Toshiba entwickelt weltweit ersten LiDAR mit 99,9% Tracking-Genauigkeit

-Präzise Objekterkennung und erweiterte Reichweite bei schlechtem Wetter. Ebnen den Weg zu räumlichen digitalen Zwillingen-

TOKIO, 27. September 2023 — Die Toshiba Corporation (TOKIO: 6502) hat bahnbrechende Fortschritte*1 bei LiDAR bekannt gegeben: Technologien, die eine unübertroffene Genauigkeit von 99,9 %*2 bei der Objektverfolgung und eine Objekterkennung von 98,9 % allein mit den von LiDAR erfassten Daten sichern. Die Technologien verbessern auch die Umweltrobustheit und das Potenzial für den Einsatz von LiDAR in vielen unterschiedlichen Anwendungen deutlich.

LiDAR, die Entfernungsmessung mit Licht, die einen Laser verwendet, um Entfernungen zu Objekten zu messen, ist seit langem eine Säule fortschrittlicher Fahr- und autonomer Fahrsysteme. In jüngerer Zeit wird es in Kombination mit Kameras verwendet, um digitale Zwillinge zu erstellen – virtuelle Replikate realer Objekte und Systeme, die zur Modellierung der Leistung verwendet werden können, um Probleme zu identifizieren und den Betrieb in vielen Branchen zu verbessern.

Digitale Zwillinge unterscheiden sich von typischen Simulationen darin, dass sie Echtzeit-Änderungen in der realen Welt widerspiegeln können. Bislang konnten Simulationen Verschleiß und Abnutzung von Maschinen nicht erfassen, während diese auftraten, aber jetzt können Sensoren und KI riesige Mengen an Daten von produktiven Fertigungslinien und Ausrüstungen sammeln und analysieren, um reale Ereignisse präzise in virtueller Form nachzubilden.

Über Ausrüstungs-Digitalzwillinge, die spezifische Prozesse modellieren, besteht nun ein aufkommender Bedarf an räumlichen Digitalzwillingen – der Fähigkeit, ganze Fabriken oder städtische Gebiete nachzubilden. Die Erstellung dieser fortgeschrittenen digitalen Zwillinge wird die Automatisierung aller Arten von Mobilitätsgeräten und die Gesamtoptimierung von Fabriken und Logistiklagern unterstützen. In Städten werden sie Probleme wie Unfälle und Verkehrsstaus abmildern.

Die Erstellung räumlicher digitaler Zwillinge erfordert großflächige Hochpräzisions-Raumsensorik, die Objekte auch bei schlechtem Wetter erkennen und verfolgen kann. LiDAR gilt als die Technologie, die diese Anforderungen erfüllt. Da eine präzise Erkennung und Verfolgung allein mit den von einem LiDAR erfassten Daten schwierig ist, wird es oft zusammen mit einer Kamera verwendet, und die 3D-Daten des LiDAR werden mit den 2D-Daten der Kamera kombiniert. Die vollständige Beseitigung räumlicher Fehlausrichtung zwischen den Daten ist jedoch schwierig, und die Genauigkeit wird auch durch schlechtes Wetter wie Regen oder Nebel beeinträchtigt oder wenn es aufgrund der Charakteristik des Installationsorts tote Winkel gibt.

Toshiba hat die Realisierung hochpräziser räumlicher Digitalzwillinge mit drei weltweit ersten LiDAR-Technologien vorangetrieben.

1. 2D/3D-Fusions-KI
Präzise Objekterkennung und -verfolgung nur mit von LiDAR erfassten Daten.

Im Bewusstsein, dass LiDAR sowohl 2D-Daten aus der Leuchtdichte als auch 3D-Daten erfasst, fusionierte Toshiba die Daten und wandte KI zur Objekterkennung an (Abb. 1, unten). Da alle Daten gleichzeitig von denselben LiDAR-Pixeln erfasst werden, ist keine Winkel- oder Bildwiederholfrequenzanpassung erforderlich, die bei Verwendung einer Kamera mit LiDAR erforderlich ist (Abb. 1 oben). Die KI beseitigt Genauigkeitsminderungen, die sich aus Fehlern bei der Korrektur von Fehlausrichtungen und Vibrationen ergeben. Sie erkannte Objekte, einschließlich Fahrzeuge und Menschen, mit 98,9 % Genauigkeit, der weltweit höchsten, und verfolgte sie mit 99,9 % Genauigkeit ohne Kamera, sogar nachts, ohne Beleuchtung.

Abbildung 1: Herkömmliche und neue 2D/3D-Fusions-KI
Abbildung 1: Herkömmliche und neue 2D/3D-Fusions-KI

2. Regenschirm-/Nebelentfernungsalgorithmus
Minimierung von Artefakten durch Regen und Nebel, die die Messgenauigkeit von LiDAR beeinträchtigen.

LiDAR-Hersteller integrieren eine Mehrfach-Echo-Funktion in ihre Produkte, die darauf ausgelegt ist, nur das reflektierte Licht von Objekten zu erkennen. Bei Regen oder Nebel ist es jedoch schwierig, schwache reflektierte Lichtsignale von Objekten zu extrahieren, was Genauigkeitsprobleme mit sich bringt.

Toshibas Lösung ist ein Algorithmus, der Analogdaten von Licht, das von Objekten im Regen und Nebel reflektiert wird, mithilfe eines AD-Wandlers in digitale Werte der reflektierten Lichtintensität umwandelt. Der Algorithmus verwendet die charakteristische Wellenform des von Regen oder Nebel reflektierten Lichts, um die Wetterbedingungen zu bestimmen, und entfernt jede Wellenform, die als Regen oder Nebel bestimmt wurde. Tests ergaben, dass der Algorithmus die erkennbare Entfernung von 20m auf 40m bei starkem Regen von 80 mm pro Stunde verdoppelte und von 17 m auf 35 m bei Nebel mit einer Sichtweite von 40 m (Abb. 2).

Abbildung 2: Ergebnisse der Überprüfung des in dieser Studie entwickelten Regenschirm-/Nebelentfernungsalgorithmus
Abbildung 2: Ergebnisse der Überprüfung des in dieser Studie entwickelten Regenschirm-/Nebelentfernungsalgorithmus

3. Technologie mit variablem Messbereich
Änderung des Bereichs, der durch Entfernung und Sichtfeld des LiDAR bestimmt wird.

Die neue LiDAR-Technologie, die Toshiba im März 2022 vorstellte, verwendete zwei auf 71 cm3 verkleinerte Projektoren, um die Entfernung 1,5-mal zu erhöhen und die Weitwinkelabbildung bei Einhaltung der augensicheren Standards zu verbessern. Das Unternehmen hat nun die Anzahl der Projektoren und die Konfiguration der Linse geändert und damit den Bereich weiter ausgedehnt und das Sichtfeld sechsmal vergrößert.

In Tests wurde ein Bereich von 120 m mit einem horizontalen Sichtfeld von 60° (H) und einem vertikalen Winkel von 34° (V) erreicht. Ein Bereich von 350 m, der weltweit längste gemessene Abstand, wurde mit einem Sichtfeld von 24° (H) × 12° (V) erreicht (Abb. 3). Dieser Fortschritt weist den Weg zu räumlichen digitalen Zwillingen zur Überwachung von Infrastrukturen wie Straßen und Eisenbahnen, die eine Langstreckenmessung erfordern, sowie zum Fabrik- und Lagerbetrieb automatisierter Flurförderzeuge, die eine Weitwinkelleistung erfordern.

Die drei neuen Technologien verbessern das Potenzial von Toshibas LiDAR erheblich und tragen zur Schaffung räumlicher digitaler Zwillinge bei.

Abbildung 3: Anwendungen der Technologie mit variablem Messbereich und Ergebnisse der Demonstration des Langstreckenmodus
Abbildung 3: Anwendungen der Technologie mit variablem Messbereich und Ergebnisse der Demonstration des Langstreckenmodus

Toshiba wird die Forschung und Entwicklung umweltrobuster LiDAR fortsetzen und strebt bis zum Geschäftsjahr 2025 die Vermarktung von Festkörperprodukten an. Das Unternehmen wird durch die Förderung eines breiten Einsatzspektrums von LiDAR, einschließlich Mobilitätsautomatisierung, Infrastrukturüberwachung und räumlicher digitaler Zwillinge, zum Aufbau einer sicheren und geschützten Gesellschaft mit widerstandsfähiger Infrastruktur beitragen.