Met lidar kunnen zelfrijdende voertuigen, zoals AGV’s, de omgeving in kaart brengen. Ze scannen met lichtpulsen. Ondanks de eenvoud van deze optische sensortechnologie, blijft de techniek prijzig. Ontwikkelaars innoveren om autonoom rijden betaalbaarder, compacter en betrouwbaarder te maken. Dit maakt dit type vervoer toegankelijker voor consumenten en b2b-markten.
Betaalbare alternatieven betreden de markt, zoals solid-state lidar. Afhankelijk van de gewenste resolutie, bepaal je of jouw applicatie vraagt om een eenvoudige of een high-end lidarsensor. Bovendien is alleen een sensor niet voldoende om autonoom te rijden. Voor een betrouwbare meting moet je meerdere technieken combineren.
Werking van lidar
Zoals radar werkt op basis van radargolven, maakt lidar gebruik van lichtpulsen. Wanneer lichtpulsen objecten of oppervlaktes bereiken, vangen detectoren deze reflectie op. Het systeem berekent hoe lang ze erover hebben gedaan om van de laser, via het object, naar de sensor te komen. Dit wordt omgezet naar de afstand. Alle afstanden samen vormen een gedetailleerde puntenwolk van de omgeving.
Wat bepaalt de prijs van autonome voortuigen?
Zelfrijdende auto’s, zoals Waymo’s van Google, rijden autonoom dankzij lidar. De daken van deze voertuigen zijn voorzien van een opvallende verhoging. Hier is de lidarsensor in verwerkt, waarmee de auto zijn omgeving in kaart brengt. Voor autodesigners is het een uitdaging om de techniek onopvallend te verwerken in het design.
Deze lidars zijn scannende elektromechanische systemen, die bestaan uit veel bewegende onderdelen. Dit maakt ze moeilijk te produceren en te verkleinen, waardoor de prijs nauwelijks daalt.
Bij Velodyne betaal je 75.000 dollar voor een lidar-module. Ook voor eenvoudigere technieken betaal je duizenden dollars. Naast deze sensortechnologie, is er meer nodig om een voertuig autonoom te laten rijden. De totale prijs loopt snel op tot 100.000 euro.
Oorspronkelijk is Lidar ontstaan uit de woorden ‘licht’ en ‘radar’. Inmiddels is het een afkorting van ‘light imaging, detection and ranging’.
Betaalbaar alternatief voor lidar
Solid-state lidar is een kleiner en betaalbaarder alternatief. In plaats van gecollideerde bundels, werkt deze techniek met brede lichtflitsen. Een solid-state laser schiet pulsen, die via een diffuser over een hoek van 9 tot 120 graden worden verspreid.
Het bereik van solid-state lidar is kleiner dan van scannende lidars. Maar ze zijn ook een stuk lager van prijs. Bij het Canadese LeddarTech ligt de prijs voor een flash-lidar module rond de paar honderd dollar. Bovendien zijn ze veel kleiner en robuuster. Dit maakt ze eenvoudig en betaalbaar te verwerken in voertuigen.
Tegenover flash, brengt scanning lidar enkele voordelen met zich mee. “Als je een hoge resolutie nodig hebt, moet je naar high-end lidarsensoren”, licht Marco Leeggangers, Operations Director van Sentech toe. “Bovendien halen scanning lidars die hogere resolutie over hun hele blikveld 360 graden.”
Bereik en kijkhoek aanpassen
Over de frequentie en intensiteit van de laserpulsen zijn lidarfabrikanten niet transparant. “Tijdens de ontwerpfase kun je ermee spelen, om het bereik of de kijkhoek van de lidar aan te passen”, verteld Olivier Gernier-Lafond van LeddarTech. “Met onze software kunnen gebruikers verschillende parameters aanpassen om het bereik en de updatefrequentie te kiezen. Daarmee onderscheiden we onszelf van de concurrentie.”
Gernier-Lafond vult aan: “De golflengte van de laser is ongeveer 905 nm (nanometer). Veel concurrenten zitten boven de 1.000 nanometer. Hoewel lasers rond 1550 nm krachtiger zijn, zijn optische componenten in ons golflengtegebied betaalbaarder, robuuster en betrouwbaarder. Daardoor kunnen we goedkopere lidarsystemen leveren. Door onze geavanceerde signaalverwerkingsalgoritmes, halen we toch dezelfde prestaties als de concurrentie.”
Ruisonderdrukking bij regen en sneeuw
Metingen van lidarsensoren moeten vertaald worden naar bruikbare data: het perceptieplatform dat objecten herkent en classificeert. “Juist in die vertaalslag is LeddarTech ijzersterk’, vertelt Leeggangers. ‘De Canadese signaalverwerkingssoftware is zeer goed in ruisonderdrukking. Zelfs ’s nachts, met regen en met sneeuw levert dat betrouwbare resultaten op.”
Alle detectietechnologieën hebben hun voordelen en beperkingen. Lidar meet in alle lichtcondities heel nauwkeurig de afstanden. Bovendien kan deze techniek prima overweg met zowel stilstaande als bewegende objecten. “Onze off-the-shelf systemen halen een precisie van 5 cm, met een herhaalnauwkeurigheid van 6 mm”, aldus Vincent Racine, productmanager bij LeddarTech.
Objecten op grote afstand detecteren
De reflectiviteit van een object heeft invloed op de detectie-afstand, oftewel het zichtveld. Zo worden voetgangers met een reflectiviteit van 10 procent, tot 200 meter ‘gezien’ door lidars van LeddarTech. Objecten met een hogere reflectiviteit, zoals nummerborden, worden op nog grotere afstand waargenomen. Dit werd succesvol gedemonstreerd tijdens CES 2019.
Naast reflectiviteit, is het zichtveld ook afhankelijk van de intensiteit van de laser. Hoe meer vermogen, hoe groter het zichtveld. Er zijn grenzen voor het verhogen van de laser intensiteit. Omdat lasers in openbare omgeving worden gebruikt, en geen voorbijgangers mag verblinden.
Racine voegt toe: “We hebben veiligheid hoog in het vaandel staan. Daarnaast voldoen we aan de strikte wetgeving voor gepulste lasers. Met onze software zorgen we ervoor dat we binnen die grenzen de optimale prestaties halen.”
Combineren van technologieën
Experts zijn het erover eens dat je geen volledig autonoom voertuig kunt bouwen zonder Lidar. “Maar het lukt nooit met één enkele sensorsoort”, benadruk Leeggangers. “Lidar moet je combineren met camera’s, gps en andere technologieën. Alleen dan krijg je een betrouwbare meting.”
Toepassingsgebieden
Omdat geheel autonome auto’s voorlopig nog vooral onderzoeksobjecten zijn, kijkt Leeggangers vooruit. “De markt voor autonome voortuigen is booming. Denk aan de Tweede Maasvlakte waar wagentjes op een afgesloten terrein zelfstandig rondrijden. Ook in gecontroleerde omgevingen zoals grote magazijnen en in de agro zie je steeds meer AGV’s.”
In veel 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.’
Innoveren met lidar
Momenteel werkt LeddarTech 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 ander mobiliteitstoepassingen, zoals autonome shuttles en robottaxi’s.”
Later op de planning staan long-range en high-definition 3d-lidars. “Die systeemchips zijn gebaseerd op mems-technologie. Hoewel daar bewegende onderdelen inzitten, kun je ze toch als solid-state-componenten indelen. Ook omdat hun afmetingen en robuustheid ze bestand maken tegen schokken en trillingen”, aldus Racine.
Samenwerking voor succesvolle integratie
Een paar jaar geleden signaleerde Sentech de opkomst van lidartechnologie. De markt was toen nog niet klaar voor high-end scannende sensoren. Dus er werd gezocht naar een alternatief. In 2016 ontdekte zij solid-state lidars van LeddarTech.
“LeddarTech zocht een partij die klanten op een hoog niveau kon ondersteunen. Vooral tijdens de ontwikkeling en integratie”, vertelt Olivier Gernier-Lafond, distributienetwerkmanager bij LeddarTech. “We hebben gespecialiseerde partners in onder andere Duitsland, Frankrijk en Azie. Nederland heeft een dynamische markt met veel innovatieve bedrijven waar wij onszelf mee willen verbinden.”
Marco Leeggangers van Sentech voegt hieraan toe: “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 over de positie van de sensoren en welke beelden dat oplevert. Daar vallen we regelmatig terug op onze ervaring met radar, omdat de technologieën en de toepassingen vergelijkbaar zijn.”
Ontdek de mogelijkheden van lidar
Waar begin je bij de integratie van lidar? Er zijn namelijk verschillende lidar-technologieën op de markt. De snelheid van het voertuig en de reflectiviteit van omgevingsobjecten bepalen het vereiste zichtveld. En dus welke techniek nodig is om jouw voertuig veilig autonoom te laten rijden.
In het 5 stappenplan zie je hoe een lidar-integratietraject eruit ziet.
Dit artikel verscheen in Mechatronica&Machinebouw nr.2 2019 en is geschreven door Alexander Pil.
