LiDAR
В автомобилестроении сложилась ясная модель: автомобили будущего будут способны передвигаться по дорогам полностью автономно. Но для этого необходимо, чтобы автомобиль мог намного лучше оценивать окружающую обстановку, чем сегодня. Бюлер со своей технологией нанесения покрытий является одним из участников этого процесса. Датчики с покрытием станут глазами автомобилей будущего.
Август 2019 г.
В повседневной жизни нас окружает множество датчиков: это наш смартфон, автомобиль, фитнес-трекер на руке, умный холодильник, роботизированная газонокосилка, интеллектуальная система уличного освещения. Технический мир в значительной мере зависит от быстро меняющихся и развивающихся сенсорных технологий. Вследствие этого наши мобильные устройства становятся все более интеллектуальными, интуитивными, чувствительными и энергоэффективными. А соответствующие датчики становятся все меньше и точнее.
Рынок датчиков развивается сразу в двух направлениях: с одной стороны, существует множество высокотехнологичных решений в узкоспециализированных областях, таких как передовая медицина или космические исследования. Производители за счет расширения производства сейчас находят способы сделать эти решения доступными для обычных потребителей. С другой стороны, растет спрос со стороны конечного потребителя – как только технология попадает в потребительский сектор, ее хотят получить все. Причем получить по разумной цене. Это, в свою очередь, заставляет производителей выпускать еще большие объемы изделий за прежнее время, чтобы снизить цены.
Управление автомобилем с момента его изобретения сводилось к тому, что человек действовал рулем, одновременно наблюдая за происходящим и решая, куда ехать. Разумеется, для решения многочисленных проблем, возникающих при движении и требующих принятия взвешенных решений, необходимы глубокие когнитивные навыки и стратегии. Например, в ситуациях, когда дорогу перебегает курица, справа в интенсивном потоке проезжает мотоциклист или встречный автомобиль слишком резко поворачивает. Водитель воспринимает все эти события и принимает решение, основываясь на прошлом опыте.
Уже давно в автомобильной промышленности ведутся исследования по повышению безопасности дорожного движения для всех его участников. Были созданы системы аварийного торможения, улучшенные зеркала заднего вида, интеллектуальные фары. Эти функции помогают человеку во время движения и позволяют лучше предвидеть и преодолевать опасность.
«Сегодня эта отрасль переживает очередную революцию. От автомобиля ждут, что он будет не только помогать водителю, но и принимать решения за него», — поясняет д-р Штеффен Рункель (Steffen Runkel), глава отдела «Оптика» компании Bühler Leybold Optics. «Адаптивный круиз-контроль снижает скорость, если автомобиль слишком сильно приблизился к движущемуся впереди транспортному средству, функция контроля слепых зон оповещает о приближении транспортных средств сбоку, а система слежения за полосой движения уведомляет водителя о смещении автомобиля к краю полосы».
Для оснащения автомобиля дополнительными оптическими «нервами» используются технологии полупроводниковой промышленности. Благодаря датчикам, сканирующим окружающую среду и оценивающим расстояние или распознающим объекты, автомобиль учится самостоятельно анализировать окружающую среду.
Качество датчиков зависит от их покрытия. В зависимости от области применения датчики устанавливаются в различных местах на автомобиле. Луч лазера направляется в поле видимости датчика. Отраженный от окружения свет улавливается и анализируется детектором. Так датчик определяет размер объекта и расстояние до него. Одной из проблем данной технологии является то, что датчик должен улавливать только те отраженные световые волны, которые должны обрабатываться детектором. Все остальные мешающие световые волны, например, солнечный свет, не должны попадать на детектор. Для отбора световых волн используется так называемый полосовой фильтр, представляющий собой последовательность оптических слоев нанометровой толщины.
В этой области специализируется компания Bühler Leybold Optics из города Альценау (Германия). Ее технология HELIOS была разработана почти 20 лет назад и используется для производства именно такого типа фильтров. «В основе этой технологии лежит метод ионного напыления. Для нанесения покрытия используется такой материал, как кремний или тантал, называемый мишенью. Ее помещают в катод в форме блока», — поясняет д-р Рункель. «Высокоэнергетическая плазма создает особые ионы, которые бомбардируют материал мишени. В результате из материала мишени выбрасываются единичные атомы кремния или тантала, которые, в свою очередь, осаждаются на фильтре. Под действием газообразного кислорода эти слои окисляются и становятся прозрачными. Таким способом получают несколько нанометровых слоев из различных материалов. Они в соответствии с составом фильтруют волны разной длины».
Сегодня технология HELIOS шагнула так далеко вперед, что выпускаемые фильтры могут сортировать световые волны с большой дифференциацией. За счет того, что на фильтр наносится до 800 слоев различных оптических материалов, они могут обрабатывать диапазон света от ультрафиолетового до инфракрасного. Кроме того, система HELIOS позволяет наносить покрытие одновременно на несколько заготовок, что увеличивает объемы производства. Благодаря этому производство фильтров становится гораздо более рентабельным.
От автомобиля ждут, что он будет не только помогать водителю, но и принимать решения за него.
Д-р Штеффен Рункель, Глава отдела «Оптика», Bühler Leybold Optics
«Мы думаем о будущем, и наша технология очень хорошо подходит для производства оптических датчиков в автономных автомобилях», — говорит д-р Рункель. «Очевидно, что автомобиль может двигаться самостоятельно только в том случае, если он полностью распознает окружающую среду». Разумеется, для этого требуются не только оптические датчики. Автономный автомобиль должен в режиме реального времени оценивать всю получаемую от датчиков информацию и трансформировать ее в соответствующее действие. «Таким автомобилям нужны дополнительные программные средства, базирующиеся на искусственном интеллекте и способные принимать правильные решения», — поясняет д-р Рункель. Пока отрасль еще не слишком оптимистично оценивает вероятность того, что в будущем как общественный, так и частный транспорт может стать полностью самоуправляемым.
Несмотря на многочисленные исследования, для перехода на автономное движение, вероятно, понадобится больше времени, чем планировалось изначально, поскольку объекты все еще идентифицируются неправильно. «Если движущийся слева грузовик распознается не как грузовик, а как мост, значит система допускает ошибки.
Даже уличные знаки распознаются системой камер с точностью около 90 %. На сегодняшний день еще нет системы, которая могла бы надежно определять все возможные ситуации», — поясняет Клаус Хербиг (Klaus Herbig), руководитель отдела управления продуктами «Оптика» компании Бюлер.
Однако автомобильная промышленность не перестает верить в перспективу. И прежде всего это связано с техническими возможностями технологии LiDAR, которая теперь стала более доступной. LiDAR (сокращение от light detection and ranging, «обнаружение и определение дальности с помощью света») — это родственный радиолокации метод, работающий не с радиоволнами, а со световыми лучами. «LiDAR испускает лазерный луч, который отражается от объекта и улавливается вновь. Сложность заключается в том, что лазерный луч должен просканировать все окружающее пространство. В сравнении с обычными датчиками, LiDAR не только обнаруживает объекты, но и классифицирует их, определяет расстояние и движение относительно автомобиля. Еще одной трудностью является надежное сканирование объектов на расстоянии до 250 метров при любых погодных условиях», — говорит д-р Рункель.
На крыши автомобилей уже устанавливаются первые прототипы систем LiDAR. Они размещаются в модулях под разными углами, что позволяет охватить все окружение. Но на рынок такие системы смогут выйти только тогда, когда их компоненты станут меньше и их можно будет встраивать в существующие компоненты автомобиля, например, в фары. «Сейчас над этим активно работает вся отрасль – как известные компании, так и многочисленные стартапы. По всему миру насчитывается около 100 стартапов, у которых есть свое представление о том, как технология LiDAR может работать в автомобилях в будущем», — говорит д-р Рункель.
Технология LiDAR не нова. Она уже используется в спутниках и различных военных системах. «В этих сферах стоимость оборудования может составлять несколько тысяч евро», — поясняет г-н Хербиг. «В автомобилестроении речь идет о гораздо больших объемах. Например, в сегменте премиум-класса такое устройство может стоить даже немного дороже, но если речь идет о среднем или компактном классе, то здесь стоимость может составлять примерно 100 евро». В отделе «Оптика» г-н Хербиг занимается оперативным выявлением тенденций на рынке. «Для нас это крайне важно, чтобы и дальше развивать наши решения в соответствии с потребностями наших клиентов. Например, для сокращения издержек производства решающими факторами, отличающими нас от конкурентов, являются большие объемы и высокий уровень автоматизации», — поясняет он.
Сейчас над технологией LiDAR активно работает вся отрасль.
Д-р Штеффен Рункель, Глава отдела «Оптика», Bühler Leybold Optics
Но заниматься дальнейшими разработками команда Bühler Leybold Optics в Альценау сможет только тогда, когда станет ясно, как такая технология будет использоваться в больших количествах. «Многие наши заказчики ведут исследования в этой области. Поэтому нам очень важно поддерживать контакты и сотрудничать с ними, чтобы поставлять им необходимые для этой цели покрытия. Мы — эксперты в области вакуумного напыления тонкопленочных оптических покрытий», — говорит г-н Хербиг. Компания Bühler Leybold Optics имеет хорошие связи в отрасли и постоянно сотрудничает с научно-исследовательскими институтами в Германии, Франции и Бельгии. «Мы также сотрудничаем с несколькими производителями автомобилей и их поставщиками», — поясняет г-н Хербиг. «Мы даем им возможность опробовать свои творческие идеи и наработки в нашем учебно-прикладном центре в Альценау».
Этот учебно-прикладной центр был создан полтора года назад и располагает испытательной зоной площадью 1200 кв. м, высокотехнологичной лабораторией и современными помещениями для исследований и разработок. Из-за высокого спроса компания Бюлер установила здесь две системы HELIOS последнего поколения.
Здесь же находится установка для нанесения покрытий DLC (DLC — алмазоподобный углерод), которая используется в производстве таких устройств, как камеры ночного видения. С их помощью водитель может раньше обнаружить потенциальную опасность в темноте и при плохом освещении. Обращенные вперед камеры должны выдерживать огромные нагрузки, например, в штормовую погоду или при интенсивном движении.
DLC может покрывать наружные стекла камер, делая их очень прочными. Учебно-прикладной центр для заказчиков компании Бюлер стал важным преимуществом, особенно для тех, у кого еще нет большого опыта работы с технологией напыления тонкопленочных оптических покрытий. «Множество идей пока находятся на ранних стадиях, но вскоре они будут в той или иной мере реализованы», — поясняет д-р Рункель. «Речь идет об автомобиле будущего, который учится распознавать дорогу с помощью различных умных датчиков, работающих на основе оптических технологий».
Гупфенштрассе 5
Уцвиль
9240
Швейцария
