Utvikler en ny kategori sensorer: – Vil gjøre ultralyd mye mer anvendelig

Det norske selskapet Sonair lanserer i år en helt ny kategori av sensorer for industrielle, autonome roboter. ADAR – Acoustic Detection and Ranging – skiller seg ut ved at det brukes ultralyd i luft til å lage 3D-bilder av omgivelsene rundt roboten.

Norge har en lang tradisjon for å utnytte ultralyd. Mange selskaper og teknologier har skapt en klynge av kompetanse. Sonair bryter litt med tradisjonen ved stort sett å bruke ultralyd i væsker. De utvikler ADAR, en ultralydsensor som ser et tredimensjonalt bilde i en 180 graders sfære i luftrommet foran. Liknende sensorer som brukes i biler, ser bare avstanden i en linje rett foran sensoren.

Mange sensorer i en

For å se det sfæriske bildet foran, trengs det mange ultralydsensorer. Derfor samarbeider Sonair med Sintefs Minalab, som er eksperter på å konstruere MEMS – mikro elektromekaniske systemer. I stedet for én enkelt såkalt ultralydtransduser, en kombinert sender og mottaker, har de satt 16 knøttsmå slike etter hverandre horisontalt og vertikalt. Ved hjelp av avansert prosessering danner disse et bredt tredimensjonalt bilde av det som er foran.

Mange av dem som har vært med på å starte Sonair, har lang erfaring med bruk av ultralyd i gassmåling og til andre anvendelser. Selskapet legger nå siste hånd på utviklingen av den nye, veldig lille sensoren de tror kan bli en aldri så liten revolusjon i mange industrier.

Som for eksempel i biler, som er det eneste store markedet som bruker ultralydsensorer i luft i dag. En bilsensor i dag er rundt 15 mm i diameter. Til sammenlikning får Sonair plass til sine 16 transduser på det samme arealet.

Den nye EX90 til Volvo bruker 16 ultralydsensorer for å få en avstandsmåling til det som omgir den. Med Sonairs nye sensor vil slike biler klare seg med fire for å dekke alt som skjer rundt bilen. Hvis last på taket truer med å treffe garasjeåpningen, vil sensoren oppdage det. Den vil også oppdage om noe som ligger på bakken, kommer under bilen.

– 3D ADAR vil åpne et helt nytt sensormarked og gjøre ultralyd mye mer anvendelig. Ikke bare i biler, men på en lang rekke områder hvor det trengs nøyaktig avstandsmåling i et tredimensjonalt rom foran sensoren, sier administrerende direktør Knut Sandven.

Ny teknologi

Den enkelte ultralydsensor er en transduser som fungerer gjennom piezoelektriske bevegelser. En vanlig slik sensor kan gi veldig mye kraft, men lite bevegelse. Det er bra i væsker.

– I luft er behovet omvendt. Vi trenger ikke mye kraft, men stor bevegelse. Derfor har vi konstruert transduseren slik at det piezoelektriske materialet ligger oppå membranet og får det til å krumme seg. Små sammentrekninger gir store membranutslag, selv om stort i dette tilfellet bare er mange tusendedels millimeter. I området 50 til 100 kHz kan lydstyrken komme opp i 105 dB, sier teknisk direktør Dag Wang.

Sintef har vært sentrale for teknologien Sonair har utviklet videre. De har utviklet ledende ekspertise på piezoelektriske materialer i MEMS, slik at både elektronikk og mekanisk er på samme silisiumbrikke.

– Vi har overtatt patenter fra Sintef og jobber med flere egne som vi mener vil gi teknologien god beskyttelse. Det ser ikke ut til å være mange som har patenter i område med slike matrisesensorer for ultralyd, sier Sandven.

Først i roboter

Selv om slike sensorer kan gi åpenlyse fordeler i bilmarkedet, er prispresset her enormt. Derfor er det autonome roboter Sonair vil satse på først. Det globale markedet for autonome roboter i for eksempel varehus og logistikk er i rask vekst. Robotene flytter varer og gjenstander i komplekse miljøer, i nært samarbeid med både mennesker og andre maskiner som stadig beveger seg. Derfor er robotens sensorer de mest kritiske komponentene.

– Roboter som beveger seg i normal hastighet, trenger dybdeinformasjon, og våre sensorer kan gi dem retning og avstand inntil fem meter til objekter rundt dem. Sammen med et 2D-kamera vil roboter få den informasjonen den trenger for å orientere seg og være trygg for mennesker. Fem meter er tilstrekkelig for en robot som beveger seg normalt, sier Britta Fismen, som er VP Engineering.

I dag bruker slike roboter lidar, 1D ultralyd, radar, kameraer eller en kombinasjon av slike sensorer.

– Lidar er kostbare når de skal være sikkerhetssertifisert, men vår oppgraderte 3D ultralydsensor i kombinasjon med kamera, altså lyd og lys, er en veldig god og mye billigere kombinasjon, sier hun.

Robotmarkedet vokser med rundt 30 prosent årlig, og Sonair har som mål at ADAR blir del av den foretrukne sensorpakken til dette markedet.

– Det er selvfølgelig stor interesse fra bilprodusenter også, som både kan redusere kostnadene og øke funksjonaliteten.

Unik

Det første selskapet som kommersialiserte teknologien som Sonair kaller PMUT – piezoelektrisk mikromaskinert ultralyd transduser – var japanske TDK for fem år siden. Men Sonair er de første som lanserer en matriseversjon som kan se i 3D.

Typisk bruker roboter i dag en sensorkombinasjon med minst én lidar som er koster mellom tre og fire tusen dollar når den er sikkerhetsgodkjent.

– Vi får til dette mye billigere med det vi kaller en ADAR, og vi sikter mot å bli en ledende leverandør i dette markedet, sier Sandven.

Derfor handler det også om produksjonskapasitet. Minalab kan produsere rundt en halv million slike ADAR-er i året, men det er lite når bilmarkedet tar dem i bruk. Derfor ser de seg om etter en produksjonspartner som kan ta mye større volumer.

– Det er selvfølgelig selve transduseren som er kjernen i det nye produktet, men dette handler også om programvare, algoritmer og selvfølgelig kunstig intelligens. Det tar omtrent halvparten av utviklingskapasiteten vår, sier Fismen.

Tror de får det til

Sverre Holm, professor i akustisk avbildning og signalbehandling ved Universitetet i Oslo (UiO), har svært lang teoretisk og praktisk erfaring med ultralyd. Han har tro på at Sonair får det til.

– Vi har et stort ultralydmiljø her i landet på væskebaserte systemer, men også på luftbåren ultralyd. Selskaper som Sonitor og Elliptic Labs jobber med luftbåren ultralyd. Utfordringen er at lyd med så høye frekvenser i luft er utsatt for etterklang i rommet og dopplerskift fordi lydhastigheten rett og slett er så lav i luft. Når frekvensen kommer over 20 kHz, blir også absorpsjon av lydbølgene en utfordring, sier han.

Likevel tror Holm at Sonair får det til. Avstanden de har valgt som arbeidsområde, er håndterbar, spesielt når de utvikler gode algoritmer sammen med sensorene, sier han.