LiDAR
A indústria automotiva tem uma visão clara: os veículos do futuro deverão ser capazes de circular no trânsito de forma totalmente autônoma. Ao fazer isso, o carro deve ser capaz de perceber o ambiente ao seu redor muito melhor do que hoje. A Bühler, com sua tecnologia de revestimento, faz parte deste desenvolvimento. Sensores revestidos serão os olhos dos veículos do futuro.
Agosto de 2019
Em nossa vida quotidiana, estamos rodeados por inúmeros sensores: nossos smartphones, nossos carros, smart watches, geladeiras inteligentes, cortadores de grama robotizados, a iluminação pública inteligente. O mundo técnico consiste, em grande medida, em tecnologias de sensores que estão mudando e evoluindo rapidamente. É assim que os nossos dispositivos móveis se tornam mais inteligentes, mais intuitivos, mais sensíveis e mais eficientes em termos energéticos. E os sensores que eles contêm estão cada vez menores e mais precisos.
O mercado de sensores está sendo impulsionado por dois fatores ao mesmo tempo: por um lado, existem muitas soluções avançadas em áreas altamente especializadas, como a medicina de ponta ou a pesquisa espacial, e agora os fabricantes estão encontrando formas de tornar estas soluções acessíveis ao consumidor comum através do aumento da produção. Por outro lado, há uma maior procura por parte do consumidor final e uma vez que uma nova tecnologia chega ao mercado, todos a querem. E eles a querem por um bom preço. Isto, por sua vez, leva os fabricantes a produzir quantidades ainda maiores no mesmo período de tempo a fim de reduzir os preços.
Desde a sua invenção, dirigir um carro implicava que uma pessoa manobrasse um volante enquanto olhava por cima dele para decidir para onde a máquina deveria ir. É claro que mais habilidades e estratégias cognitivas entram em jogo para lidar com as muitas eventualidades que encontramos no trânsito e que exigem decisões inteligentes. Eventos como quando uma galinha atravessa a rua, um motociclista passa pela direita no trânsito intenso ou um veículo que se aproxima faz uma curva muito acentuada. Todos esses eventos são percebidos pelo motorista e uma decisão é tomada com base na experiência passada.
Há algum tempo, a indústria automotiva vem pesquisando como as situações de trânsito, com todos os seus diversos participantes, podem se tornar mais seguras. Frenagem auxiliar de emergência, espelhos retrovisores aprimorados e faróis inteligentes foram desenvolvidos para este fim. São funções que auxiliam as pessoas durante a condução e as ajudam a antecipar e superar os perigos de forma mais eficaz.
“Hoje, a indústria enfrenta outra revolução. Cada vez mais se espera que o carro seja capaz não apenas de ajudar o motorista, mas ele mesmo também tomar decisões”, explica o Dr. Steffen Runkel, chefe de ótica da Bühler Leybold Optics. “O controle de cruzeiro adaptativo desacelera quando o carro se aproxima muito do veículo da frente, o assistente de ponto cego avisa sobre veículos se aproximando pela lateral, o assistente de faixa notifica o motorista quando o carro se desvia involuntariamente para o limite da faixa.”
A tecnologia que permite equipar o carro com nervos óticos adicionais vem da indústria de semicondutores. Sensores escaneiam o ambiente e estimam distâncias ou percebem objetos – o veículo aprende através deles a perceber o próprio ambiente.
A qualidade dos sensores está diretamente relacionada ao seu revestimento Os sensores são colocados em vários locais de um veículo, dependendo da sua área de aplicação. Um feixe de laser é enviado para iluminar o campo de visão do sensor. A luz refletida pelo ambiente é capturada e avaliada por um detector. É assim que o sensor detecta o tamanho e a distância do objeto. Um desafio desta tecnologia é que o sensor detecta as ondas de luz refletidas que são importantes para o uso do detector. Todas as outras ondas de luz indesejáveis, como a luz solar, precisam ser mantidas longe do detector. A seleção das ondas de luz é feita com o auxílio do chamado filtro passa-faixa, que consiste em uma determinada sequência de camadas óticas com espessura nanométrica.
A Bühler Leybold Optics, em Alzenau, Alemanha, é especializada nesta área. Há quase 20 anos, sua tecnologia HELIOS foi desenvolvida e é utilizada para fabricar exatamente este tipo de filtro. “A tecnologia é baseada no método de pulverização. Para fazer isso, um material como silício ou tântalo é usado para o revestimento e é chamado de alvo. Ele é colocado como um bloco no cátodo de pulverização catódica”, explica o Dr. Runkel. “Com a ajuda de um plasma energético, são criados íons individuais que bombardeiam o material alvo. Isso ejeta átomos individuais de silício ou tântalo do material alvo, que por sua vez se condensam no filtro. Ao adicionar gás oxigênio, essas camadas oxidam e tornam-se transparentes. Isso resulta em várias camadas finas de vários nanômetros de vários materiais. Dependendo da composição, eles filtram diferentes comprimentos de onda.”
A tecnologia HELIOS avançou tanto que os filtros produzidos podem separar as ondas de luz com grande diferenciação. Eles funcionam no espectro de luz do ultravioleta ao infravermelho através da aplicação de até 800 camadas de vários materiais óticos em um filtro. Outro fator decisivo é que um sistema HELIOS pode revestir várias peças simultaneamente, aumentando assim os volumes de produção. Isso torna a produção de filtros muito mais econômica.
Espera-se que o carro seja capaz não apenas de auxiliar o motorista, mas também de tomar decisões por si próprio.
Dr. Steffen Runkel, Chefe de Ótica, Bühler Leybold Optics
“Quando pensamos no futuro, nossa tecnologia é adequada para a fabricação de sensores óticos em veículos autônomos”, afirma Dr. Runkel. “É claro que um carro só pode se deslocar sozinho se detectar completamente o ambiente.” Claro, são necessários mais do que apenas sensores óticos. Um veículo autônomo deve avaliar todas as informações geradas pelo sensor em tempo real e convertê-las em uma ação adequada. “Portanto, um carro autônomo precisa de programas de software inteligentes adicionais baseados em inteligência artificial que possam tomar as decisões corretas”, explica o Dr. Runkel. O entusiasmo da indústria de que tanto os veículos públicos quanto os particulares possam ser dirigidos de forma totalmente autônoma no futuro ainda é um tanto contido.
Apesar da extensa pesquisa, a conversão para o tráfego autônomo provavelmente demorará um pouco mais do que o planejado originalmente, pois os objetos ainda estão sendo identificados incorretamente. “Se um caminhão vindo da esquerda não for reconhecido como caminhão, mas como ponte, o sistema ainda está incorreto.
Até mesmo os sinais de trânsito podem atualmente ser detectados pelo sistema de câmeras com apenas cerca de 90% de precisão. Até o momento, não existe um sistema que possa ver com segurança todas as eventualidades”, explica Klaus Herbig, Chefe de Ótica de Gerenciamento de Produtos na Bühler.
Isso dificilmente impede a indústria automotiva de continuar a acreditar nesta visão. Isso graças à viabilidade técnica da tecnologia LiDAR, que agora é de fácil acesso. LiDAR (abreviação de Light Detection and Range) é um método relacionado ao radar que funciona com raios de luz em vez de ondas de rádio. “O LiDAR emite um feixe de laser que é refletido pelo objeto e capturado novamente. Um dos desafios aqui é que o feixe de laser deve varrer todo o ambiente. Em comparação com sensores convencionais, o LiDAR não apenas detecta objetos, mas também os classifica e determina a distância e o movimento em relação ao veículo. Uma dificuldade adicional é a cobertura confiável de distâncias de até 250 metros em quaisquer condições climáticas”, afirma o Dr. Runkel.
Os primeiros protótipos de sistemas LiDAR já foram instalados nos tetos dos carros. Eles são dispostos em invólucros em vários ângulos para que possam capturar todo o entorno. No entanto, tais sistemas só poderão atingir a maturidade de mercado quando os componentes forem menores e puderem ser integrados a componentes automotivos existentes, como os faróis. “Atualmente, toda a indústria está trabalhando freneticamente nisso, tanto empresas estabelecidas quanto muitas startups. Existem cerca de 100 startups em todo o mundo que têm as suas próprias ideias sobre como a tecnologia LiDAR poderá funcionar nos automóveis no futuro”, afirma o Dr. Runkel.
O LiDAR em si não é novo. A tecnologia já é utilizada em satélites e diversas aplicações militares. “Nestas áreas, um sistema pode custar milhares de euros”, explica Herbig. “Na indústria automotiva, estamos falando de quantidades muito maiores. Na categoria premium, um dispositivo deste tipo poderia custar ainda um pouco mais, mas quando nos aproximamos da categoria média ou compacta, então estamos falando da faixa de 100 euros.” Dentro do departamento de Ótica, Herbig é responsável por reconhecer oportunamente as tendências do mercado. “Isso é crucial para que possamos desenvolver ainda mais nossas soluções de acordo com as necessidades de nossos clientes. Por exemplo, para reduzir os custos de produção, grandes volumes e um elevado nível de automação são os fatores críticos que nos diferenciam da concorrência”, explica.
Atualmente, toda a indústria está trabalhando em alta velocidade na tecnologia lidar.
Dr. Steffen Runkel, Chefe de Ótica, Bühler Leybold Optics
No entanto, a equipe da Bühler Leybold Optics em Alzenau só será capaz de enfrentar esses desenvolvimentos futuros quando estiver claro como tal tecnologia será usada em grande escala. “Muitos de nossos clientes atualmente conduzem pesquisas nesta área. Para nós é, portanto, fundamental manter nossos contatos e cooperar com os nossos clientes para lhes fornecer os revestimentos necessários nesta área. Somos especialistas em revestimento ótico de película fina”, afirma Herbig. A Bühler Leybold Optics está bem conectada ao setor e mantém contato regular com instituições de pesquisa na Alemanha, França e Bélgica. “Também estamos em contato com diversos fabricantes automotivos e seus fornecedores”, explica Herbig. “Oferecemos a eles a oportunidade de testar as suas ideias criativas e desenvolvimentos no nosso centro de aplicações em Alzenau.”
O centro de aplicação foi inaugurado há um ano e meio e inclui uma área de testes de 1.200 metros quadrados, um laboratório de alta tecnologia e uma área de pesquisa e desenvolvimento altamente moderna. Devido à alta demanda, a Bühler acaba de instalar dois sistemas HELIOS de última geração.
Ao lado deles, há também uma máquina DLC (DLC é a sigla de diamond-like carbon, ou seja, carbono semelhante a diamante), que é usada para fabricar itens como câmeras para visão noturna. Esses itens ajudam o condutor a detectar riscos potenciais mais cedo na escuridão e em condições difíceis de iluminação. As câmeras voltadas para a frente precisam suportar condições severas, como tempestades e operação em trânsito intenso.
O DLC pode revestir a janela externa da câmera para torná-la muito resistente. Para os clientes da Bühler, o centro de aplicação representa um enorme valor agregado, especialmente para aqueles que ainda não têm muita experiência com tecnologia ótica de revestimento de película fina. “Muitas dessas ideias ainda estão nos estágios iniciais, mas em breve serão implementadas de uma forma ou de outra”, explica o Dr. Runkel. “Estamos falando do carro do futuro que aprende a ver através de uma variedade de sensores inteligentes baseados em tecnologias óticas.”
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