Was ist LiDAR

Ein LiDAR-Sensor tastet seine Umgebung ab, indem er Laserlicht ausstrahlt. Wenn das Licht auf die nächstgelegene Oberfläche trifft, prallt es ab und wandert zurück zum LiDAR-Gerät, das wiederum das eingehende Signal aufnimmt. Je nach verwendeter Technologie berechnet LiDAR die Entfernung zur nächstgelegenen Oberfläche, indem es die Zeit aufzeichnet, die der Strahl für die Rückkehr brauchte, oder indem es die Phasenverschiebung des eingehenden Signals analysiert.

Der Sensor besteht aus zwei Hauptkomponenten: einem Sender und einem Empfänger. Ein Sender sendet bis zu Hunderttausende von Laserlichtimpulsen in Richtung der abzutastenden Oberfläche. Sobald ein Impuls die Oberfläche erreicht, wird er zurückgestreut, und das Signal wird vom Empfänger aufgefangen. Die Timing-Elektronik berechnet, wie lange der Impuls braucht, um vom Sensor zur Zieloberfläche zu gelangen und zurückzukehren – genauer gesagt, sie berechnet die Verzögerung bei der Rückkehr.

Je länger diese ist, desto weiter ist die Oberfläche vom Sensor entfernt – diese Technologie wird auch als Time-of-Flight-Laserscanning bezeichnet. Zu beachten ist, dass ein mobiles oder luftgestütztes LiDAR-System auch über eine IMU (Inertia Measurement Unit, bestehend aus Beschleunigungsmesser, Gyroskop und anderen Sensoren) und einen GPS-Tracker verfügt, um die XYZ-Koordinaten des Sendeempfängers, zu dem ein Laserimpuls ausgesendet wird, jederzeit ermitteln zu können. Alle diese Daten werden von einem Computer, der eine 3D-Karte der Oberfläche in einem Punktwolken-Datenformat erstellt, analysiert.

Neben dem Time-of-Flight-Verfahren gibt es auch die sogenannte Phasenverschiebungstechnologie. Beim phasenbasierten Scannen wird ein konstanter Laserstrahl aus dem Scanner ausgesandt. Der Scanner misst dann die Phasenverschiebung der zurückkehrenden Laserenergie, um Entfernungen zu berechnen.

Wichtige Begriffe

Time of Flight [Lichtlaufzeit]:Anhand der Zeit, die ein Impuls für die Strecke zwischen zwei Punkten benötigt, wird die Entfernung zwischen den Punkten berechnet.

Phasenverschiebung:Berechnung der Verzögerung zwischen zwei Wellenformen, die mit derselben Frequenz oder zum selben Zeitpunkt ausgesendet werden.

Ein wesentlicher Unterschied zwischen Time-of-Flight-Scannern und phasenbasierten Scannern besteht in der Erfassungsgeschwindigkeit und dem Dynamikbereich. Time-of-Flight-Geräte erfassen in der Regel Daten mit einer Rate von Hunderten bis Tausenden von Punkten pro Sekunde. Im Gegensatz dazu erfassen phasenbasierte Geräte Hunderttausende von Punkten pro Sekunde. Phasenbasierte Geräte sind schneller, was sie in vielen Anwendungen besser eignet.

Andererseits haben Time-of-Flight-Geräte einen viel größeren dynamischen Bereich und können relevate Daten aus einer Entfernung von einem Meter bis zu einem Kilometer liefern. Time-of-Flight-Geräte sind zu bevorzugen, wenn die zu messenden Bereiche bevorzugen groß sind.

Zwei Arten von LiDAR wurden bereits erwähnt: mobiles und luftgestütztes LiDAR. Nimmt man zu diesen beiden noch stationäres LiDAR hinzu, erhält man die drei Haupttypen.

Stationäre LiDAR-Scann

Stationäre LiDAR-Scanner sind im Grunde das Herzstück der Technologie, da alle weiteren LiDAR-Typen auf sie zurückgehen. Stationäre LiDAR-Scanner decken im Vergleich zu mobilen und luftgestützten Systemen in der Regel kleinere Bereiche ab. Sie weisen jedoch die höchste Genauigkeit auf.

Stationäre LiDAR-Scanner werden in großem Umfang für Reverse Engineering und Qualitätsprüfungen eingesetzt. Mit einem LiDAR können Sie Räume, Gebäude und Fahrzeuge jeglicher Art scannen, auch solche, die sich auf dem Land, in der Luft, im Wasser oder im Weltraum bewegen.

Stellen Sie sich einmal vor, Sie müssten ein Rohrleitungssystem nachrüsten, das sich über Dutzende von Quadratmetern erstreckt. Vielleicht planen Sie Reparaturen an einem Gebäude oder erwägen ein Reverse Engineering der Karosserie eines Flugzeugs. In all diesen Fällen benötigen Sie exakte Maße der relevanten Oberflächenbereiche – und hier kommt ein stationärer LiDAR-Scanner ins Spiel. Das ist besonders dann von Bedeutung, wenn sich ein Teil oder die gesamte Oberfläche zu hoch über dem Boden befindet und mit einem Handscanner ohne spezielle Hilfsmittel (zum Beispiel ein Gerüst) nicht erreicht werden kann.

3D-Scan einer Rohrleitung, erstellt mit Artec Ray, einem stationären LiDAR-3D-Scanner.

Gehen wir nun einen Schritt zurück und sehen uns an, wie Sie die im obigen Screenshot gezeigten Ergebnisse erreicht wurden. Mit anderen Worten: Wie scannt man mit einem LiDAR-Scanner? Eigentlich ist von Ihrer Seite nicht viel zu tun: Der Scanner wird auf einem Stativ montiert und vor dem Objekt oder der Szenerie, die Sie scannen möchten, platziert. Per Klick beginnt Artec Ray, eine Vorschau des zu scannenden Bereichs zu erstellen. Wenn Sie anhand dieser Vorschau entschieden haben, dass dies genau der Bereich ist, der erfasst werden soll, und dass der Scanner nicht neu positioniert werden muss, fährt Ray mit der vollständigen Erfassung aller Daten Ihres Objekts oder Ihrer Szenerie fort.

In Fällen, in denen Sie für eine schnellere Ausrichtung in der Verarbeitungsphase erleichtern oder die Genauigkeit Ihrer 3D-Scandaten generell erhöhen möchten, können Sie am zu erfassenden Zielmarken anbringen. Der Scanner kann diese Markierungen in nahezu jeder Umgebung problemlos erkennen. Sobald der Scanvorgang abgeschlossen ist und alle Daten erfasst wurden, richtet die Software des Scanners sämtliche Scans – gegebenenfalls auch mit Hilfe der Zielmarken – auf die schnellste und effizienteste Weise aus.

Auf einem Objekt und um das Objekt herum werden Zielmarken platziert

Einige LiDAR-Scanner, zum Beispiel Artec Ray, benötigen nicht immer Zielmarken, um die Scans zu registrieren und auszurichten, und erreichen dabei dennoch eine sehr hohe Genauigkeit. Ray ist überhaupt eines der fortschrittlichsten metrologischen Geräte, die derzeit auf dem Markt sind. Aus einer Entfernung von bis zu 110 m von der Zieloberfläche kann Ray verschiedenste Objekte – von der Karosserie eines Autos bis hin zu großen Flugzeugen oder Gebäuden – scannen. Bei besonders großen Projekten werden Sie besonders daran interessiert sein, massives Rauschen oder eine falsches Ausrichtung des Scans zu vermeiden. Denn letzteres würde bedeuten, dass Sie den Scanner noch einmal an denselben Ort bringen müssen, um Bereiche zu scannen, die beim ersten Mal nicht richtig erfasst wurden.

Mit Artec Ray müssen Sie sich auch darüber keine Sorgen mehr machen: Dieser Scanner verfügt beim Scannen aus einer Entfernung von bis zu 10-15 Metern vom Objekt über eine Submillimeter-genaue Abstandspräzision und über eine unerreichte Winkelgenauigkeit, die sicherstellt, dass Sie auch bei großen Oberflächenbereichen die präzisesten Ergebnisse erhalten. Und dank der Anzeige einer Vorschau des zu scannenden Objekts können Sie rechtzeitig überprüfen, ob die aktuelle Position des Scanners für die Erfassung einer bestimmten Fläche optimal ist oder ob Sie das Gerät neu positionieren sollten.

Routinemäßiger Arbeitsablauf des Artec Ray: Erfassen von 3D-Daten in einem Wartungsraum. Die Daten können nicht nur auf einen an den Scanner angeschlossenen Laptop gestreamt werden, sondern auch drahtlos auf ein iPad und sogar ein iPhone.

Der Präzisionsgrad der Scandaten aus Ray ermöglicht Ihnen, industrielle Objekte auf der Grundlage ihrer 3D-Modelle zu rekonstruieren, 3D-Modelle großer mechanischer Teile für die Qualitätskontrollen mit ihren CAD-Gegenstücken zu vergleichen, für Vorhaben im Denkmalschutz Statuen in 3D zu digitalisieren oder Online-Galerien für Museen auf der ganzen Welt zu erstellen. Das Anwendungsspektrum ist also wirklich groß.

Kartierung mit luftgestützten LiDAR-Scannern

Die Anwendungsmöglichkeiten werden noch vielfältiger, wenn man mit einem LiDAR-Sensor in die Luft geht. Das tun Ingenieure etwa, bevor sie eine neue Straße bauen, eine Leitung durch einen Gebirgskamm verlegen oder einen neuen Golfplatz anlegen. Auf einem Flugzeug oder Hubschrauber montiert, kann ein LiDAR-Scanner 3D-Daten über Hunderte von Quadratkilometern erfassen. Allerdings können luftgestützte LiDAR-Systeme keine Submillimetergenauigkeit liefern, wenn sie besonders große Geländebereiche abdecken. In diesem Fall können die Toleranzen bis zu einigen Zentimetern betragen, was aber für die meisten Großprojekte ausreichend ist.

Mobile LiDAR-Anwendungen

Die goldene Mitte zwischen Genauigkeit und Größe des gescannten Bereichs wird durch den mobilen LiDAR-Sensor verkörpert, der nicht nur für Ingenieure spannende Perspektiven eröffnet. LiDAR-Systeme, die in autonomen oder selbstfahrenden Autos installiert sind, scannen kontinuierlich die Umgebung und berechnen in Echtzeit den Abstand zu den nächsten Fahrzeugen, Fußgängern und weiteren Hindernissen aller Art, um Kollisionen zu vermeiden.

Sicheres Fahren durch Fernabtastung

LiDAR-Scanner im iPad Pro und iPhone Pro

Die Anwendungen eines LiDAR-Sensors sind auf Verbraucherebene nicht nur auf autonome fahrende Autos beschränkt. Nutzer des iPad Pro und des iPhone Pro (ab Version 12) von Apple profitieren ebenfalls von den Vorteilen der LiDAR-Technologie. Diese Geräte scannen Objekte in einer Entfernung von bis zu 5 Metern und können mit Apps wie IKEA Place und Hot Lava integriert werden, um mit AR die Räume der Nutzer einzurichten und den Raum um sie herum in die Welt eines Videospiels zu verwandeln.

Zwar bietet das LiDAR in den Apple-Geräten nicht die für die Fertigungsindustrie erforderliche Genauigkeit und Auflösung, jedoch eignet es sich sehr gut für Anwendungen wie AR-Shopping und -Spiele. Durch die Einführung von LiDAR auf dem iPad und iPhone wurde die Entwicklung gezielter Anwendungen zudem generell vorangetrieben und die Zahl der Nutzer von 3D-Scantechnologien drastisch erhöht. Was früher die Domäne von Messtechnikern und Vermessungsingenieuren war, ist nun auch allen Nutzern von Apple-Geräte möglich.