatiX' Philosophie ist simpel: In der automobilen Sensorik sollte das einzige bewegliche Teil das Fahrzeug selbst sein.

Im Interview mit EE Times Europe erklärte CEO Filip Geuens: „Automobil verlangt Kosten, Größe und Zuverlässigkeit. Die Wahl der LiDAR-Technologie erfordert das Balancieren dieser drei Faktoren. Temporäre Laserdioden und bewegliche Teile sind nicht die Zukunft.“

Gegründet 2013 mit Hauptsitz in Leuven, Belgien, prägte XenomatiX den Begriff „echt“, um Solid-State-LiDAR-Systeme zu differenzieren, die halbleiterbasierte Laserquellen und Detektoren ohne jegliche Scanning- oder Bewegungsmechanik nutzen. Im Gegensatz zu konventionellen optischen LiDARs, die sequenziell einen einzelnen Strahl aussenden, messen und dann zur nächsten Richtung bewegen, feuert XenomatiX' System tausende Strahlen gleichzeitig ab.

„Durch Eliminierung des Scanning-Mechanismus und Einführung einer Multi-Beam-Architektur erreichen wir, was wir echte Innovation nennen“, so Geuens. „Die gesamte Szene wird in einem Blitz erfasst, was Reichweiten über 200 m bei normalem Stromverbrauch ermöglicht.“

Da das System im Global-Shutter-Modus arbeitet – die gesamte Szene in einem einzigen Frame erfassend – ist es immun gegen Motion Blur und benötigt keine ultraschnellen Lasertreiber, die Nanosekundenpulse emittieren.

Ohne Bedarf an schnellem Scanning genießt XenomatiX' LiDAR ein längeres Verarbeitungszeitfenster, was hochauflösende Punktwolken ohne Zeit-Raum-Korrektur oder Nachbearbeitung erlaubt – resultierend in höheren Frameraten und verbesserter Genauigkeit.

Der XenoLidar-X (siehe Abbildung 1) ist eine eigenständige Lösung ohne bewegliche Teile, geeignet für autonomes Fahren und industrielle Nutzung. Er projiziert 15.000 Laserstrahlen simultan und erreicht eine Auflösung von 0,15° sowohl horizontal als auch vertikal – erfüllend anspruchsvollste Marktanforderungen.

Abbildung 1: XenoLidar-X (Solid-State)

XenomatiX' Solid-State-LiDARs nutzen Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSELs), die geringen Stromverbrauch und überlegene Haltbarkeit im Vergleich zu herkömmlichen Diodenlasern bieten.

„Weil wir mehr Zeit für die Messung aufwenden können, können wir dennoch ausreichend Energie für Langstreckenerkennung bereitstellen“, sagt Geuens.

Die LiDARs werden als 6D-Sensoren klassifiziert, die eine perfekt überlagerte Punktwolke und ein 2D-Visuelles Bild liefern. Diese inhärente Kameraintegration eliminiert Parallaxenfehler und liefert komplementäre Daten für robuste Sensorfusion in Sicherheitsanwendungen. Die sechste Dimension ist Reflektivität, abgeleitet aus der Intensität des zurückkehrenden Lasersignals.

Geuens hob den kundenspezifischen CMOS-Detektor hervor: „Wir haben ein Pixel entworfen, das wie eine 3D-Kamera funktioniert und Koordinaten für jeden Punkt liefert. Es kann auch im 2D-Modus arbeiten und ein visuelles Bild liefern. Punktwolke und Bild werden an das ECU des Fahrzeugs gesendet, wo proprietäre KI-Algorithmen Freiraum und Objekte erkennen.“

Die vierdimensionale KI des Systems verarbeitet Muster im 3D-Raum kombiniert mit Intensität, was leistungsstarke Erkennungsfähigkeiten ermöglicht. Wenn der Laser aus ist, fungieren dieselben Pixel als herkömmliche Kamera; bei eingeschaltetem Laser erfassen sie 3D-Daten.

Solid-State-LiDARs bieten außergewöhnliche Zuverlässigkeit – kritisch für automobilen Einsatz. Die Mean Time Between Failure (MTBF) ist hoch aufgrund fehlender beweglicher Teile, langlebiger VCSELs und ausgereifter CMOS-Technologie.

Während drehende LiDARs natürlich bis zu 360° Abdeckung bieten, erreichen XenomatiX-LiDARs weite Sichtfelder durch Kombination mehrerer Module. Die Platzierung an Fahrzeugecken eliminiert tote Winkel.

Mit einem flexiblen, modularen Design bietet XenomatiX einen kleinen, leichten, zukunftssicheren Sensor, der sich leicht in Windschutzscheiben, Heckscheiben, Kühlergrills, Scheinwerfer, Rückleuchten und Stoßfänger integrieren lässt. Das Unternehmen arbeitet mit Tier-1-Zulieferern – AGC, Marelli, Kautex und anderen – zusammen, um anpassbare, modulare Lösungen zu entwickeln, die nahtlos in die Automobilarchitektur integriert werden können.

→ Dieser Artikel wurde ursprünglich auf unserer Schwesterseite EE Times Europe veröffentlicht.

Verwandte Inhalte

• Wellenlängenwahl in LiDAR-Systemen verstehen
• ADAS-Experten diskutieren Sensorintegration in zukünftigen Fahrzeugen
• Was treibt den Wandel in automobilen Elektroniksystemen?
• Time-of-Flight-Technologie verspricht erhöhte Genauigkeit
• Smart Cities: Der Fall für LiDAR in intelligenten Transportsystemen

Für mehr Embedded abonnieren Sie den wöchentlichen E-Mail-Newsletter von Embedded.