ADAS-Tests und autonome Fahrversuche mit Velodyne-Lidar-Datenerfassung

Synchronisation der Lidar-Erfassung mit anderen Datenquellen

Unternehmen, die Elektrofahrzeuge mit fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen (ADAS) und autonome Fahrzeuge (AV) produzieren, müssen diverse Funktionen und Systeme testen, wie z. B.

• automatische Notbremsung,

• Abstandsregeltempomaten (ACC),

• Frontalaufprall-Warnfunktionen (FCW),

• Kollisionsvermeidung,

• Totwinkelerkennung,

• Spurhaltewarnsysteme,

• Spurhalteassistenzsysteme

• usw.

Für die Durchfûhrung der entsprechenden Tests, die gewährleisten sollen, dass die Sicherheitssysteme allgemein, aber auch in kritischen Situationen ordnungsgemäß funktionieren, benötigen Autohersteller hochpräzise und reaktionsschnelle validierte Instrumente. 

Unter anderem werden dabei Lidar-Systeme (Light Detection and Ranging) eingesetzt, um Objekte zu erkennen und deren Entfernungen zu erfassen. Lidare können diese Entfernungen in Echtzeit berechnen. Dazu senden sie Laserimpulse aus und messen, wie lange das Laserlicht braucht, um ein Objekt oder eine Oberfläche zu erreichen und zum Sensor zurückzukehren. Auf Grundlage der Messdaten erzeugen sie dann 3D-Darstellungen der Objekte.

In vielen Fällen werden Lidar-Sensoren zusammen mit anderen Sensoren wie Radaren und Kameras eingesetzt. Die Lidar-Daten müssen deshalb in der Regel parallel zu den Daten anderer Sensortypen und Datenquellen (Analogsensoren, CAN-Bus usw.) erfasst werden. Die Herausforderung für die Hersteller besteht darin, die erfassten Daten aus den unterschiedlichen Datenquellen zu synchronisieren und qualitativ zu optimieren.

Der optimale Weg zur Vermeidung von Unvereinbarkeiten oder sogar potenziell irreführenden Ergebnissen aufgrund von Synchronisationsproblemen wäre die Verwendung einer DAQ-Lösung, die in der Lage ist, alle Datenquellen direkt synchron zu erfassen. Aber ist das überhaupt möglich?

Multifunktionale Lösung

Wir haben ein einfaches, aber leistungsfähiges Velodyne-Lidar-Modul für DewesoftX entwickelt, das die Messanforderungen für autonome Fahrzeuge erfüllt. Es bietet eine flexible Messlösung für die Synchronisation von Velodyne-Lidar-Sensordaten mit anderen erfassten Daten in der DewesoftX-Software.

Das Velodyne-Modul in DewesoftX unterstützt die komplette Velodyne-Lidar-Produktfamilie. Velodyne ist ein Unternehmen aus dem US-Bundesstaat Kalifornien, das hochmoderne Lidar-Sensoren für verschiedene Anwendungen herstellt. Der Anschluss einzelner oder mehrerer Lidar-Geräte und ihre Kommunikation erfolgen per Ethernet-Protokoll.

Velodyne-Lidare werden mit anderen GNSS-Geräten (DS-IMU, DS-VGPS-HS ...) mittels eines GPS-PPS-Signals synchronisiert, wobei der GNSS-Empfänger als Quelle für NMEA-GNSS-Nachrichten für den Lidar-Sensor dient. Für die PPS-Synchronisation muss das Velodyne-Lidar physisch mit dem GNSS-Gerät verbunden und in der Datenerfassungssoftware DewesoftX korrekt ausgewählt sein.

Velodyne-Lidare werden per GPS-PPS-Signal mit NMEA-GNSS-Werten aus dem Modul synchronisiert, die auch in der DewesoftX-Software als Standardkanäle für Navigationsdaten zur Verfügung stehen.

Die inertiale Messeinheit DS-IMU kombiniert mehrere Sensoren wie

• Gyroskope,

• Beschleunigungssensoren,

• Magnetometer,

• Drucksensoren und einen

• GNSS-Empfänger.

DS-IMU-Geräte sind vollständig kompatibel für die Verbindung und Synchronisation mit dem Velodyne-Lidar per GPS-PPS-Signal.

DS-IMU-Geräte können auch weich synchronisiert werden. Die Einstellungen für Status und Rotationsgeschwindigkeit des Lidars lassen sich direkt in der DewesoftX-Software vornehmen. Es wird keine weitere Software benötigt, um Messungen mit dem Lidar-Sensor durchzuführen.
 
Vom Velodyne-Lidar stehen zwei Hauptkanäle zur Verfügung: Entfernung und Punktintensität. Die Visualisierung der Punktwolke erfolgt über das Kartendarstellungs-Widget, in dem sie über Open Street Maps oder Satellitenbildebenen gelegt wird. Alle Kartenebenen können in DewesoftX heruntergeladen und, wenn es im Messfeld gerade keine Internetverbindung gibt, auch im Offline-Modus verwendet werden. Ebenso wie die Kartenebenen kann auch eine beliebige Karte importiert werden.

In der Datenerfassungssoftware DewesoftX kombiniert das DAQ-System Daten wie

• Velodyne-Lidar-Sensordaten,

• Fahrzeug-CAN-Busdaten,

• GNSS- und Ausrichtungsdaten,

• Bremswegberechnungen,

• Fahrroboterdaten und

• Videoaufnahmen.

DewesoftX gewährleistet in Verbindung mit dem Datenerfassungssystem eine reibungslose Datensynchronisation, -visualisierung und -speicherung sowie einen unkomplizierten Datenabgleich.

Messanordnung

Ziel unserer Messanordnung war die Prüfung der folgenden Aspekte:

• Verarbeitbarkeit der Lidar-Daten in der DewesoftX-Software

• Synchronisationskompatibilität mit anderen Datenquellen wie CAN, GPS und Video

• Einfachheit der Konfiguration für die Datenerfassung von Velodyne Lidar, DS-IMU2 und Fahrzeug-CAN-Bus

Für eine bessere Erfassung der Fahrumgebung wurde das DAQ-System um eine Videokamera ergänzt. Das entsprechende Softwaremodul ist für die Analyse der Datendatei sehr nützlich und kann kostenlos zu jedem Dewesoft-Datenerfassungssystem hinzugefügt werden.

Verwendete Datenerfassungsgeräte

Dewesoft-Datenerfassungssystem:

• Velodyne VLP-16 Lidar

• Dewesoft DS-IMU2  – Inertiale Messeinheit und GNSS-Empfänger mit GPS/GLONASS-Unterstützung und einer Positionsgenauigkeit von 2 cm, mit RTK-Option

• Videokamera

• Dewesoft DS-CAN2 – Zweikanalige USB-CAN-Schnittstelle für OBD-II- oder SAE-J1939-Fahrzeugdatenerfassung

Software

• Datenerfassungssoftware DewesoftX

• Velodyne-Lidar-Modul (Rotationsgeschwindigkeit 1200 U/min)

Schematisches Konfigurationsdiagramm

Alle Geräte im konfigurierten System wurden per GPS-PPS synchronisiert. Die DS-IMU2 wurde auf dem Fahrzeugdach, der Velodyne-Lidar-Sensor auf der Motorhaube und die Videokamera auf dem Lidar-Sensor montiert. Das Dewesoft DS-CAN2-Modul wurde mit dem OBD-II-Anschluss des Fahrzeugs verbunden.

Datenanalyse

Die visuelle Anzeige in DewesoftX bot eine gute Übersicht über die Fahrumgebung. Für die Lidar-Visualisierung verwenden wir normalerweise das Karten-Widget. Es bietet eine nahtlose Visualisierung der Lidar-Daten, wobei die Färbung die Intensität des reflektierten Laserlichts und die Linien die von verschiedenen Objekte reflektierten Laserpunkte repräsentieren. Im konkreten Fall wurden zwei Karten-Widgets zur Darstellung der folgenden Aspekte verwendet:

• Linke Karte: Positions- und Streckenansicht vom DS-IMU2-Gerät mit Geschwindigkeitsfarbskala

• Rechte Karte: Lidar-Punktwolken-Visualisierung mit Lidar-Intensitätsfärbung

Die Lidar-Intensität steht für die erfasste Laser-Rückstreuintensität (im Verhältnis zur ausgesendeten Leistung), die im Wesentlichen von der Entfernung und vom Reflexionsvermögen des Zielobjekts abhängt, während die Lidar-Distanz als reale Entfernung von der physischen Lidar-Position dargestellt wird.

Die Lidar-Distanzdaten werden für jeden Lidar-Laser als Punktdatenmatrix ausgegeben. Sie können auch verwendet werden, um ein Feedback an das Fahrzeug zu geben oder die Abstandsverhältnisse zwischen dem Fahrzeug und umgebenden Objekten zu analysieren. Sie dienen zur Interpretation von Verkehrssituationen, zur Erkennung und Identifizierung von Objekten usw.

In unserem Anwendungsfall verwendeten wir eine Lidar-Rotationsgeschwindigkeit von 1200 U/min. Die Lidar-Intensitäts- und Distanzdaten wurden von der DewesoftX-Software ausgesprochen schnell erfasst und visuell umgesetzt. Die Lidar- und GNSS-Daten der DS-IMU2 wurden bis hinunter auf die Sample-Ebene synchronisiert, was die allgemeine Synchronisationskompatibilität belegt.

Die Lidar-Intensität steht für die erfasste Laser-Rückstreuintensität (im Verhältnis zur ausgesendeten Leistung), die im Wesentlichen von der Entfernung und vom Reflexionsvermögen des Zielobjekts abhängt, während die Lidar-Distanz als reale Entfernung von der physischen Lidar-Position dargestellt wird.

Die Lidar-Distanzdaten werden für jeden Lidar-Laser als Punktdatenmatrix ausgegeben. Sie können auch verwendet werden, um ein Feedback an das Fahrzeug zu geben oder die Abstandsverhältnisse zwischen dem Fahrzeug und umgebenden Objekten zu analysieren. Sie dienen zur Interpretation von Verkehrssituationen, zur Erkennung und Identifizierung von Objekten usw.

In unserem Anwendungsfall verwendeten wir eine Lidar-Rotationsgeschwindigkeit von 1200 U/min. Die Lidar-Intensitäts- und Distanzdaten wurden von der DewesoftX-Software ausgesprochen schnell erfasst und visuell umgesetzt. Die Lidar- und GNSS-Daten der DS-IMU2 wurden bis hinunter auf die Sample-Ebene synchronisiert, was die allgemeine Synchronisationskompatibilität belegt.

Fazit

Lidar-Sensoren spielen eine wichtige Rolle in der Entwicklungsphase und beim realen Einsatz autonomer Fahrzeuge. Sie sind wichtig sowohl für ADAS-Tests als auch für Nicht-Automobilanwendungen. Die Zahl der Unternehmen, die Lidar-Sensoren einsetzen, steigt schnell. Deshalb sind die Erfassung und Prüfung von Lidar-Parametern und deren allgemeine Synchronisation von großer und ständig zunehmender Bedeutung.

Dewesoft unterstützt jetzt Lidar-Messungen mit dem Velodyne-Lidar-Modul. Die Integration und Konfiguration aller Sensoren in der DewesoftX-Software war recht einfach. Für den Anschluss und die Einrichtung des gesamten Datenerfassungssystems benötigten wir nur etwa 15 Minuten.

Dewesoft bietet eine einfache und flexible Lösung für verschiedene Arten von Messungen an allen Fahrzeugtypen. Die Daten unterschiedlicher Sensoren und Datenquellen lassen sich in einem benutzerfreundlichen Setup problemlos kombinieren, synchronisieren und visualisieren.