Sensoristica per la sicurezza in auto

CAR INFOTAINMENT –

Per realizzare i sistemi avanzati di assistenza alla guida indispensabili per la sicurezza delle strade, sono necessarie tecnologiche dedicate come quelle sviluppate da STMicroelectronics.

Sebbene l’industria dell’auto sia una realtà di mercato ormai consolidata, non bisogna dimenticare che è stata il motore principale dell’economia mondiale. L’industria globale dell’auto è un elemento chiave dell’economia di tutti i principali paesi mondiali, e continua a crescere – negli ultimi 10 anni è aumentata del 30%. Nello stesso periodo di tempo, l’elettronica ha raddoppiato e i semiconduttori hanno triplicato il loro mercato. Attualmente, come conseguenza della drammatica crisi economica, il settore sta subendo un profondo mutamento. Nei prossimi 10 anni si imporranno quelle società che avranno saputo innovare utilizzando le nuove tecnologie per realizzare prodotti in linea con la nuova situazione economica mondiale. Molto importanti sono i temi della sicurezza e della protezione dell’ambiente: entrambi elementi che rientrano nel concetto di “Intelligent Transport Systems” (sistemi intelligenti per il trasporto). Questi due aspetti sono anche parte integrante della visione aziendale della STMicroelectronics per una cultura dell’eccellenza sostenibile. Nel 2008, infatti, abbiamo diminuito del 5% il nostro consumo globale di energia per unità di prodotto, rispetto al 2007, e abbiamo migliorato del 21% i nostri risultati nella sicurezza, ovviamente senza alcun incidente mortale.
Non c’è quindi da stupirsi che la STMicroelectronics stia investendo in maniera molto attiva su questi due argomenti. Questo articolo illustra le nostre idee e la nostra visione dei sistemi evoluti per la sicurezza.

I requisiti generali di un Adas
I futuri sistemi Adas (Advanced Driver Assistance Systems, sistemi avanzati di assistenza alla guida) dovranno rispettare tre requisiti funzionali fondamentali:
1.    Capacità di rilevare e classificare in modo affidabile eventuali ostacoli, in maniera abbastanza indipendente dalle condizioni ambientali esterne, ad alta velocità e con un numero limitato di false segnalazioni positive
2.    Misure veloci, affidabili e precise della distanza e dell’angolo di avvicinamento di eventuali ostacoli, con un’elevata risoluzione e un ampio campo visivo in condizioni climatiche diverse e difficili
3.    Possibilità di rilevare situazioni di scarsa visibilità (per esempio nebbia o fumo) e condizioni del manto stradale (ghiaccio, acqua) che rappresentano fattori ambientali importanti di cui tenere conto per implementare sistemi affidabili di sicurezza preventiva.

Esistono diversi approcci che utilizzano differenti tipi di sensori: ad esempio sensori di immagine (Cmos; infrarossi e stereo), radar (24 GHz per distanze ravvicinate e 77 GHz per lunghe distanze) e lidar. La nostra conclusione è che ognuna di queste tecnologie può essere di grande aiuto al guidatore ma nessuna, se utilizzata da sola, è in grado di garantire le condizioni ideali di sicurezza necessarie per realizzare un valido sistema completo per la sicurezza attiva.
Per creare i sistemi di tipo SIL3 (Safety Integrity Level 3) capaci di sopportare eventuali guasti senza generare malfunzionamenti (fault tolerant) e necessari per una sicurezza attiva completa, è indispensabile ricorrere alla elaborazione di dati provenienti da fonti diverse: la cosiddetta “data fusion”, fusione dei dati.  La combinazione di diversi flussi di dati richiede una elevata potenza di calcolo e la disponibilità di diverse unità centrali (core) per poter riconoscere differenti situazioni contemporanee, e reagire di conseguenza. Quest’elevata potenza di calcolo può essere utilizzata come elemento di base di un sistema di sicurezza attiva che riceve ingressi da diverse fonti (videocamera, radar, Gps, sistema di comunicazione tra veicoli). In questo modo, il sistema Adas può integrare funzioni che:
1.    Suggeriscono una velocità di crociera adeguata in base alle condizioni ambientali
2.    Forniscono anticipatamente al guidatore l’assistenza necessaria in situazioni potenzialmente pericolose
3.    Utilizzano le tecniche di comunicazione V2V (vehicle to vehicle, da veicolo a veicolo) per inviare le informazioni ad altri utenti della strada
4.    Sfruttano la conoscenza di informazioni precise sulla posizione per prevedere anticipatamente le situazioni da affrontare (ad esempio, una curva)
5.    Preparano la vettura all’incidente, quando è diventato inevitabile, in modo da ridurre i danni causati dall’urto (pre-tensionamento delle cinture di sicurezza, attivazione degli airbag, ecc.)

Adas basati sulle tecnologie di visione
Sfruttando la tecnologia che la ST ha già utilizzato per i telefoni cellulari, e basandoci sulla nostra solida esperienza nell’automobile, siamo inizialmente entrati nel mondo degli Adas con un sensore Cmos a elevata gamma dinamica studiato appositamente per il segmento dei sistemi di assistenza alla guida basati sulle tecnologie di visione. La prima generazione è già in produzione e si sta preparando la seconda generazione che verrà avviata in produzione nel 2012. Per quanto riguarda la parte di elaborazione e calcolo dei sistemi di visione la ST, in collaborazione con Mobileye, sta lanciando la seconda generazione di EyeQ con due Cpu Risc a 64 bit in virgola mobile, hyper thread, cinque unità di calcolo per la visione, tre microprocessori con microcodice vettoriale e una ricca dotazione di periferiche. Questa è la potenza di calcolo necessaria per la rilevazione e classificazione di oggetti multipli a velocità superiori a 200 kph. L’implementazione di queste tecnologie è indispensabile per migliorare la sicurezza di una infrastruttura stradale sempre più congestionata. Una ricerca  ha stimato in 94.000 il numero totale di incidenti mortali sulle strade degli Stati Uniti, Europa e Giappone. Sono stati lanciati dei programmi regionali per ridurre a 63.000 il numero totale di incidenti mortali, entro il 2010. È stato dimostrato che è sufficiente diminuire di mezzo secondo i tempi di reazione del guidatore per evitare circa la metà degli incidenti. In Europa, un terzo degli incidenti sono causati da cambiamenti di corsia o da uscite di strada, e in totale due terzi degli incidenti derivano da disattenzioni del guidatore.
La prima generazione di EyeQ è già utilizzata in produzione da diversi marchi automobilistici e offre funzioni come la segnalazione di allontanamento dalla corsia di marcia (LDW lane departure warning), il controllo adattativo dei fari anteriori, il riconoscimento dei segnali stradali, la possibilità di evitare tamponamenti utilizzando un sistema combinato radar/videocamera, la segnalazione di possibili urti e collisioni: tutte caratteristiche che possono ridurre notevolmente il numero di incidenti.
La funzione LDW è paragonabile a una “banda verticale rumorosa” sul manto stradale che segnala al guidatore che sta allontanandosi dalla corsia di marcia: un fatto che può causare urti frontali o altri incidenti gravi. Generando un allarme acustico quando il veicolo si allontana inavvertitamente dalla corsia di marcia, il sistema imita a tutti gli effetti la funzionalità di una “banda verticale rumorosa” sul manto stradale e segnala al guidatore la condizione di potenziale pericolo, anche quando sull’asfalto non sono presenti le bande verticali rumorose. Perché molti degli incidenti che avvengono in seguito a uscite di strada del veicolo sono attribuiti a colpi di sonno e stanchezza del guidatore, le tecnologie per la segnalazione di allontanamento dalla corsia di marcia possono avere un ruolo fondamentale nel ridurre i rischi e gli incidenti mortali, per chi deve passare lunghe ore alla guida. La seconda generazione di processori migliora ulteriormente le caratteristiche di sicurezza attiva del sistema. Con una potenza di calcolo moltiplicata per sei, EyeQ2 è in grado di implementare nel processore di visione alcune funzioni aggiuntive, come la possibilità di rilevare la presenza di pedoni, oltre alle caratteristiche già citate in precedenza. I pedoni sono gli utenti della strada più a rischio. È stato stimato che nella sola Unione Europea siano 9.000 i morti e 200.000 i feriti per incidenti stradali che coinvolgono pedoni o scontri tra automobili e veicoli a due ruote. Il sistema per rilevare la presenza di pedoni è attualmente in fase di sviluppo con uno dei principali Oem europei e verrà implementato su EyeQ2, assieme ad altre funzionalità importanti come la segnalazione di allontanamento dalla corsia di marcia (LDW) e funzioni per ridurre il rischio di urti e collisioni.

Radar automobilistici per Adas
Per avere un’analisi completa della situazione ambientale in cui si trova l’automobile, il sistema radar sfrutta due classi di sensori. I sensori Lrr (Long-range radar, radar per lunghe distanze) coprono un angolo frontale limitato (±10°) davanti alla vettura, per distanze che vanno da pochi metri fino a 200 m; sono normalmente utilizzati nelle applicazioni di Acc (Autonomous cruise control, controllo autonomo della velocità di crociera). I sensori Ssr (Short-range radar, radar per distanze ravvicinate) coprono una parte significativa dell’ambiente circostante (da 100° a 360°) a distanze fino a 25 m. L’utilizzo di più sensori SRR opportunamente posizionati  permette di rilevare oggetti  a distanze comprese tra 0,1 m e 25 m e apre la strada a diverse applicazioni per il comfort e la sicurezza: allarmi preventivi di urto imminente, riduzione dei rischi di collisione, identificazione di ostacoli nell’angolo morto di visione, assistenza al parcheggio, assistenza al cambiamento di corsia, allarme di urto posteriore, stop and go, riduzione dei tamponamenti nel traffico cittadino.La ST sta attivamente sviluppando soluzioni per applicazioni Srr e Lrr utilizzando i propri processi proprietari basati su SiGe.

SIL3 e l’elaborazione radar
Nell’ambito di un programma di sviluppo congiunto, la STMicroelectronics e Freescale hanno studiato un microcontrollore appositamente pensato per funzioni critiche per la sicurezza. Nel chip sono state utilizzate tecniche derivate dalle applicazioni in ambito aeronautico. Si tratta di un microcontrollore sicuro dual-core che sarà alla base dei futuri sistemi “mission critical” e diventerà sempre più importante, dal punto di vista della sicurezza, con la diffusione di funzioni elettroniche “x-by-wire” come i sistemi elettronici di sterzo e frenatura, il controllo della dinamica del veicolo o sistemi sempre più sofisticati di assistenza alla guida. Le elevate caratteristiche di sicurezza necessarie per un sistema efficace di sicurezza attiva hanno portato alla definizione di standard come l’IEC61508 (SIL3) e l’ISO26262, pensato più specificatamente per il settore dell’automobile. Come nei sistemi aeronautici, dove tutte le funzioni importanti sono almeno raddoppiate, anche i semiconduttori utilizzati per funzioni critiche nelle automobili devono avere una ridondanza intrinseca e devono potersi controllare a vicenda. In caso di guasto, il sistema deve comunque garantire una modalità sicura di funzionamento. Nell’SPC56EL, due core di Power Processor a 32 bit si controllano a vicenda con continuità. Tutti gli elementi computazionali presenti nel chip sono duplicati. Tuttavia, per garantire la massima flessibilità, i due core possono essere utilizzati indipendentemente quando è necessaria una maggiore potenza di calcolo.

Il Gps come sensore Adas
Nell’ambito di una collaborazione con Navteq, la ST ha partecipato allo sviluppo di una soluzione innovativa che utilizza le mappe stradali digitali e i dati che identificano la posizione del veicolo per realizzare funzioni di assistenza alla guida. Viene segnalata, per esempio, una curva affrontata a velocità troppo elevata; oppure si può effettuare la regolazione adattativa dei fari anteriori. Il “motore” Mpe (Map and Positioning Engine) è studiato per garantire una maggior assistenza e sicurezza al guidatore, anche in assenza di un sistema di navigazione installato a bordo. Affrontare una curva a velocità troppo elevata può provocare un incidente; per questo, sistemi capaci di avvisare prontamente il guidatore e aiutarlo a mantenere la velocità di sicurezza offrono prospettive molto interessanti. Analizzando la distanza dalla curva e il raggio di curvatura, il “motore” della ST, unito a una mappa Navteq Mpe, permette di realizzare applicazioni che calcolano la velocità massima a cui affrontare la curva in tutta sicurezza. In modo analogo, il sistema può segnalare o impedire che il controllo automatico della velocità di crociera acceleri quando il veicolo sta imboccando la corsia di uscita dell’autostrada, o in un’area urbana con limite di velocità, o in prossimità di impianti semaforici nascosti alla vista da un dosso.

Comunicazione tra veicoli V2V e V2I
Le comunicazioni V2V e Rsu (vehicle to roadside unit, da veicolo a postazione al bordo della strada, dette anche V2I, vehicle to infrastructure, da veicolo a installazione fissa)  rappresentano una tecnologia molto interessante per le applicazioni di Its (Intelligent Transportation Systems). Gli esempi principali sono i servizi per la sicurezza e la gestione del traffico.La norma IEEE 1609 è uno standard di livello superiore su cui si basa l’IEEE 802.11p, e si occupa di aspetti come la gestione e la sicurezza della rete. L’IEEE 802.11p è un’estensione delle specifiche PHY (Physical Acces Layer) e Mac (Medium Access Layer)  802.11 Wireless lan per le comunicazioni wireless tra veicoli (Wireless Access in the Vehicular Environment). Wave prevede scambi di informazioni e dati tra veicoli in movimento in un ambiente in continuo cambiamento, con postazioni mobili che possono viaggiare anche a 200 km/h. Per funzionare anche con applicazioni ITS a bassa latenza, è necessario che gli scambi di informazioni abbiano durata molto breve. Le comunicazioni intra-veicolari offrono la possibilità di realizzare un grande numero di applicazioni diverse per aumentare la sicurezza dei guidatori (che è l’obiettivo principale) e monitorare il flusso del traffico, ridurre la congestione stradale o automatizzare il pagamento del pedaggio stradale.

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