Umfelderkennung

Um den Straßenverkehr sicherer zu machen, neue Lösungen der Intermobilität zu schaffen und Fortbewegung auch in der Luft im städtischen Raum zu erobern, bedarf es neuer Fortschritte in der Forschung zuverlässiger Umfelderkennung.

Zum einen werden leistungsstarke Sensoren benötigt, die hohe Messreichweiten bei zum Teil großen Sichtfeldern, eine genaue Ortsauflösung und schnelle Erfassungszeiten aufweisen. Zum anderen müssen im Raum verortete Sensordaten aufbereitet werden und mit anderen Sensordaten abgeglichen oder fusioniert werden. Sensorlösungen müssen jedoch immer für die jeweilige Anwendung erschwinglich und gut integrierbar sein und eine geringe Leistungsaufnahme aufweisen. Schnelle und reproduzierbare Test- und Kalibrierverfahren nehmen für die Umfelderkennung an Bedeutung zu, um möglichst realitätsnah das Sensorverhalten zu überprüfen und gegebenenfalls im Anschluss zu verbessern.

In den vier Kategorien leistungsstarke Sensorik, Sensordatenfusion, Systemintegration und Validierung entwickelt das Fraunhofer IMS anwendungsspezifische Lösungen.

Leistungsstarke Sensorik

Anfang 2021 wurde eine neue Ära an skalierbaren und licht-sensitiven LiDAR Detektoren, den CSPADs, eingeläutet. CMOS Single-Photon Avalanche Dioden vom Fraunhofer IMS sind hoch-integrierte, intelligente Photodioden-Arrays mit geringer Leistungsaufnahme bei zeitgleich hoher Detektionsempfindlichkeit von Objekten, auch bei schwierigen Wetterbedingungen.

Der CSPAD alpha ist mit einer Pixelauflösung von 32x24 und einer Auslesegeschwindigkeit von 26 fps eine besonders kompakte Lösung auf 10x10 mm² Chipfläche. Der Sensor, für Flash LiDAR-Lösungen geeignet (siehe Video), erlaubt die Erzeugung kleiner 3D-Kameras für die Umfelderkennung mit geringem Gewicht, welches gerade bei Anwendungen wie Drohnen ein entscheidendes Kriterium ist.

Basierend auf der hier demonstrierten 3D-Integrationstechnik, einem Prozess der hausinternen Reinraum-Infrastruktur, werden nun weitere kundenspezifische Lösungen mit gesteigerter Pixelauflösung, höherer Sensitivität bei nah-infrarotem Licht (NIR) und flexiblerer Pixelauslese entwickelt.

Auch in dem Gebiet der Detektion von Wärmestrahlung (Ferninfrarot, kurz FIR) geht das Fraunhofer IMS kontinuierlich neue Wege. Am IMS hergestellte Mikrobolometer-Arrays (IRFPAs) können Wärme mit einer Auflösung von bis runter zu 50 mK erkennen. Für kostengünstigere FIR-Kameras für den Einsatz in Mobilitätsanwendungen wie der Umfelderkennung, sparen unsere neuen Prototypen 50 % an Chipfläche bei gleicher Pixelanzahl ein.

Sensordatenfusion

Für eine zuverlässige Redundanz in der Datenerfassung der Umgebung bedarf es  unterschiedlicher oder auch technisch unabhängiger Sensoren, die sich gegenseitig überwachen oder wenn nötig als Ersatz dienen können. Der hohe Umfang der erzeugten Daten und deren Auswertung in Echtzeit stellt dabei derzeit eine große Herausforderung dar. Das Fraunhofer IMS setzt dabei durch sogenannte »Frühe Sensorfusion«, (engl. Early Sensorfusion), direkt bei der Erzeugung der Rohdaten an, um dieses Problem zu lösen. Datensätze werden dabei noch bevor sie zur Umfelderkennung eingesetzt werden auf ihr kleinstmögliches Maß reduziert, ohne relevante Informationen der Szene zu verlieren. Dabei spielt neben der klassischen Algorithmik auch der Einsatz von maschinellen Lernverfahren eine signifikante Rolle. Ebenfalls relevant ist die Erzeugung und der Einsatz intelligenter Messverfahren, bei denen adaptiv nur relevante Szenenbereiche erfasst werden. Im Design der LiDAR-Detektoren werden daher die Funktionen für eine intelligente Steuerung der Datenerfassung bereits integriert.

Im aktuellen Projekt ALBACOPTER wird das Thema Early Sensorfusion in Form eines LiDAR Target Tracking durch eine spezielle Sensorfusion realisiert. Das Fraunhofer IMS unterstützt die Entwicklung neuartiger und sicherer Flugsteuerungen im Rahmen des Projektes ALBACOPTER, ein interdisziplinäres Projekt mit fünf weiteren Fraunhofer Instituten. Der ALBACOPTER ist eine Experimentalplattform mit dem Ziel, innovative Technologieansätze zu entwickeln, die die Vorteile agiler Multicopter mit der Effizienz von Gleitern zusammenführt.

Systemintegration

Die Vielzahl für die Anwendung notwendiger Sensorsysteme konkurrieren bei der Suche nach einer geeigneten Einbauposition im Gesamtsystem. Das Fraunhofer IMS setzt daher zu Beginn auf flächenreduzierte Detektoren, kompakte Systemlösungen und neue Formen der Integration mit anderen Sensoren.

Im aktuellen Projekt SMART HEADLIGHT (zu Deutsch: intelligenter Frontscheinwerfer), einem interdisziplinären Projekt mit vier weiteren Fraunhofer Instituten, werden unsere LiDAR-Detektoren mit Radarsensoren für die Umfelderkennung und die entsprechende Lichttechnik in einem Scheinwerfer kombiniert. Bei dieser Integration auf kleinstem Raum spielen Designgrenzen, Wärmeerzeugung und auch Aspekte der Leistungsfähigkeit und Skalierbarkeit der einzelnen Sensoren eine große Rolle.

Validierung

Die Tests von optischen Sensoren für die Umfelderkennung und von integrierten Lösungen bilden einen wichtigen Bestandteil von neuartigen Sensorentwicklungen. Die Validierung erzeugter Prototypen, dem Vergleich mit anderen oder zum Teil auch konkurrierenden Ansätzen (Benchmarking), bis hin zum End-of-line Test bei der Produktion sind dabei nur ein paar Beispiele, bei denen reproduzierbares und schnelles Testen notwendig ist. Das Fraunhofer IMS unterstützt dabei ihre Kunden von dem Aufbau erster Testeinrichtungen, der Erzeugung spezifischer Simulationsumgebungen, bis hin zur Erforschung neuer Verifikations- und Kalibriermethoden.

Für optische Sensoren bieten wir opto-elektrische Prüfungen auf Waferebene (Wafergröße 8-Zoll) oder in Bauelement-Form an, mit der Besonderheit, dass auch Parameter, wie die Dark Count Rate (Dunkelmesszahl) automatisiert geprüft werden können.