Los estándares automotrices para electrónica: El panorama de los autos autónomos

Personalmente, disfruto conducir mi propio vehículo y no estoy seguro de cómo me sentiría respecto al proceso siendo completamente automatizado. Me gusta la idea de poder tomar control de mi vehículo cuando necesito, pero sería agradable poder reclinarme en el asiento trasero en un viaje largo por carretera. La industria automotriz aún no ha llevado los coches autónomos a este nivel, pero ten por seguro que esto está previsto para ser una realidad en un futuro no muy lejano.

Cuando se observa el panorama regulatorio e industrial alrededor de los vehículos sin conductor, hay muchas cuestiones para considerar que se relacionan con la seguridad y la fiabilidad de estos sistemas. Para la industria electrónica y los diseñadores de PCB, el panorama de los estándares aún no está claro, y diseñar conforme a los estándares de la industria será sin duda una consideración importante en una industria tan altamente regulada. Veamos el panorama actual de los estándares para los diseñadores de PCB que trabajan en sistemas para conectar y controlar vehículos autónomos.

El Panorama de los Estándares para Coches Autónomos

IHS Market estima que habrá 78 millones de coches semi-autónomos o autónomos en las carreteras para el año 2035. Los vehículos automatizados de Nivel 4, que se definen como completamente automatizados y no requieren la atención del conductor según la SAE, ya están en las carreteras, aunque no están disponibles comercialmente. Los vehículos automatizados de Nivel 2 ya se pueden comprar en las principales compañías de automóviles, pero el primer vehículo de Nivel 3 todavía enfrenta un atolladero legal en EE.UU.

El problema respecto a los estándares no es uno de funcionalidad. Más bien, es uno de fiabilidad. Los coches autónomos requieren niveles de redundancia y medidas de seguridad para asegurar la seguridad de los pasajeros. Si un PCB para un cierto sistema de control crítico o de seguridad en un coche autónomo fallara, el vehículo necesita tener algún nivel de redundancia que, como mínimo, permita al vehículo detenerse de forma segura. Estos sistemas también pueden requerir que el conductor tome control sobre el vehículo para prevenir un accidente.

El panorama regulatorio es lo suficientemente confuso y ya varía ampliamente. Aparte del confuso entorno regulatorio que rodea a los autos autónomos, la industria aún tiene que unirse en torno a estándares consistentes que gobernarán la masa de nuevos electrónicos que habilitan todas las tareas requeridas para autos autónomos seguros. Ya se puede esperar que los nuevos estándares sobre vehículos vayan más allá de los existentes IATF, IPC, ISO, AEC y SAE sobre seguridad y funcionalidad.

Además de la organización de estándares mencionada anteriormente, el Consejo de Electrónica Automotriz (AEC) define los requisitos de prueba para componentes y sistemas de grado automotriz. La norma ISO-26262 ya cubre aspectos funcionales de diseño, integración y configuración para sistemas automotrices. La norma ISO 26262 se desarrolló en 2011, y los autos más nuevos contienen mucho más software de lo que tenían en 2011. La Parte II de ISO 26262 se lanzó recientemente, y la norma ISO/WD PAS 21448 para sistemas ADAS fue recientemente objeto de discusión en la conferencia SAFECOMP 2019. Ya podemos ver nuevas certificaciones para la seguridad funcional de sistemas eléctricos/electrónicos emergiendo de numerosas organizaciones. Estos estándares, así como otros estándares ISO sobre la fabricación de PCBs, deberían tomarse como una base para los actuales diseñadores de electrónicos para vehículos autónomos.

Para los desarrolladores de software, una certificación ASPICE seguirá siendo relevante, incluso a medida que aumenta el número de autos autónomos en las carreteras. ASPICE define "cómo debería verse el software", en lugar de "cómo debería desarrollarse el software". Aunque el software para los coches autónomos es complejo, es poco probable que el proceso de desarrollo de software cambie significativamente. Esperaría que más equipos de desarrollo adopten ASPICE como parte de un modelo ágil.

Conexión dentro y entre vehículos

Otro tema de estándares dentro de los coches autónomos es la red entre la gran cantidad de sistemas embebidos que necesitan recopilar y procesar datos y luego usar estos datos para ejecutar funciones de control dentro de un vehículo sin conductor. Los vehículos también necesitarán comunicarse con otros vehículos a través de una red ad-hoc vehicular inalámbrica (VANET) usando un protocolo inalámbrico estandarizado.

Estos coches autónomos necesitarán formar una red inalámbrica ad-hoc mientras conducen

Ya existen muchos estándares que especifican el acceso inalámbrico en VANETs, como 4G LTE/5G, DSRC y WAVE. Los protocolos de enrutamiento de MANET existentes y las topologías también se están utilizando para tomar decisiones de enrutamiento en vehículos en red. El estándar IEEE 802.11p se utiliza típicamente en sistemas experimentales, y el uso de este protocolo para diseñar sistemas para vehículos autónomos en red es un tema de investigación actual.

La red dentro de un vehículo también debe enfocarse en la redundancia. Si una ECU dentro de un vehículo falla, esas funciones pueden necesitar ser realizadas por otra ECU, lo que requiere una red intra-vehículo utilizando una topología de malla para proporcionar redundancia. Aquí, se pueden seguir las reglas de diseño estándar para diseñar sistemas en red en términos de mantener la integridad de la señal, aunque estos sistemas necesitan ser extremadamente confiables para garantizar la seguridad. Este es otro aspecto de los coches autónomos que está viendo investigación continua.

La Confiabilidad Comienza con Tu Sustrato

Las PCBs automotrices deben sobrevivir en entornos más duros que las PCBs utilizadas en otras aplicaciones. Esto incluye pasar pruebas de fiabilidad térmica y estabilidad a largo plazo en entornos hostiles. Cumplir con estos requisitos de fiabilidad comienza con elegir el material de sustrato adecuado.

Las PCBs en el compartimento del motor ya necesitan resistir altas temperaturas, por lo tanto, se podrían utilizar sustratos de cerámica de alúmina o nitruro de aluminio , o PCBs de cobre pesado, dependiendo de los objetivos de costo. FR4 sigue siendo el sustrato de elección para los sistemas de seguridad. Las PCBs con núcleo metálico se utilizan típicamente para sistemas de frenos antibloqueo. El sistema de evitación de choques en un coche autónomo depende de LiDAR o radar, requiriendo PCBs con bajas pérdidas a alta frecuencia.

El diseño HDI también está volviéndose más importante a medida que el número de componentes e interconexiones utilizadas en las PCBs para coches sin conductor continúa aumentando. Los sistemas de infotenimiento ya se están volviendo más complejos a medida que las pantallas integran más funciones, requiriendo una mayor integración sin aumentar significativamente el tamaño de la placa.

Espera una densidad mayor que esta en las PCBs para coches autónomos

La integridad de potencia y los requisitos térmicos de las PCBs en coches eléctricos, híbridos y de celdas de combustible no pueden ser ignorados. La industria ya está utilizando PCBs con cobre pesado para que estas placas puedan soportar corrientes más altas y temperaturas más altas en sistemas de carga, gestión de potencia y distribución de energía. Se necesitarán técnicas de gestión térmica en estas placas para prevenir daños a los componentes y a la propia placa.

Mayor Integración en Coches Autónomos

Mirando hacia el futuro, podemos esperar ver una mayor integración de sistemas anteriormente dispares y una mayor capacidad de procesamiento en los vehículos. Esto requiere integración entre sensores, ECUs y los diversos sistemas electromecánicos que controlan todos los aspectos de un vehículo autónomo. Las complejidades del software también están aumentando ya que la masa de datos necesita ser utilizada instantáneamente para el reconocimiento de objetos, la comunicación a través de VANETs y muchas otras tareas en tiempo casi real. El panorama de los estándares continuará cambiando a medida que los mejores diseños demuestren su valor.

Una mayor integración dentro de un espacio limitado también requerirá cierto nivel de miniaturización a nivel de placa, componente e interconexión. Esto va más allá de la estética; los sistemas voluminosos utilizados en los coches autónomos experimentales necesitarán ser integrados dentro del vehículo. Esto asegura que los sistemas importantes puedan ser adecuadamente protegidos contra el clima adverso, la vibración mecánica y la humedad. Esto se extenderá más allá del tablero del vehículo.

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