Lidar onmisbaar in autonome auto’s en agv’s

Lidar is snel volwassen geworden als optische sensortechnologie. Hoewel het principe eenvoudig is, kostte het decennia om de technologie toegankelijk te maken voor consumenten- en b2b-markten. Dankzij chiptechnologie is het inmiddels een betaalbare techniek voor detectie en afstandsbepaling. Zonder lidartechnologie zijn zelfrijdende auto’s nagenoeg blind, en er zijn legio andere toepassingen.

Alexander Pil
21 maart

Het is je ongetwijfeld weleens opgevallen dat vrijwel alle zelfrijdende auto’s op hun dak een vreemd hoedje hebben. Hoewel dat gevaarte de afgelopen jaren is gekrompen tot een uit de kluiten gewassen sirene zoals op de Waymo van Google, gruwen autodesigners bij het idee dat ze zo’n lomp ding in hun ontwerp moeten integreren. Lange tijd konden ze daar echter niet omheen. In die bult zit namelijk essentiële technologie waarmee de auto zijn omgeving in kaart brengt: lidar.

Lidar (inmiddels een acroniem van light imaging, detection and ranging) was oorspronkelijk een samentrekking van de woorden ‘licht’ en ‘radar’, en zo is de technologie ook uitstekend te begrijpen: het is een radar met licht. In plaats van de radiogolven die een radar uitzendt, gebruikt lidar lichtpulsen die weerkaatsen op objecten en oppervlaktes. Detectoren vangen die reflecties weer op. Het systeem berekent hoe lang ze erover hebben gedaan om van de laser, via het object, naar de sensor te komen. Uit alle afstanden genereert het een gedetailleerde puntenwolk van de omgeving.

Solid-state lidars detecteren lokaliseren voetgangers, fietsers, voertuigen en vaste objecten met grote nauwkeurigheid.

De lidars op bijvoorbeeld de Waymo’s zijn scannende, elektromechanische systemen. Ze bevatten een scala aan bewegende onderdelen. Dat maakt ze lastig te fabriceren en te miniaturiseren, waardoor de prijs nauwelijks daalt. Marktleider Velodyne vraagt 75 duizend dollar voor zo’n module, en zelfs minder geavanceerde oplossingen kosten makkelijk duizenden dollars. Bovendien ben je er dan nog niet als je je auto echt autonoom wilt maken. Het prijskaartje kan makkelijk oplopen tot een ton. Niet echt binnen het budget van de gemiddelde consument.

Competitie

Gelukkig is er een kleiner en goedkoper alternatief opgestaan: solid-state lidar. Deze technologie gebruikt brede lichtflitsen in plaats van mechanisch draaiende, gecollimeerde bundels. Een solid-state laser zendt pulsen uit, die via een diffuser over een hoek van typisch 9 tot 120 graden worden uitgespreid. Hoewel dat bereik dus kleiner is dan bij de scannende variant, ligt de prijs van solid-state lidar vele malen lager. Voor een paar honderd dollar koop je bij bijvoorbeeld het Canadese Leddartech al een flash-lidarmodule. Omdat ze bovendien veel kleiner en robuuster zijn, is het relatief eenvoudig en betaalbaar om ze onopvallend te integreren op verschillende plekken in de auto.

Scanning lidar heeft wel enkele voordelen ten opzichte van flash. ‘Als je een hoge resolutie nodig hebt, moet je naar high-end lidarsensoren’, weet Marco Leeggangers van sensorspecialist Sentech, dat de flashlidars van Leddartech in Nederland in de markt zet. ‘Scanning lidars halen die hogere resolutie bovendien over hun hele blikveld van 360 graden.’

Flashlidarmodules zijn klein waardoor ze eenvoudig op verschillende plekken in een auto kunnen worden geïntegreerd.

De frequentie en de intensiteit van de gebruikte laserpulsen zijn een goed bewaard geheim voor lidarfabrikanten. ‘Tijdens de ontwerpfase kun je ermee spelen om het bereik of de kijkhoek van de lidar aan te passen’, vertelt Olivier Gernier-Lafond van Leddartech. ‘Met onze software kunnen gebruikers verschillende parameters aanpassen en zo het bereik en de updatefrequentie kiezen. Daarmee onderscheiden we onszelf van de concurrentie.’ De golflengte van de laser is wel openbaar. ‘Wij gebruiken licht van ongeveer 905 nanometer. Veel concurrenten zitten boven de duizend nanometer. Weliswaar zijn lasers rond 1550 nm krachtiger, maar in ons golflengtegebied zijn de optische componenten goedkoper, robuuster en betrouwbaar. Daardoor kunnen we goedkopere lidarsystemen leveren. Door onze geavanceerde signaalverwerkingsalgoritmes halen we toch dezelfde prestaties als de concurrentie.’

Regen en sneeuw

Met de gebruikte software stipt Gernier-Lafond een belangrijk onderwerp aan. De metingen van de lidarsensor moeten immers nog worden vertaald naar bruikbare input voor de volgende stap: het perceptieplatform dat objecten herkent en classificeert. ‘Juist in die vertaalslag is Leddartech ijzersterk’, meent Leeggangers. ‘De gepatenteerde Canadese signaalverwerkingssoftware is geweldig goed in ruisonderdrukking. Zelfs ’s nachts, met regen en met sneeuw levert dat toch betrouwbare beelden op.’

Vincent Racine, productmanager bij Leddartech, vult aan: ‘Alle detectietechnologieën hebben hun voordelen en beperkingen. Lidar meet in alle lichtcondities heel nauwkeurig de afstanden en kan bovendien prima overweg met zowel stilstaande als bewegende objecten. Onze off-the-shelf systemen halen een precisie van vijf centimeter, met een herhaalnauwkeurigheid van zes millimeter.’

De software van Leddartech is krachtig genoeg om objecten op grote afstand te detecteren. ‘We hebben aangetoond dat onze lidars een zichtveld tot tweehonderd meter hebben voor objecten zoals voetgangers die een reflectiviteit van minstens tien procent hebben’, aldus Racine. ‘Objecten met een hogere reflectiviteit zoals nummerborden kunnen we op nog grotere afstand waarnemen.’

Het zichtveld is natuurlijk afhankelijk van de intensiteit van de laser: hoe meer vermogen, hoe verder je kunt kijken. Je kunt de power echter niet ongelimiteerd opschroeven, omdat de lasers in een openbare omgeving worden gebruikt en geen voorbijgangers mogen verblinden. ‘We hebben veiligheid hoog in het vaandel staan en voldoen aan de strikte wetgeving voor gepulste lasers’, stelt Racine. ‘Met onze software zorgen we ervoor dat we binnen die grenzen de optimale prestaties halen.’

Mems

Alle experts – met uitzondering van niemand minder dan Elon Musk – zijn het erover eens dat je geen volledig autonome auto kunt bouwen zonder lidar. ‘Maar het lukt never nooit niet met één enkele sensorsoort’, benadrukt Leeggangers. ‘Je moet lidar combineren met camera’s, gps en andere technologieën. Alleen dan krijg je een betrouwbare meting.’

Omdat geheel autonome auto’s voorlopig nog vooral researchvehikels zijn, kijkt Leeggangers verder. ‘De markt voor autonome voertuigjes is booming’, zegt hij. ‘Denk aan de Tweede Maasvlakte, waar wagentjes op een afgesloten en bekend terrein zelfstandig rondrijden. Ook in gecontroleerde omgevingen zoals grote magazijnen en in de agro zie je steeds meer agv’s. In veel van die mobiele toepassingen liggen er volop kansen voor solid-state lidar. Maar je kunt de technologie ook prima gebruiken om bijvoorbeeld bij een rijbaanafsluiting te detecteren of automobilisten tijdig van weghelft veranderen.’

Leddartech werkt momenteel aan een aantal innovaties, waaronder verschillende 3d-varianten. ‘We zijn gestart met 2d-lidars. Die zijn prima voor bijvoorbeeld simpele botsingdetectie’, vertelt Racine. ‘Met 3d-lidar kun je meer zien en makkelijker objecten herkennen. Die technologie is nu volop in ontwikkeling om te kunnen voldoen aan de eisen van automotive en andere mobiliteitstoepassingen, zoals autonome shuttles en robottaxi’s.’ Leddartech verwacht later dit jaar een belangrijke aankondiging op dit gebied te kunnen doen.

Verder op de roadmap staan long-range en high-definition 3d-lidars. ‘We werken aan verschillende lidardesigns die veel lidarfunctionaliteiten samenbrengen op een systeemchip. Sommige daarvan zullen zijn gebaseerd op mems-technologie. Hoewel daarin technisch gezien natuurlijk bewegende onderdelen zitten, kun je ze toch classificeren als solid-state-componenten, mede omdat hun afmetingen en robuuste design ze uitstekend bestand maken tegen schokken en trillingen’, aldus Racine. Leddartech heeft grote ambities met deze technologie. ‘We willen het meest gebruikte lidarplatform in de auto- en mobiliteitsmarkt worden.’

Leddartech en Sentech

Een paar jaar geleden zag Sentech dat lidartechnologie in opkomst was. Voor de high-end scannende sensoren was de markt toentertijd nog niet klaar, dus het bedrijf uit Nieuwkuijk zocht een alternatief. In 2016 kwam Sentech uit bij de solid-state lidars van het Canadese Leddartech, dat net zijn ontwikkelingen op de automotivemarkt focuste.

De software van Leddartech maakt de sensoren krachtig genoeg om objecten op grote afstand te detecteren.

‘Leddartech zocht een partij die onze klanten op een hoog niveau kon ondersteunen, vooral ook tijdens de ontwikkeling en integratie’, zegt Olivier Gernier-Lafond, distributienetwerkmanager bij Leddartech. ‘We hebben gespecialiseerde partners in onder meer Duitsland, Frankrijk en Azië. Nederland mag dan een klein land zijn, het is een dynamische markt met veel innovatieve bedrijven die we lokaal willen ondersteunen.’

Marco Leeggangers van Sentech: ‘Lidars zijn geen simpele systemen. Je moet ze altijd integreren met andere hardware en software. Er komt enorm veel data uit die je met ingewikkelde algoritmes moet vertalen naar bruikbare informatie. Sentech kan daarbij helpen. We kunnen ook adviseren waar de sensoren moeten komen en welke beelden dat dan oplevert. Daar vallen we regelmatig terug op onze ervaring met radar, omdat de technologieën en de toepassingen zeer vergelijkbaar zijn.’