Migliorare la sicurezza in auto

I Sistemi di Classificazione del Passeggero, noti con l'acronimo Ocs (Occupancy classification system) sono ormai diventati una dotazione sempre più diffusa tra i dispositivi di sicurezza presenti nelle automobili. Tali sistemi servono a garantire che, in caso di impatto, l'airbag lato-passeggero si attivi nel modo più efficace possibile per proteggerlo ed evitargli eventuali ferite. Tutto ciò è reso possibile dall'impiego di alcuni sensori in grado di determinare l'altezza e il peso di chi occupa il sedile anteriore. La struttura di base di un sistema di classificazione del passeggero prevede il principio di funzionamento seguente: inizialmente un sistema di sensori verifica la presenza di un passeggero che occupi il sedile, quindi procede a valutarne le caratteristiche fisiche. Tali informazioni vengono successivamente trasmesse ad una centralina elettronica che valuta la risposta più appropriata in modo tale che l'airbag venga innescato a velocità piena o ridotta. I primi sistemi tendevano ad utilizzare dei sensori piuttosto semplici, come dei sensori di pressione, che inseriti all'interno della struttura del sedile misuravano il peso del passeggero per derivarne una stima approssimativa dell'altezza. Tale metodo, così come altri di natura analoga (quale la rilevazione della tensione della cintura di sicurezza) lasciava tuttavia spazio a possibili inesattezze: la correlazione tra peso ed altezza non è, infatti, univocamente definita. Non viene inoltre contemplata la possibilità che non sia un passeggero ad occupare il sedile anteriore e che al suo posto siano, ad esempio, posizionati dei generici contenitori; non c'è infatti modo di confermare se sul sedile sia presente un essere umano oppure un oggetto inanimato. L'integrazione di sensori nella struttura del sedile è per di più costosa, soprattutto in caso si rendano necessarie riparazioni o sostituzioni. La necessità di un cambiamento è stata ulteriormente evidenziata dall'ingresso sul mercato dei adattatori per il trasporto dei bambini in auto e dei seggiolini da fissare in senso contrario alla marcia del veicolo, poiché il loro utilizzo solleva preoccupazioni sulle conseguenze che l'apertura dell'airbag potrebbe causare. Pertanto, l'industria si sta ora muovendo verso sistemi di classificazione più sofisticati, che spesso impiegano tecnologie opto-elettroniche.
I criteri di base di tutte le soluzioni Ocs che utilizzino una sensoristica opto-elettronica sono i seguenti:
•    il sensore deve essere posto lungo la visuale dell'area interessata (cioè in una qualsiasi posizione dalla quale la visibilità di dove si trova il passeggero non sia ostruita);
•    i requisiti del campo visivo (FoV: Field of View) sono relativamente limitati, considerando che un'estensione di 40° x 10° è normalmente più che sufficiente;
•    una frequenza di quadro (frame rate) ragionevolmente bassa compresa tra 4 e 8 Hz;
•    poiché la distanza dal soggetto è ridotta, è accettabile un sensore con un range inferiore a 1 m.

I suddetti requisiti non rappresentano grossi ostacoli tecnologici ma, andando a studiare il sistema in modo più approfondito, iniziano ad emergere alcune difficoltà nel caso in cui i sistemi Ocs attivati opto-elettronicamente utilizzino, per i propri sensori, la parte visibile dello spettro luminoso. Diversi inconvenienti rilevanti sono infatti associati con questo tipo di approccio.

Problemi degli Ocs che usano la luce visibile
Quando il meccanismo di rilevazione dell'Ocs si basa sulla luce visibile, esistono ovviamente variazioni del livello di luce tra il giorno e la notte, il che richiede l'adozione di un sistema di illuminazione attiva dell'abitacolo (di norma posizionato sul tetto interno dell'auto oppure sul cruscotto). Anche cappelli, lunghe chiome, barba, indumenti dai colori sgargianti e così via possono avere un effetto dannoso sul processo di classificazione ottica. Di conseguenza, la precisione di questa tecnologia ed il suo rischio di errori sono oggetto di preoccupazione. I sistemi di rilevamento mediante luce visibile necessitano infine di un microcontrollore relativamente costoso, poiché necessitano di una potenza di calcolo piuttosto elevata. L'impiego della tecnologia basata sulla radiazione termica del lontano infrarosso, ossia quella compresa nell'intervallo di lunghezze d'onda 5 µm ÷ 15 µm, sta generando un interesse sempre maggiore da parte dell'industria automobilistica per le applicazioni di classificazione del passeggero. Uno degli importanti vantaggi di tale sistema di trattamento delle immagini a infrarosso lontano è di riuscire molto meglio del precedente a distinguere oggetti inanimati da passeggeri reali, grazie al fatto che esso rileva il calore irradiato alle frequenze emesse dal corpo umano. Si tratta di una metodologia che non dipende dalla luce ambientale e che funziona allo stesso modo di giorno e di notte. L'illuminazione attiva dell'abitacolo è pertanto del tutto evitabile, ed inoltre risulta necessaria una potenza di calcolo sensibilmente inferiore rispetto alla tecnologia tradizionale. Questi ultimi due aspetti rendono quindi di gran lunga minore sia la complessità sia il costo dell'intero sistema di identificazione.

Le prestazioni della tecnologia FIR
I sistemi di classificazione del passeggero basati sulle emissioni infrarosse non richiedono un ampio range dinamico: l'insieme dei sensori deve coprire un intervallo di temperatura limitato a -40°C ÷ +85°C. Allo stesso modo, la risoluzione ottica necessaria non è particolarmente spinta, poiché la posizione del passeggero è localizzata in un'area già nota. La risoluzione termica, invece, risulta essere di gran lunga più importante e deve spingersi ad un'accuratezza di ±0,25 ⁰K. È altresì essenziale che venga preso in considerazione l'effetto di riscaldamento causato dalla luce del sole che entra nell'abitacolo. A tale scopo è necessario attenuare lo spettro della luce visibile e del vicino infrarosso con un apposito filtro ottico, per evitare che tali radiazioni possano in qualche modo interferire con il sensore. Nonostante l'elaborazione del segnale per un sistema di rilevamento di questo tipo sia meno gravosa di quella necessaria per un sensore funzionante nel visibile, rimane tuttavia indispensabile cercare di contenerne la complessità globale al fine di garantire che la velocità di esecuzione e il rapporto segnale-rumore si mantengano entrambi elevati, mentre il costo e la facilità di realizzazione rimangano convenienti. La collaborazione tecnica tra Melexis ed Heimann Sensor ha consentito di sviluppare un array di sensori Fir compatto ed economico, che coniuga le prestazioni funzionali delle termopile ad alta sensibilità con una elaborazione del segnale evoluta, ma al tempo stesso agile. Ogni dispositivo di rilevamento a raggi infrarossi Fir contiene molteplici elementi sensibili a termopila e può essere utilizzato per ricostruire in tempo reale una semplice mappa del calore nell'area che si desidera analizzare. Ciascuna termopila all'interno dell'array ha il proprio amplificatore elettronico e il proprio convertitore di dati, evitando la necessità di ricorrere alla multiplazione temporale dei segnali delle diverse termopile e consentendo di ridurre significativamente il rumore del segnale stesso. Per contro, fornisce le prestazioni necessarie senza il bisogno di utilizzare un microbolometro, dispositivo sicuramente più costoso. L'array semplifica molto il sistema termico di rilevazione delle immagini nel quale viene integrato, catturando immediatamente i dati da 64 pixel. Esso garantisce una frequenza di quadro regolabile che soddisfa abbondantemente quanto richiesto anche dal più accurato sistema di classificazione del passeggero. Livelli di precisione di ±1,5 °K vengono mantenuti in un intervallo operativo di temperatura pari a 0° ÷ 50°C. Potendo sfruttare un'elaborazione dedicata per ciascun segnale generato da ogni suo sensore, i problemi di rumore che si manifestano nei sistemi funzionanti nel campo della luce visibile sono in questo caso eludibili. Inoltre, l'interfacciamento risulta molto più semplice da realizzare. L'impiego di un'interfaccia seriale digitale compatibile con un bus I2C ad alta velocità e dotata di una modalità di funzionamento con trigger esterno per la sincronizzazione con un'unità di controllo rende possibile l'utilizzo di questi dispositivi non solo singolarmente, ma anche combinati a formare una matrice con una risoluzione di immagine anche migliore, qualora fosse necessario.

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