Na mobilidade humana, enfrentamos um grande dilema no caminho para uma mobilidade segura e sustentável. A penetração de semicondutores no carro está aumentando a aparente necessidade de energia. Numa época em que o mundo se esforça para alcançar a sustentabilidade energética, como conciliar o crescimento dos semicondutores automotivos com a sustentabilidade?
Sistemas microeletromecânicos (MEMS) e sensores têm um papel crítico a desempenhar para garantir a utilidade e segurança de veículos autônomos (AVs), e os desenvolvimentos mais recentes são vitais para alcançar a sustentabilidade.
Levar a mobilidade “onlife”
Vamos falar um pouco sobre a evolução dos MEMS e como as tendências atuais do setor automotivo se conectam com o que estamos chamando de era “onlife”.
Há cerca de 20 anos, iniciamos a “era offline”. Naquela época, o MEMS tecnologia poderia transformar conceitos em produtos. No mundo automotivo, os sensores inerciais MEMS possibilitaram inovações importantes como os airbags, que tiveram um tremendo impacto na segurança dos passageiros em colisões de veículos.
Nos últimos 10 anos, passamos daquela era off-line — em que os dispositivos MEMS simplesmente habilitavam determinados recursos ou funções do produto — para algo muito mais poderoso: a era “online”. A conexão de sensores à nuvem permitiu melhorias de desempenho e fusão de tecnologias que foram fundamentais para disponibilizar suas informações para qualquer ecossistema. Em nosso exemplo automotivo, isso permitiu a transição do acionamento direto do airbag para também chamar os serviços de emergência e relatar informações pertinentes sobre o impacto e a posição do veículo para auxiliar os socorristas.
Isso naturalmente nos leva à atual era “onlife”. Aqui, não há mais diferença entre estar online e offline. Em vez disso, há uma fusão básica entre tecnologia e vida. Estamos falando de sistemas que estão constantemente vigilantes e podem detectar, processar e agir.
Nas tecnologias de mobilidade, agora precisamos de uma era “onlife” sustentável para oferecer dois recursos principais. O primeiro é o centramento humano que melhora a maneira como interagimos com o mundo ao nosso redor. A tecnologia centrada no ser humano é segura e não invasiva e atua como uma extensão de nós mesmos, permitindo operar como um assistente de motorista. A segunda característica é a sustentabilidade para nos ajudar a proteger este incrível planeta em que todos vivemos.
Então, como nos movemos para a era “onlife” sustentável? Precisamos construir uma sensorização sustentável do mundo. Considerando que no passado tínhamos apenas um sensor (offline), então um conectado sensor (online) e, em seguida, um sensor que pode detectar, processar e agir (“onlife”), agora precisamos de sensores autoconfigurados para otimizar o processamento de dados e sistemas de ultra baixa potência. Essa evolução está chegando porque precisamos salvar o planeta reduzindo o CO2 para emissões líquidas zero até 2050.
Os automóveis de passageiros contribuem com cerca de 3 bilhões de toneladas de CO2 emissões globalmente. A eletrificação tem um papel central na redução drástica dessas emissões. Ao mesmo tempo, também veremos um aumento significativo na adoção de veículos com níveis cada vez maiores de automação e, eventualmente, autonomia.
Sensores inerciais para AVs: inteligentes, seguros, precisos
Sensores inerciais inteligentes são essenciais para níveis mais altos de direção automatizada. São os níveis 3, 4 e 5, definidos pela SAE International. Eles também são vitais para cumprir os rigorosos padrões de segurança em vigor para proteger os passageiros dos veículos, pedestres e outros usuários da estrada.
Para atender a esses requisitos, eles devem ter três atributos principais: Eles precisam ser inteligentes, seguros e precisos.
O atributo inteligente é essencial: AVs precisam ser capazes de reagir a todos os cenários possíveis. Eles devem ser conduzidos por algoritmos de IA que podem imitar (ou melhorar) o comportamento humano e os tempos de reação. Com o processamento integrado diretamente no sensor, eles podem analisar os dados do sensor e executar operações sem os requisitos de latência e energia de grandes somas de dados do sensor que viajam para um host ou nuvem para processamento. Isso acelera o tempo de reação enquanto reduz drasticamente a energia do sistema.
Os sensores que contêm processamento no chip podem levar menos de alguns microamperes para iniciar a árvore de decisão e menos de 10 mA para analisar as leituras. Isso é importante porque reduzir a energia necessária para operar um AV ou qualquer sistema grande é fundamental para a sustentabilidade. Considere, por exemplo, um aplicativo simples como monitoramento de carros. Sensores inteligentes podem monitorar um carro 24 horas por dia, 7 dias por semana com recursos de IA que permitem que o carro detecte se está sendo batido, rebocado ou vandalizado quando estacionado ou pode detectar e se adaptar às condições ambientais ou superfícies da estrada quando em movimento.
A programação apropriada de elementos em um controlador no sensor pode garantir a centralidade dos sensores no ser humano e permitir que os veículos ofereçam soluções autoconfiguráveis com implementações de IA conectadas, juntamente com orçamentos de energia otimizados que podem contribuir para as metas de sustentabilidade.
Sensores inerciais inteligentes também devem ser seguros. Os AVs devem cumprir os mais rigorosos padrões de segurança. Sensores inerciais inteligentes devem permitir que os AVs tenham uma leitura precisa de seus arredores, pois o carro deve saber onde está e para onde está indo em relação a onde todos os outros veículos estão e estão indo. E não são apenas outros veículos; o AV precisa saber onde está cada obstáculo, pois isso também é essencial para uma operação segura.
Os veículos de hoje já estão integrando cada vez mais circuitos integrados implementando sistemas de segurança funcional em hardware para eficiência energética. Os sensores inerciais têm muitos papéis, como na compensação de imagens de câmeras afetadas por inclinação e vibração causadas pela ação da direção e pelo ruído da estrada. A certificação para nível de integridade de segurança automotiva B (ASIL-B) é comumente exigida para esses tipos de sistemas. Por outro lado, os sistemas para direção automatizada enfrentam requisitos muito mais rigorosos, exigindo certificação para, digamos, ASIL-D. As próximas gerações de sensores inerciais serão projetadas com isso em mente, provavelmente acompanhadas por bibliotecas de software testadas independentemente para facilitar a certificação de segurança de acordo com ASIL-B e acima.
Além disso, os sensores devem ser robustos, confiáveis e capazes de suportar condições ambientais adversas. Eles também devem ser seguros para evitar acesso não autorizado e violações de dados.
Por fim, sensores inerciais inteligentes precisam ser precisos. AVs requerem dados precisos e precisos para operar com segurança. Pedimos a esses veículos que conduzam por uma hora com menos de 0.1 grau de erro e que iniciem uma parada de segurança que fará a máquina parar com uma precisão absoluta de 20 cm. Isso é incrível e exige uma precisão comparável à normalmente esperada de um sistema de orientação lunar. No entanto, agora precisamos conseguir isso com dispositivos comuns de nosso portfólio de detecção inercial padrão.
Garantir a precisão dos dados ajuda a minimizar a carga de trabalho de processamento de aplicativos e, portanto, o consumo de energia, minimizando qualquer necessidade de polir os dados.
Observe também que a latência afeta a precisão: não importa quão alta seja a sensibilidade ou quão profunda seja a resolução, o contexto muda continuamente, então as informações começam a se tornar imprecisas assim que são geradas. A baixa latência é um forte atributo dos sensores inteligentes.
Conclusão
O caminho para um veículo totalmente autônomo está avançando, mas o destino ainda não é visível. O grande desafio, ainda, é a direção autônoma sustentável. Do ponto de vista do desenvolvimento de sensores, pelo menos, podemos dizer que temos uma ideia.
Nos últimos anos, MEMS de última geração permitiu aplicativos ADAS que exigiam recursos de detecção de alta precisão, embora muito pouco a ver com o desenvolvimento de aplicativos de segurança. Por outro lado, a pressão entre os OEMs por sistemas de segurança avançados estimulou avanços rápidos no desenvolvimento de aplicações de segurança com necessidade limitada de precisão na capacidade de detecção.
Agora, se realmente queremos viabilizar o caminho da sensorização para o futuro de um veículo sustentável, precisamos unir as duas necessidades: segurança de um lado e precisão do outro. Não esqueçamos que tudo precisa ser absolutamente inteligente, com sensores autoconfiguráveis, com otimização do processamento de dados em sistemas de baixo consumo. E isso, em última análise, permitirá que as montadoras forneçam as soluções de que o mundo precisa.
Não há dúvida de que AVs sustentáveis estão no caminho para o nosso futuro. É igualmente claro que sensores inerciais inteligentes, seguros e precisos são essenciais. Como todos os componentes automotivos, eles devem obedecer a rigorosos padrões de segurança e resistir a condições ambientais adversas e ajudarão a garantir que AVs sustentáveis operem com mais segurança do que os veículos existentes e com eficiência muito maior. A tecnologia MEMS sustentável está aqui para apoiar esse caminho.