Nella mobilità umana, ci troviamo di fronte a un grande dilemma sulla strada per una mobilità sicura e sostenibile. La pervasione di semiconduttori in macchina sta aumentando l'apparente bisogno di potenza. In un momento in cui il mondo si sta impegnando per raggiungere la sostenibilità energetica, come possiamo quadrare la crescita dei semiconduttori automobilistici con la sostenibilità?
I sistemi microelettromeccanici (MEMS) e i sensori hanno un ruolo fondamentale da svolgere nel garantire l'utilità e la sicurezza dei veicoli autonomi (AV) e gli ultimi sviluppi sono fondamentali per raggiungere la sostenibilità.
Portare la mobilità "onlife"
Parliamo un po' dell'evoluzione dei MEMS e di come le tendenze attuali nel settore automobilistico si colleghino a quella che chiamiamo l'era "onlife".
Circa 20 anni fa abbiamo dato inizio all’“era offline”. A quel tempo, MEMS la tecnologia potrebbe trasformare i concetti in prodotti. Nel mondo automobilistico, i sensori inerziali MEMS hanno consentito importanti innovazioni come gli airbag, che hanno avuto un enorme impatto sulla sicurezza dei passeggeri nelle collisioni dei veicoli.
Negli ultimi 10 anni, siamo passati da quell'era offline, in cui i dispositivi MEMS abilitavano semplicemente determinate caratteristiche o funzioni del prodotto, a qualcosa di molto più potente: l'era "online". La connessione dei sensori al cloud ha consentito il miglioramento delle prestazioni e la fusione tecnologica che è stata la chiave per rendere le loro informazioni disponibili a qualsiasi ecosistema. Nel nostro esempio automobilistico, ciò ha consentito il passaggio dal semplice dispiegamento dell'airbag alla chiamata anche ai servizi di emergenza e alla segnalazione di informazioni pertinenti sull'impatto e sulla posizione del veicolo per assistere i soccorritori.
Questo naturalmente ci porta all'attuale era "onlife". Qui non c'è più differenza tra essere online e offline. Invece, c'è una fusione di base tra tecnologia e vita. Stiamo parlando di sistemi costantemente vigili e in grado di percepire, elaborare e agire.
Nelle tecnologie della mobilità, ora abbiamo bisogno di un'era "onlife" sostenibile per offrire due caratteristiche principali. Il primo è la centralità umana che migliora il modo in cui interagiamo con il mondo che ci circonda. La tecnologia incentrata sull'uomo è sicura e non invasiva e agisce come un'estensione di noi stessi, consentendo al contempo di operare come assistente alla guida. La seconda caratteristica è la sostenibilità per aiutarci a proteggere questo incredibile pianeta su cui tutti viviamo.
Quindi, come ci muoviamo verso l'era sostenibile "onlife"? Dobbiamo costruire una sensorizzazione sostenibile del mondo. Mentre in passato avevamo solo a sensore (offline), quindi connesso sensore (online) e quindi un sensore in grado di rilevare, elaborare e agire ("onlife"), ora abbiamo bisogno di sensori autoconfigurati per ottimizzare l'elaborazione dei dati e i sistemi a bassissima potenza. Questa evoluzione sta arrivando perché dobbiamo salvare il pianeta riducendo la COXNUMX2 emissioni nette a zero emissioni entro il 2050.
Le autovetture contribuiscono per circa 3 miliardi di tonnellate di COXNUMX2 emissioni a livello globale. L'elettrificazione ha un ruolo centrale nel ridurre drasticamente queste emissioni. Allo stesso tempo, assisteremo anche a un aumento significativo dell'adozione di veicoli con livelli sempre maggiori di automazione e, eventualmente, autonomia.
Sensori inerziali per AV: intelligenti, sicuri, precisi
I sensori inerziali intelligenti sono essenziali per livelli più elevati di guida automatizzata. Questi sono i livelli 3, 4 e 5, come definiti da SAE International. Sono inoltre fondamentali per la conformità ai severi standard di sicurezza in atto per proteggere i passeggeri dei veicoli, i pedoni e gli altri utenti della strada.
Per soddisfare questi requisiti, devono avere tre attributi chiave: devono essere intelligenti, sicuri e precisi.
L'attributo intelligente è essenziale: gli AV devono essere in grado di reagire a ogni possibile scenario. Devono essere guidati da algoritmi di intelligenza artificiale in grado di imitare (o migliorare) il comportamento umano e i tempi di reazione. Con l'elaborazione integrata direttamente all'interno del sensore, questi possono analizzare i dati del sensore ed eseguire operazioni senza la latenza e i requisiti di alimentazione di ingenti somme di dati del sensore che viaggiano verso un host o un cloud per l'elaborazione. Ciò accelera i tempi di reazione riducendo drasticamente la potenza del sistema.
I sensori contenenti elaborazione su chip possono richiedere meno di pochi microampere per avviare l'albero decisionale e meno di 10 mA per analizzare le letture. Questo è importante perché ridurre la potenza necessaria per far funzionare un AV o qualsiasi sistema di grandi dimensioni è fondamentale per la sostenibilità. Considera, ad esempio, una semplice applicazione come il monitoraggio dell'auto. I sensori intelligenti possono monitorare un'auto 24 ore su 7, XNUMX giorni su XNUMX con funzionalità AI che consentono all'auto di rilevare se viene urtata, rimorchiata o vandalizzata quando è parcheggiata o può rilevare e adattarsi alle condizioni ambientali o alle superfici stradali quando è in movimento.
Quindi un'adeguata programmazione degli elementi in un controller su sensore può garantire la centralità umana dei sensori e consentire ai veicoli di offrire soluzioni autoconfigurabili con implementazioni IA cablate, insieme a budget energetici ottimizzati che possono contribuire agli obiettivi di sostenibilità.
Anche i sensori inerziali intelligenti devono essere sicuri. Gli AV devono rispettare i più severi standard di sicurezza. I sensori inerziali intelligenti dovrebbero consentire agli AV di avere una lettura accurata dell'ambiente circostante, poiché l'auto deve sapere dove si trova e dove sta andando, in relazione a dove si trova e si sta dirigendo ogni altro veicolo. E non sono solo altri veicoli; l'AV deve sapere dove si trova ogni ostacolo, poiché anche questo è essenziale per un funzionamento sicuro.
I veicoli di oggi stanno già integrando sempre più circuiti incorporati che implementano sistemi di sicurezza funzionale nell'hardware per l'efficienza energetica. I sensori inerziali hanno molti ruoli, ad esempio compensare le immagini della telecamera influenzate dall'inclinazione e dalle vibrazioni causate dall'azione dello sterzo e dal rumore della strada. La certificazione per il livello di integrità della sicurezza automobilistica B (ASIL-B) è comunemente richiesta per questi tipi di sistemi. D'altra parte, i sistemi per la guida automatizzata devono soddisfare requisiti molto più severi, che richiedono la certificazione, ad esempio, ASIL-D. Le prossime generazioni di sensori inerziali saranno progettate con questo in mente, probabilmente accompagnate da librerie software testate in modo indipendente per facilitare la certificazione di sicurezza in conformità con ASIL-B e superiori.
Inoltre, i sensori devono essere robusti, affidabili e in grado di resistere a condizioni ambientali difficili. Devono inoltre essere sicuri per prevenire accessi non autorizzati e violazioni dei dati.
Infine, i sensori inerziali intelligenti devono essere precisi. Gli AV richiedono dati precisi e accurati per operare in sicurezza. Chiediamo a questi veicoli di guidare per un'ora con meno di 0.1 gradi di errore e di avviare l'arresto di sicurezza che fermerà la macchina con una precisione assoluta di 20 cm. È incredibile e richiede una precisione paragonabile a quella normalmente prevista da un sistema di guida lunare. Eppure ora dobbiamo raggiungere questo obiettivo con dispositivi ordinari dal nostro portafoglio di sensori inerziali standard.
Garantire l'accuratezza dei dati aiuta a ridurre al minimo il carico di lavoro di elaborazione delle applicazioni e quindi il consumo di energia riducendo al minimo la necessità di rifinire i dati.
Si noti inoltre che la latenza influisce sulla precisione: non importa quanto sia alta la sensibilità o quanto profonda sia la risoluzione, il contesto cambia continuamente, quindi le informazioni iniziano a diventare imprecise non appena vengono generate. La bassa latenza è un forte attributo dei sensori intelligenti.
Conclusione
Il percorso verso un veicolo completamente autonomo sta avanzando, ma la destinazione non è ancora visibile. La sfida principale, tuttavia, è la guida autonoma sostenibile. Dal punto di vista dello sviluppo dei sensori, almeno, possiamo dire di avere un'idea.
Negli ultimi anni, i MEMS all'avanguardia hanno abilitato applicazioni ADAS che richiedevano capacità di rilevamento ad alta precisione, anche se molto poco a che fare con lo sviluppo di applicazioni di sicurezza. D'altra parte, la spinta tra gli OEM per i sistemi di sicurezza avanzati ha stimolato rapidi progressi nello sviluppo di applicazioni di sicurezza con un'esigenza limitata di accuratezza nella capacità di rilevamento.
Ora, se vogliamo davvero abilitare il percorso della sensorizzazione per il futuro di un veicolo sostenibile, dobbiamo colmare le due esigenze: sicurezza da un lato e precisione dall'altro. Non dimentichiamo che tutto deve essere assolutamente smart, con sensori autoconfigurabili, con ottimizzazione dell'elaborazione dei dati nei sistemi a basso consumo. E questo, in ultima analisi, consentirà alle case automobilistiche di fornire le soluzioni di cui il mondo ha bisogno.
Non c'è dubbio che gli AV sostenibili siano sulla strada verso il nostro futuro. È altrettanto chiaro che i sensori inerziali intelligenti, sicuri e precisi sono fondamentali. Come tutti i componenti automobilistici, devono rispettare rigorosi standard di sicurezza e resistere a condizioni ambientali difficili e contribuiranno a garantire che i veicoli autonomi sostenibili funzionino in modo più sicuro rispetto ai veicoli esistenti e con un'efficienza di gran lunga maggiore. La tecnologia MEMS sostenibile è qui per supportare questo percorso.