Tecnologie emergenti per la guida assistita

AUTOMOTIVE –

Le pressioni del mercato automobilistico mondiale costringono i costruttori a integrare applicazioni Adas in maniera flessibile e rapida. Grazie all’unione tra versatilità tecnica e prestazioni, gli Fpga di Altera rappresentano la soluzione ideale.

Dagli alzacristalli elettrici degli inizi degli anni ’50 agli odierni sistemi di guida autonomi, tutti i miglioramenti che erano un segno distintivo delle auto di lusso sono stati trasferiti sulle auto di fascia media e bassa e con essi i sistemi elettrici ed elettronici necessari alla loro implementazione. La tecnologia Adas (Advanced Driver Assistance System) di recente introduzione non fa di certo eccezione. Nel momento in cui la tecnologia Adas viene adottata anche da veicoli meno costosi, si viene a creare un paradosso: la necessità di disporre di risorse di elaborazione avanzate a costi contenuti. La tendenza all’adozione del sistema Adas non solo sulle auto di lusso è in parte dovuta a fattori competitivi, ma non solo a questi: le regolamentazioni adottate dai vari Governi rivestono anch’esse un ruolo di primo piano. Anche gli sconti fatti dalle compagnie di assicurazione per i veicoli equipaggiati con il sistema Adas è un elemento che ne favorirà una più ampia diffusione. L’ultimo fattore che contribuirà alla diffusione dei sistemi Adas è senza dubbio il costo. Anche nel momento in cui la tecnologia Adas tende a divenire sempre più complessa, i continui progressi nel campo della tecnologia dei processori e dei sensori consente la progettazione di applicazioni Adas in grado di soddisfare i vincoli di costo delle autovetture di fascia media ed economiche. Questa riduzione di costi e di complessità possibile grazie all’integrazione funzionale è un elemento critico per la diffusione della tecnologia Adas a bordo dei veicoli di qualsiasi fascia di prezzo.

Una molteplicità di caratteristiche
Nonostante le sue potenzialità, la tecnologia Adas impone il superamento di numerose problematiche. Come accade per tutte le tecnologie che si trovano negli stadi iniziali del loro sviluppo, anche le applicazioni Adas stanno evolvendo in parecchie direzioni, e non è ancora chiaro quali di queste sia destinata a imporsi sul mercato. Hitachi, ad esempio, sta focalizzando la propria attenzione su approcci che prevedono la presenza di numerosi sensori che utilizzano due telecamere frontali per rilevare oggetti a una distanza massima di 100 metri. Questa tecnologia, denominata “eye sight,” sarà disponibile a partire dal 2013 sui modelli Legacy e Outback. Denso ha presentato un sistema di rilevamento dello stato di sonnolenza di un guidatore che utilizza una telecamera a infrarossi per visualizzare il viso del guidatore e determinare se i suoi occhi sono aperti o chiusi: quest’ultima evenienza è in chiaro indizio che il guidatore potrebbe addormentarsi. Aisin, dal canto suo, sta promuovendo un sistema per il rilevamento della corsia che sfrutta una telecamera posteriore abbinata a un sistema Gps e ai dati della carta stradale per determinare la posizione del veicolo relativamente alle condizioni della strada che si appresta a percorrere. Di seguito un’analisi più dettagliata delle tecnologie Adas che si stanno diffondendo nel mercato di massa.

• Lane Departure Warning - Un sistema Ldw (Lane Departure Warning) invia un avvertimento di tipo sonoro o di movimento quando un’automobile ha oltrepassato le linee che delimitano la propria corsia di marcia o si sta approssimando a un cordolo o al ciglio della strada. Questi sistemi in entrano in funzione quando un veicolo viaggia a una velocità superiore a un certa soglia (ad esempio sopra le 55 mph) e la freccia non è attivata. È necessario un sistema di telecamere per visualizzare la segnaletica orizzontale della corsia e rilevare quando la direzione del veicolo relativamente alla segnaletica è indice della possibilità che il veicolo oltrepassi la propria corsia di marcia. Anche se i requisiti dell’applicazione sono simili per tutti i costruttori di auto, ciascuno adotta differenti approcci utilizzando una telecamera anteriore, o una telecamera posteriore o due telecamere anteriori stereo. Per tale ragione non è possibile utilizzare un’unica architettura hardware per soddisfare i requisiti dei differenti tipi di telecamere. Per consentire di sviluppare le differenti opzioni di implementazione è necessario il ricorso a un’architettura hardware flessibile.

• Adaptive Cruise Control - Mentre lo scorso decennio i sistemi Acc (Adaptive Cruise Control) erano disponibili sugli autoveicoli di lusso, ora si sono diffusi sui modelli di fascia inferiore. Al contrario di quello che succede nei tradizionali sistemi di controllo della velocità di crociera, che erano stati progettati per far viaggiare un veicolo a velocità costante, i sistemi Acc adattano la velocità del veicolo alle condizioni del traffico, riducendo l’accelerazione se il veicolo di fronte è troppo vicino e aumentare l’accelerazione per raggiungere la velocità massima consentita quando le condizioni lo permettono. Questi sistemi sono implementati utilizzando come sensore un radar montato sulla parte anteriore del veicolo. Poiché i sistemi radar non sono in grado di riconoscere dimensioni e forma di un’opzione e hanno un campo visivo abbastanza limitato, è consigliabile abbinarli con telecamere. Il problema è dato dal fatto che non esiste una configurazione standard per le telecamere o i radar attualmente in uso. Anche in questo caso, dunque, è necessaria una piattaforma hardware flessibile.

• Traffic Sign Recognition - Come suggerisce il nome stesso, un sistema di riconoscimento dei segnali stradali o Tsr (Traffic Sign Recognition) identifica i segnali stradali più comuni (limiti di velocità, stop, svolta) utilizzando una telecamera anteriore abbinata a un software di pattern recognition. Esso avvisa il guidatore circa la natura dei segnali che questi si troverà sul suo percorso per assicurarsi che agisca di conseguenza. Il sistema Tsr contribuisce ad aumentare la sicurezza riducendo le probabilità che il guidatore non si arresti in presenza di un segnale di stop, esegua svolte non consentite o adotti comportamenti che potrebbero provocare incidenti. Sistemi di questi tipo richiedono una piattaforma software flessibile che permetta di migliorare gli algoritmi di rilevamento e possa essere regolata in modo da poter riconoscere le differenze di aspetto dei segnali nelle diverse nazioni.

• Visione notturna - I sistemi di visione notturna aiutano i guidatori a identificare gli oggetti che non sarebbero altrimenti visibili in condizioni di scarsa illuminazione. Tali oggetti sono solitamente posti oltre il campo visivo dei fari dell’automobile, per cui i sistemi NV (Night Vision) forniscono un avvertimento in anticipo di potenziali pericoli che si potrebbero trovare sulla strada che il veicolo sta percorrendo, contribuendo in tal modo a ridurre il pericolo di collisioni. I sistemi di visione notturna utilizzano una varietà di telecamere e display, in funzione del particolare produttore. Essi comunque rientrano in due grandi categorie: attivi e passivi.  I sistemi attivi, noti come sistemi Nir (Near IR), abbinano una sorgente di luce a infrarossi con una telecamera Ccd (Charged-Couple Device) per produrre un’immagine monocromatica su un display. Sistemi di questo tipo garantiscono un’elevata risoluzione con un’eccellente qualità dell’immagine. L’intervallo di visualizzazione tipico è 150 m. Questi sistemi possono illuminare tutti gli oggetti presenti nel campo di vista della telecamera, ma risultano poco efficaci in presenza di pioggia o neve. I sistemi passivi non utilizzano una sorgente di luce esterna ma sfruttano una telecamera termografica che acquisisce l’immagine usando la radiazione termica che viene emessa in modo naturale da ciascun oggetto. Tali sistemi non sono influenzati dai fari delle macchine in avvicinamento o da condizioni ambientali avverse, e sono caratterizzati da un intervallo di rilevamento tra 300 e 1000 m. Gli svantaggi di questi sistemi sono due: le immagini sono granulari e la loro funzionalità è limitata in condizioni di tempo molto caldo. I sistemi passivi, inoltre, rilevano solo gli oggetti che hanno un qualche tipo di traccia di natura termica. Essi devono essere abbinati a tecnologie di analisi video per evidenziare sul percorso dell’automobile oggetti come i pedoni. Nel caso dei sistemi NV esistono numerose scelte di tipo architetturale e per ogni tipo di approccio bisogna bilanciare numerosi compromessi. Per essere competitivi, i costruttori di veicoli devono supportare diversi tipi di telecamere, meglio se implementate sfruttando una piattaforma hardware flessibile comune.

• Adaptive High Beam Control - Il controllo Ahbc (Adaptive High Beam Control) è un sistema di controllo “intelligente” dei fari che utilizza una telecamera per rilevare le condizioni del traffico e quindi illumina o varia l’intensità luminosa dei fari abbaglianti sulla base di tali condizioni. I sistemi Ahbc permettono di incrementare la sicurezza del veicolo consentendo al guidatore di utilizzare le luci di profondità il più possibile per avere una visione alla massima distanza consentita senza essere distratto dal fatto di dover variare la luminosità dei fari in presenza di altri veicoli. In alcuni sistemi i fari possono anche essere controllati indipendentemente, permettendo quindi di variare la luminosità di un faro mentre nell’altro è attivata la luce abbagliante. Il sistema Ahbc è complementare di altri sistemi basati su telecamere frontali come Ldw e Tsr. Tali sistemi non richiedono una telecamera a elevata risoluzione, ma una funzionalità di questo tipo può essere implementata in maniera economica se è già presente una telecamera anteriore.

• Rilevamento di pedoni - I sistemi per il rilevamento di pedoni o Pd (Pedestrian detector) sono basati su telecamere: una telecamera singola o, nei sistemi più sofisticati, telecamere stereo per favorire una migliore percezione. I sistemi Pd possono essere migliorati con sensori a infrarosso in quanto i segnali visivi nel caso dei pedoni in movimento possono essere di difficile identificazione a causa della loro estrema variabilità (tipo di vestito, illuminazione, dimensioni, distanza) e complessità e della natura variabile dello sfondo, senza dimenticare che i sensori sono posti su una piattaforma mobile. I sistemi per il rilevamento di veicoli possono essere migliorati con l’ausilio del radar, che permette di ottenere misure a distanze superiori, assicura eccellenti prestazioni in condizioni metereologiche sfavorevoli e dà la possibilità di misurare la velocità di un veicolo. Si tratta di un sistema complesso che richiede l’uso contemporaneo di dati provenienti da più sensori.

• Avviso dello stato di sonnolenza - Un sistema di allerta dello stato di sonnolenza del guidatore esegue il monitoraggio del viso di quest’ultimo per valutare la posizione del capo, degli occhi e altri fattori simili che possono indicare mancanza di attenzione. Esso fa suonare un allarme se determina che il guidatore sta evidenziando segni di un possibile colpo di sonno o appare in uno stato che potrebbe far presumere una perdita di conoscenza. Alcuni sistemi eseguono anche il monitoraggio del respiro e della frequenza cardiaca. Tra le altre funzionalità che sono state previste ma non ancora implementate c’è la possibilità di accostare a bordo strada e arrestare il veicolo.

Una piattaforma flessibile e ad alte prestazioni
Mentre non è possibile prevedere con esattezza l’evoluzione di queste funzionalità e il loro tasso di adozione, dal punto di vista tecnologico esistono alcuni punti fermi.
- Non esiste una singola architettura capace di adattarsi ai differenti requisiti delle applicazioni che stanno emergendo.
- È indispensabile una piattaforma flessibile per stare al passo con le necessità del mercato e rendere disponibili le più recenti funzionalità nel rispetto dei vincoli di costi, consumi e prestazioni.
- Per soddisfare le richieste di elevate prestazioni delle applicazioni Adas è necessario un mix ottimale tra la componente hardware e quella software.
- Esiste una tendenza ben delineata all’utilizzo di sistemi che sfruttano più sensori di diverso tipo per espletare i compiti legati alla sicurezza.

Una “fusione” di segnali
A questo punto è importante sottolineare che molte applicazioni Adas richiedono l’elaborazione e l’analisi di più segnali provenienti da differenti sensori tra cui videocamere, radar, sensori a infrarossi e, in futuro probabilmente anche sistemi laser. La rilevazione di una situazione pericolosa, per esempio, non richiede solamente l’integrazione e l’analisi di flussi di dati provenienti da numerose telecamere, ma deve anche prevedere i dati provenienti da un radar se deve essere usato giorno e notte in tutte le condizioni atmosferiche. Il termine “fusione di sensori” (sensor fusion) viene appunto impiegato per descrivere l’integrazione di più segnali tipica di un’applicazione Adas. Una soluzione algoritmica adottata per affrontare le problematiche legate alla fusione di questi differenti segnali è rappresentata da un insieme di algoritmi conosciuti collettivamente sotto il nome di filtro di Kalman. Esso fornisce un ottimo esempio del grado di complessità di un compito svolto in un’applicazione Adas. Il fitro di Kalman può integrare, ad esempio, segnali di ingresso sia video sia acquisiti da un radar, che vengono utilizzati per generare un’istantanea dell’ambiente attuale nelle vicinanze del veicolo. Esso quindi applica un processo denominato “dead reckoning” (posizione stimata) all’istantanea precedente e, su base fisica, calcola un’istantanea presunta di quello che dovrebbe essere il vicino ambiente. Per esempio esso stima la nuova posizione dei veicoli circostanti, verifica che gli alberi della strada non si sono mossi e così via. Il filtro di Kalman confronta le due istantanee e, mediante stime di attendibilità, giunge a una valutazione sulla base della quale impostare le azioni successive. Per esempio, se un veicolo sta utilizzando un sistema Acc e il veicolo che precede è troppo vicino, può ridurre l’accelerazione o azionare i freni.

Il ruolo della Ecu
L’elettronica che controlla questi processi è integrata nelle Ecu (Engine Control Unit). In origine integrati all’interno dei veicoli per soddisfare i requisiti delle normative a tutela dell’ambiente mediante il controllo dell’iniezione, anticipo d’accensione, velocità minima dopo l’avviamento e così via, questi sistemi ora sono in grado di espletare numerose altre funzioni. Tali funzioni (che prevedono l’uso di radar e telecamere) sono state sviluppate in modo isolate e integrate di volta in volta: di conseguenza, più funzioni sono svolte da più Ecu. Dal punto di vista dei costi non è certo l’approccio ottimale. Un approccio migliore potrebbe essere quello di convogliare le uscite di parecchi sensori verso una singola unità di elaborazione, eseguire quella che è stata definita precedentemente la fusione di sensori per ottenere una migliore comprensione dello stato del veicolo e sviluppare una risposta appropriata tramite software. La potenza di elaborazione necessaria per questa integrazione non è compatibile con i vincoli di costo dei veicoli di fascia media. Per ottenere la combinazione di prestazioni, costi e flessibilità tipica di un approccio basato sul software molti architetti di sistema stanno prendendo in considerazione la possibilità di ricorrere agli Fpga (Field-Programmable Gate Array). La differenza tra gli Fpga e i circuiti integrati tradizionali è rappresentata dal fatto che i primi possono essere programmati dopo che sono usciti dalla fabbrica. Ciò significa che essi possono essere modificati per potersi interfacciare con i formati di uscita dei sensori di ultima generazione e con i più recenti algoritmi di elaborazione o requisiti normativi anche nelle fasi finali del ciclo di progettazione/produzione, facendone in tal modo i componenti ideali per adattarsi alle diverse architetture e integrare “all’ultimo minuto” nuove caratteristiche. Gli Fpga della linea low-cost Cyclone di Altera sono qualificati per l‘uso in applicazioni automotive e consentono ai progettisti di integrare una molteplicità di funzioni – interfacce per sensore, elaborazione dell’immagine, interfacce di comunicazioni e analisi – su un singolo dispositivo di silicio, riducendo il numero di componenti e quindi la complessità delle architetture di una Ecu. Gli Fpga di Altera possono integrare l’accelerazione hardware necessaria per l’elaborazione di flussi di dati con risoluzione di 720p30 (720 linee e 30 frame/sec) di video ad alta risoluzione, così come degli ingressi a 77 GHz dei sensori della prossima generazione. Invece di implementare tali algoritmi completamente in hardware, la natura stessa degli Fpga di Altera, che abbina hardware a elevate prestazioni e programmabilità mediante software, dà la possibilità di ottemperare i severi vincoli in termini di latenza - dell’ordine di 25-30 ms – delle applicazioni Adas. Oltre alla loro superiorità tecnica, gli Fpga di Altera garantiscono un notevole valore aggiunto in quanto permettono di ridurre il ciclo di progetto e consentono agli Oem e ai principali produttori di introdurre applicazioni Adas in tempi più brevi nonché di differenziare le caratteristiche tra le diverse linee di prodotto senza apportare modifiche di rilievo all’hardware. Oltre a ciò, Altera mette a disposizione un percorso di migrazione verso circuiti Asic, garantendo la compatibilità a livello di piedinatura, che permette di ridurre i costi sull’intero ciclo di vita del prodotto.

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