Autos mit Weitblick

Auslöser für die Kontroverse war ausnahmsweise nicht einer der sonst üblichen Kommentare des exzentrischen Elon Musk auf Twitter, sondern eine Äusserung des Tesla-Chefs an einer Pressekonferenz zum Thema autonome Fahrzeuge: «Hersteller, die sich auf Lidar verlassen, werden untergehen. Untergehen! Der Einsatz von Sensoren wie Lidar, die keine Strassenschilder lesen können, macht keinen Sinn. Es ist teuer, hässlich und erhöht unweigerlich die Kosten des Fahrzeugs.» Es ist nicht das erste Mal, dass Musk diese Technologie kritisiert. Schon früher zeigte er mit dem Finger auf das Lidar und verglich es mit einer «Krücke». Es führe nur dazu, dass die Hersteller in «einer Komfortzone verharren, aus der sie nur schwer wieder herausfinden», meinte er und beendete damit – vermeintlich – die Debatte über das Lidar.

Hätte sich jemand so geäussert, der nicht schon für eine Revolution im Automobilbereich gesorgt hat, so hätte man diese Bemerkung wohl eher belustigt aufgenommen. Da Musk aber nicht nur Elektropionier ist, sondern auch Vorreiter des autonomen Fahrens war, sollte man sich vielleicht doch eingehender mit der Frage beschäftigen. Bislang setzt die Firma des US-Unternehmers nur Kameras und Radarsysteme ein, um das autonome Fahren Wirklichkeit werden zu lassen. Andere Hersteller sehen das anders und setzen zunehmend auf die berühmte Lidartechnik. Wer hat nun recht? Der geniale Pionier oder die Mehrheit der Hersteller?

Vorteile und Nachteile von Lidar

Um diese Frage zu beantworten, muss man sich erst einmal mit den Grundlagen dieser Technologie befassen: Was ist Lidar eigentlich, und wie funktioniert es?

Lidar steht für Light Detection and Ranging und ist eine Technologie zur optischen Abstands- und Geschwindigkeitsmessung. Wer schon einmal ein Laser-Entfernungsmessgerät benutzt hat, hat auch schon Lidar eingesetzt, denn diese arbeiten nach demselben Prinzip wie die grösseren Geräte, die in autonomen Fahrzeugen zum Einsatz kommen sollen. Im Grundsatz funktioniert die Technologie ähnlich wie ein Radar, nur dass anstelle von Radiowellen eben Lichtwellen genutzt werden. Die Lidarquelle sendet Laserstrahlen, die von Objekten reflektiert werden und zum Empfänger zurückkehren. Durch die Messung der Laufzeit dieser Strahlen kann präzise berechnet werden, wie weit Objekte entfernt sind. Indem der Sensor die gesamte Umgebung abtastet, entsteht ein dreidimensionales Bild in Form einer Punktewolke. Um die Vorteile und Nachteile von Lidar in Erfahrung zu bringen, hat sich die AUTOMOBIL REVUE mit Clément Nouvel unterhalten, der beim französischen Zulieferer Valeo für die Entwicklung des Lidars verantwortlich ist. Valeo ist einer der grössten Produzenten von Lidarsystemen für den automobilen Einsatz und beliefert unter anderem Audi und Honda.

Clément Nouvel sieht ein sehr grosses Poten­zial in der Erhöhung der Verkehrssicherheit: «Wie andere Sensoren auch, beispielsweise Kamera- und Radarsysteme, ermöglicht Lidar vor allem die Antizipation und damit die Vermeidung von Unfällen.» Ein weiter gehendes Ziel ist dann natürlich dasjenige, um das sich die ganze Diskussion dreht – das sieht auch Nouvel so: «Das zweite Ziel von Lidar ist es, autonomes Fahren zu ermöglichen.»

Die Kritik von Elon Musk an der Technologie kann Nouvel nur sehr bedingt nachvollziehen. Für ihn besteht kein Zweifel, dass die Vorteile von Lidarsystemen ihre Nachteile bei Weitem überwiegen. «Natürlich hat auch Lidar seine Grenzen, aber das hat jeder Sensor. Bei all den Qualitäten, die Lidar hat, kann man ihm die Systemgrenzen doch nicht als Nachteil auslegen.»

Ein grosses Problem, vielleicht das grösste Problem, des Lidars ist das Hintergrundrauschen.  Licht von anderen Quellen stört das System. So kann beispielsweise helles Kunstlich oder bereits besonders starkes Sonnenlicht das System beträchtlich stören. «Lidarsysteme funktionieren sehr gut bei Nacht, wenn keine störenden Lichtquellen vorhanden sind», erklärt Clément Nouvel. Tagsüber muss jedoch garantiert werden, dass das System sein eigenes Licht von dem der Sonne unterscheiden kann. Dies wird üblicherweise dadurch gelöst, dass verschiedene Filter zum Einsatz kommen, die vor dem Empfänger verbaut werden und bestimmte Wellenlängen filtern, ähnlich wie eine Sonnenbrille. So steht am Schluss ein sauberes Signal bereit, dass zur Weiterverarbeitung genutzt werden kann.

Eine Frage der Reflexion

«Die grösste Schwierigkeit bei Lidar ist jedoch die schlechte Reflektivität bestimmter Objekte», so Nouvel. Da das System Licht aussendet und gleichzeitig die Reflexion dieses Lichts erfasst, ist die Reflektivität der Oberfläche eines Objekts ein Schlüsselfaktor für die Leistungsfähigkeit und die Zuverlässigkeit von Lidarsystemen. Ausgedrückt in Prozent ist die Reflektivität das Verhältnis der vom Lidarsender ausgesendeten Energie zu der zum Empfänger zurückkehrenden Energie. Je geringer der Reflexionsgrad ist, desto weniger Licht kommt zurück und desto schwieriger ist es, das Objekt genau zu erkennen. Ein entscheidender Faktor ist dabei auch die Farbe des Objektes, das den Lichtstrahl reflektiert: Während weisse Farbe in der Regel einen Reflexionsgrad von rund 80 Prozent hat, kann schwarze Farbe nur weniger als ein Prozent Reflexion aufweisen. Es liegt auf der Hand, dass die Leistung eines Lidarsensors umso besser ist, je besser er Objekte mit geringem Reflexionsvermögen erkennen kann.

Aber müsste der andauernde Lichtstrahl aus dem Lidar nicht sichtbar sein? Schliesslich erzeugen Entfernungsmessgeräte dort, wo gemessen wird, auch immer einen roten Punkt. Was bei den Messgeräten gewünscht ist, um ein Zielen zu ermöglichen, ist aus technischer Sicht nicht nötig. Das Lidar arbeitet vollständig im Infrarotbereich, also mit einer Wellenlänge oberhalb des sichtbaren Bereiches, ähnlich einer Fernbedienung des Fernsehers. Im automobilen Bereich werden Wellenlängen von 905 bis 1550 Nanometer eingesetzt. Das menschliche Auge kann elektromagnetische Wellen im Spektrum von rund 380 bis 780 Nanometer sehen. Während die kürzeren Wellenlängen zur Erkennung von Objekten in unmittelbarer Nähe des Fahrzeugs – auch in wenigen Zentimetern Entfernung – dienen, werden die längeren eher zur Erkennung von Objekten in Entfernungen von über 200 Metern verwendet.

Unabhängig von der Wellenlänge gibt es zwei Arten von Lidarsystemen: Scanner- und Flash­systeme. Beim Scanner-Lidar werden Laserstrahlen und Detektoren schnell über das Sichtfeld des Sensors bewegt. Beim Flash-Lidar werden nicht bewegliche Geräte verwendet, die einen Bereich mit Laserlicht wie mit einem Scheinwerfer ausleuchten.

Musk in die Enge getrieben

Angesichts dieser Hintergrundinformationen kann man sich jetzt fragen, wieso ein solcher Sensor unsinnig sein soll, wie Musk meint. Die Verbesserungen in Bezug auf Sicherheit und autonomes Fahren würden Lidar zu einer unumgänglichen Technologie machen, ist Clément Nouvel überzeugt: «Seit einigen Jahren bewegt sich die grosse Mehrheit der Akteure in der Branche in Richtung einer Dreifach-Redundanz. Dabei arbeiten Kamera, Radar und Lidar zusammen, sodass die Unzulänglichkeiten des einen durch die Qualitäten der anderen kompensiert werden. Das sorgt für ein Maximum an Sicherheit.» Was die von Musk angesprochene Kostenfrage betrifft, so können Skaleneffekte eine entscheidende Rolle spielen. Während ein Lidarsystem vor zehn Jahren noch fast 55 000 Franken kostete, kann ein Zulieferer wie Valeo heute ein solches System bereits für weniger als 1000 Franken anbieten. Die Frage scheint also weniger zu sein, ob sich Lidar durchsetzen wird oder nicht, sondern eher, was noch an Weiterentwicklungen kommt. Um eine Vorstellung davon zu bekommen, haben wir uns mit Edoardo Charbon getroffen, der als Professor ein auf Lidartechnologie spezialisiertes Labor der ETH Lausanne leitet. Für die Zukunft sagt er Folgendes voraus: «Wir können uns vorstellen, dass Fahrzeuge in nicht allzu ferner Zukunft in der Lage sein werden, ihre Punkte­wolkendaten untereinander auszutauschen. Auf diese Weise wäre es möglich, eine virtuelle Umgebung der Realität nachzubilden. Wenn die verschiedenen Verkehrsteilnehmer, aber auch Behörden darauf zugreifen könnten, würde dies unglaubliche – vielleicht auch beunruhigende – Perspektiven eröffnen, vor allem in Bezug auf mehr Sicherheit.»