LiDAR und SLAM – wie sich ein System ohne Satellitensignal orientiert

In einem Kabelkeller, einem Tunnel oder einer geschlossenen Schaltanlage gibt es kein Satellitensignal. Ein System, das dort eine Route wiederkehrend abfahren soll, muss seine Position aus dem bestimmen, was es sieht – durch Abgleich mit einer Karte, die es zuvor selbst erstellt hat. Dieses Verfahren heißt SLAM. Für die Beschaffung ist dabei nicht die angegebene Genauigkeit die entscheidende Größe, sondern eine andere Frage: Was geschieht, wenn die Lokalisierung verloren geht?

Warum das Satellitensignal ausfällt

Nicht nur unter Tage. Die Ausfallgründe sind vielfältiger, als die Unterscheidung „innen und außen" vermuten lässt.

Abschattung. Gebäude, Portalanlagen, Masten und Bewuchs verdecken Teile des Himmels. Je weniger Satelliten sichtbar sind, desto ungenauer die Position.

Mehrwegeausbreitung. Signale erreichen den Empfänger zusätzlich über Reflexionen an Metallflächen. Das ist in Freiluftschaltanlagen und zwischen Hallenwänden der Normalfall und erzeugt Positionsfehler, ohne dass der Empfänger eine Störung meldet – die Position bleibt plausibel und ist falsch.

Innenräume und Tunnel. Kein Empfang.

Auch korrigierte Verfahren mit Referenzstation helfen hier nicht: Sie verbessern die Genauigkeit bei gutem Empfang, sie ersetzen ihn nicht.

Für die Anwendungsfelder der Anlageninspektion heißt das: Satellitenortung ist bestenfalls eine ergänzende Größe, nie die Grundlage.

Was LiDAR misst

Ein LiDAR sendet Laserimpulse aus und misst deren Laufzeit bis zur Rückkehr. Daraus ergibt sich für jeden Impuls eine Entfernung. Rotiert der Sensor, entsteht eine Punktwolke – eine Menge von Messpunkten mit Richtungs- und Entfernungsangabe.

Drei Datenblattgrößen werden dabei regelmäßig fehlgedeutet.

Die Zahl der Kanäle oder Zeilen. Sie gibt an, wie viele übereinanderliegende Ebenen gleichzeitig abgetastet werden, und bestimmt damit die vertikale Auflösung. Mehr Kanäle bedeuten eine dichtere Punktwolke – nicht automatisch eine bessere Lokalisierung. Für die Positionsbestimmung zählt, ob die Umgebung unterscheidungskräftige Strukturen enthält, nicht wie fein sie abgetastet wird.

Die Reichweite. Sie ist auf ein Zielobjekt mit bestimmter Rückstrahlfähigkeit bezogen. Eine dunkle, matte oder nasse Oberfläche wird deutlich kürzer erfasst als die Angabe vermuten lässt. Die Prüfbedingung gehört zur Zahl.

Die Punktrate. Sie beschreibt den Datendurchsatz. Sie sagt nichts darüber aus, wie gut die Auswertung daraus eine Position ableitet – das leistet die Software, nicht der Sensor.

SLAM sind zwei Vorgänge, nicht einer

Die Abkürzung steht für die gleichzeitige Lokalisierung und Kartenerstellung. Im Betrieb laufen diese beiden Vorgänge aber getrennt, und die Unterscheidung ist für die Planung wesentlich.

Der Kartierungslauf. Einmalig, begleitet, sorgfältig. Das System wird durch die Anlage geführt und erstellt die Karte. Dabei entsteht unvermeidlich ein Fehler, der sich über die Strecke aufsummiert. Führt die Route an einen bereits besuchten Ort zurück und erkennt das System das, lässt sich dieser Fehler über die Gesamtkarte ausgleichen. Deshalb sind Rundwege bei der Kartierung besser als Stichwege.

Der Betriebslauf. Danach kartiert das System nicht mehr, sondern gleicht ab: Es vergleicht die aktuelle Punktwolke mit der vorhandenen Karte und bestimmt daraus seine Position. Das ist der Vorgang, der täglich funktionieren muss.

Die Qualität des Betriebslaufs hängt an der Qualität des Kartierungslaufs. Eine nachlässig erstellte Karte lässt sich nicht durch bessere Sensorik ausgleichen – sie muss neu erstellt werden.

Die Karte ist damit ein Betriebsmittel, das gepflegt wird. Dieser Aufwand fehlt in den meisten Wirtschaftlichkeitsrechnungen. Er fällt an, wenn sich die Anlage ändert: ein neuer Schaltschrank, ein umgesetztes Regal, eine Baustelle, eine veränderte Vegetation, im Außenbereich auch Schnee.

Der schwierigste Fall: geometrische Mehrdeutigkeit

Dies ist der Punkt, an dem Lokalisierung praktisch scheitert, und er betrifft ausgerechnet eines der naheliegendsten Einsatzgebiete.

Ein Verfahren, das die Position aus der Umgebungsgeometrie ableitet, braucht eine Umgebung, die sich unterscheidet. Ein Tunnel sieht entlang seiner Achse über weite Strecken gleich aus. Ein langer Gang ebenso. Eine Reihe baugleicher Schaltfelder ebenso.

Die Folge: Quer zur Achse ist die Position gut bestimmt, entlang der Achse läuft sie langsam weg. Das System ist sicher, dass es in der Mitte des Tunnels steht – nur nicht, an welcher Stelle. Fachleute sprechen von einer Degeneration des Scan-Matchings: Die Geometrie liefert in dieser Richtung keine Information, aus der sich die Position bestimmen ließe.

Dasselbe Problem entsteht in symmetrischen Umgebungen: Zwei baugleiche Gänge können verwechselt werden, besonders nach einem Neustart ohne bekannte Ausgangsposition.

Die etablierten Gegenmittel sind baulicher, nicht rechnerischer Natur:

• Referenzmarken an definierten Stellen, die eindeutig erkannt werden
• Nutzung vorhandener Unterscheidungsmerkmale – Nischen, Querschläge, Einbauten, Beschilderung
• Odometrie und Trägheitssensorik zur Überbrückung kurzer mehrdeutiger Abschnitte
• Kürzere Abschnitte zwischen eindeutig bestimmbaren Punkten

Für die Planung heißt das: In Tunneln und langen Trassen ist die Lokalisierung kein reines Beschaffungsthema, sondern eine Frage der Einrichtung vor Ort. Wer dort ein Vorhaben plant, sollte diesen Punkt vor der Beschaffung ansprechen – siehe auch die Darstellung zur Inspektion in der Energieversorgung, wo dasselbe für Reihen baugleicher Felder gilt.

Was LiDAR schlecht sieht

Die Punktwolke entsteht aus zurückgeworfenen Impulsen. Wo nichts zurückkommt oder etwas Falsches, entstehen Lücken und Fehlpunkte.

• Glas wird häufig durchlaufen oder spiegelt – Glaswände und Fenster erscheinen nicht oder an falscher Stelle
• Blanke, spiegelnde Metallflächen werfen den Impuls seitlich weg
• Wasserflächen und nasse Böden reflektieren gerichtet statt diffus
• Dampf, Staub, Nebel und starker Regen erzeugen Punkte in der Luft, die wie Hindernisse aussehen
• Dunkle, matte Oberflächen verkürzen die nutzbare Reichweite

Zwei dieser Punkte sind betrieblich bedeutsam, weil sie gegenläufig wirken: Dampf und Staub erzeugen Scheinhindernisse, die ein System zum Anhalten bringen; Glas und Spiegelflächen erzeugen fehlende Hindernisse. Das erste kostet Verfügbarkeit, das zweite ist ein Sicherheitsthema.

Deshalb arbeiten praktisch alle Systeme mit mehreren Sensorarten zugleich. Welche das sind, wie sie zusammengeführt werden und was beim Ausfall einer Quelle geschieht, ist eine der sinnvollsten technischen Fragen im Beschaffungsgespräch.

Lokalisierungstoleranz als Sicherheitsparameter

Hier wird aus einer technischen Angabe eine sicherheitsrelevante.

Die Lokalisierungstoleranz beschreibt, wie weit die tatsächliche Position von der angenommenen abweichen darf. Sie ist keine Eigenschaft des Geräts allein, sondern des Zusammenspiels aus Sensorik, Karte, Umgebung und Route.

Die Bedeutung erschließt sich erst in der Anwendung: Wenn ein System einen definierten Abstand zu einer Gefahrenstelle einhalten soll, dann muss die Lokalisierungstoleranz in diesem Abstand enthalten sein. Ein Sicherheitsabstand, der von einer Position aus gerechnet wird, die selbst mit einer Unsicherheit behaftet ist, ist nur so verlässlich wie diese Unsicherheit.

Daraus folgen Fragen, die in die Gefährdungsbeurteilung gehören:

• Welche Abweichung ist im ungünstigsten Fall zu erwarten, nicht im typischen?
• Unter welchen Bedingungen gilt die angegebene Toleranz – trocken, beleuchtet, bei unveränderter Umgebung?
• Wie verhält sich das System an der Grenze der Toleranz?

Und der wichtigste Punkt: Was geschieht bei Lokalisierungsverlust?

Ein System, das nicht mehr weiß, wo es ist, darf sich nicht weiterbewegen, als wüsste es es. Das erwartbare Verhalten ist ein definierter sicherer Zustand – anhalten, Bewegung einstellen, Meldung absetzen. Was danach passiert, ist eine betriebliche Festlegung: Wer wird benachrichtigt, wer holt das Gerät, wie wird es neu eingemessen.

Diese Festlegung gehört vor die Inbetriebnahme. Sie ist auch Gegenstand der Mitbestimmung und der Datenschutzbetrachtung, weil mit ihr geregelt wird, in welchem Zustand das System steht und was es dabei aufzeichnet.

Zur Einordnung der Autonomiegrade und des Aufsichtsgrads insgesamt: Inspektionsroboter – Leitfaden für Betreiber.

Was in die Einrichtung gehört

Der Aufwand liegt nicht im Gerät, sondern in der Einrichtung. Diese Punkte sind gemeint, wenn von Inbetriebnahme die Rede ist:

Die letzte Zeile wird am häufigsten vergessen und entscheidet darüber, ob ein System nach einem Jahr noch läuft.

Prüfliste Lokalisierung und Navigation

• Welche Sensorarten werden zur Lokalisierung zusammengeführt?
• Was geschieht beim Ausfall einer einzelnen Sensorquelle?
• Angegebene Lokalisierungstoleranz samt Prüfbedingung
• Verhalten bei Lokalisierungsverlust: definierter sicherer Zustand?
• Meldeweg und Zuständigkeit bei Verlust, schriftlich festgelegt
• Verhalten beim Neustart ohne bekannte Ausgangsposition
• Umgang mit mehrdeutiger Geometrie: Referenzmarken erforderlich?
• Wer erstellt die Karte, mit welchem Aufwand, und wem gehört sie?
• Wie wird die Karte nach Veränderungen in der Anlage aktualisiert?
• Lässt sich eine Karte exportieren und bei einem Gerätewechsel übernehmen?
• Funktioniert die Lokalisierung ohne Netzverbindung vollständig vor Ort?

Diese Prüfliste wird als Download angeboten, sobald die Vorlage vorliegt.

Die letzte Frage ist nicht nur eine technische: Eine Lokalisierung, die eine Verbindung nach außen voraussetzt, ist zugleich eine Aussage darüber, welche Daten die Anlage verlassen.

Quellen

1. Verordnung (EU) 2023/1230 über Maschinen Europäische Union abgerufen 16.10.2026
2. DIN EN ISO 13849-1 – Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen DIN Deutsches Institut für Normung abgerufen 16.10.2026
3. DIN EN ISO 3691-4 – Flurförderzeuge, sicherheitstechnische Anforderungen, fahrerlose Flurförderzeuge DIN Deutsches Institut für Normung abgerufen 16.10.2026
4. VDI 2510 – Fahrerlose Transportsysteme Verein Deutscher Ingenieure abgerufen 16.10.2026

Änderungsprotokoll (2)

• 30.10.2026 Aktualisierung Fachlich geprüft. Fachbegriff für die geometrische Mehrdeutigkeit ergänzt (Degeneration des Scan-Matchings).
• 16.10.2026 Erstveröffentlichung Erstveröffentlichung.