Les normes automobiles pour l'électronique : Le paysage des voitures autonomes

Personnellement, j'aime conduire mon propre véhicule, et je ne suis pas sûr de me sentir à l'aise avec l'idée que le processus soit entièrement automatisé. J'aime l'idée de pouvoir prendre le contrôle de mon véhicule quand j'en ai besoin, mais ce serait agréable de pouvoir s'allonger sur le siège arrière lors d'un long voyage. L'industrie automobile n'a pas encore rendu les voitures autonomes à ce niveau, mais soyez assuré, cela est envisagé comme une réalité dans un avenir pas trop lointain.

Lorsqu'on examine le paysage réglementaire et industriel autour des véhicules sans conducteur, il y a beaucoup de problèmes à considérer qui se rapportent à la sécurité et à la fiabilité de ces systèmes. Pour l'industrie électronique et les concepteurs de PCB, le paysage des normes reste flou, et concevoir selon les normes de l'industrie sera sans doute une considération importante dans une industrie aussi hautement réglementée. Examinons le paysage actuel des normes pour les concepteurs de PCB qui travaillent sur des systèmes pour connecter et contrôler les véhicules autonomes.

Le Paysage des Normes pour les Voitures Autonomes

IHS Market estime qu'il y aura 78 millions de voitures semi-autonomes ou autonomes sur les routes d'ici 2035. Les véhicules automatisés de niveau 4, qui sont définis comme étant entièrement automatisés et ne nécessitant pas l'attention du conducteur selon la SAE, sont déjà sur les routes, bien qu'ils ne soient pas encore disponibles commercialement. Les véhicules automatisés de niveau 2 peuvent déjà être achetés auprès des grandes compagnies automobiles, mais le premier véhicule de niveau 3 est encore confronté à un bourbier juridique aux États-Unis.

Le problème concernant les normes n'est pas une question de fonctionnalité. C'est plutôt une question de fiabilité. Les voitures autonomes nécessitent des niveaux de redondance et des mesures de sécurité pour garantir la sécurité des passagers. Si un PCB pour un système de contrôle ou de sécurité critique dans une voiture autonome devait échouer, le véhicule doit avoir un certain niveau de redondance qui, au minimum, permet au véhicule de s'arrêter en toute sécurité. Ces systèmes peuvent également exiger que le conducteur reprenne le contrôle du véhicule afin d'éviter un accident.

Le paysage réglementaire est déjà assez confus et varie considérablement. Outre le paysage réglementaire déroutant entourant les voitures autonomes, l'industrie n'a pas encore réussi à s'accorder sur des normes cohérentes qui régiront la masse de nouveaux appareils électroniques permettant toutes les tâches nécessaires pour des voitures autonomes sûres. On peut déjà s'attendre à ce que les nouvelles normes sur les véhicules aillent au-delà des normes IATF, IPC, ISO, AEC et SAE existantes en matière de sécurité et de fonctionnalité.

En plus des organisations de normalisation mentionnées ci-dessus, le Conseil d'Électronique Automobile (AEC) définit les exigences de test pour les composants et systèmes de qualité automobile. La norme ISO-26262 couvre déjà les aspects fonctionnels de la conception, de l'intégration et de la configuration pour les systèmes automobiles. La norme ISO 26262 a été développée en 2011, et les voitures plus récentes contiennent beaucoup plus de logiciels qu'en 2011. La partie II de l'ISO 26262 a été récemment publiée, et la norme ISO/WD PAS 21448 pour les systèmes ADAS a récemment fait l'objet de discussions lors de la conférence SAFECOMP 2019. Nous pouvons déjà voir de nouvelles certifications pour la sécurité fonctionnelle des systèmes électriques/électroniques émerger de nombreuses organisations. Ces normes, ainsi que d'autres normes ISO sur la fabrication des PCB, devraient être prises comme une base de référence pour les concepteurs actuels d'électronique pour véhicules autonomes.

Pour les développeurs de logiciels, une certification ASPICE restera également pertinente, même avec l'augmentation du nombre de voitures autonomes sur les routes. ASPICE définit "à quoi le logiciel devrait ressembler", plutôt que "comment le logiciel devrait être développé". Bien que le logiciel pour les voitures autonomes soit complexe, le processus de développement logiciel est peu susceptible de changer de manière significative. Je m'attendrais à ce que davantage d'équipes de développement adoptent ASPICE dans le cadre d'un modèle agile.

Réseautage à l'intérieur et entre les véhicules

Un autre problème de normes au sein des voitures autonomes est le réseautage parmi le grand nombre de systèmes embarqués qui doivent recueillir et traiter des données puis utiliser ces données pour exécuter des fonctions de contrôle au sein d'un véhicule sans conducteur. Les véhicules devront également communiquer avec d'autres véhicules via un réseau ad hoc véhiculaire sans fil (VANET) en utilisant un protocole sans fil standardisé.

Ces voitures autonomes devront former un réseau sans fil ad hoc lorsqu'elles conduisent

Il existe déjà de nombreuses normes qui spécifient l'accès sans fil dans les VANETs, telles que 4G LTE/5G, DSRC et WAVE. Les protocoles de routage MANET existants et les topologies sont également utilisés pour prendre des décisions de routage dans les véhicules en réseau. La norme IEEE 802.11p est généralement utilisée dans les systèmes expérimentaux, et l'utilisation de ce protocole pour concevoir des systèmes de mise en réseau de véhicules autonomes est un sujet de recherche actuel.

La mise en réseau à l'intérieur d'un véhicule devrait également se concentrer sur la redondance. Si un ECU au sein d'un véhicule échoue, ces fonctions peuvent devoir être exécutées par un autre ECU, ce qui nécessite un réseau intra-véhicule utilisant une topologie en maillage pour fournir une redondance. Ici, les règles de conception standard pour concevoir des systèmes en réseau peuvent être suivies en termes de maintien de l'intégrité du signal, bien que ces systèmes doivent être extrêmement fiables pour garantir la sécurité. C'est un autre aspect des voitures autonomes qui fait l'objet de recherches continues.

La fiabilité commence par votre substrat

Les PCBs automobiles doivent survivre dans des environnements plus sévères que les PCBs utilisés dans d'autres applications. Cela inclut le passage de tests de fiabilité thermique et de stabilité à long terme dans des environnements difficiles. Répondre à ces exigences de fiabilité commence par choisir le bon matériel de substrat.

Les PCBs dans le compartiment moteur doivent déjà résister à des températures élevées, ainsi des substrats en céramique d'alumine ou de nitrure d'aluminium , ou des PCBs en cuivre épais, pourraient être utilisés en fonction des objectifs de coût. Le FR4 reste le substrat de choix pour les systèmes de sécurité. Les PCBs à âme métallique sont typiquement utilisés pour les systèmes de freinage antiblocage. Le système d'évitement de collision dans une voiture autonome repose sur le LiDAR ou le radar, nécessitant des PCBs avec de faibles pertes à haute fréquence.

La conception HDI devient également plus importante car le nombre de composants et d'interconnexions utilisés dans les PCBs pour les voitures sans conducteur continuera d'augmenter. Les systèmes d'infodivertissement deviennent déjà plus complexes à mesure que les écrans intègrent plus de fonctionnalités, nécessitant une plus grande intégration sans augmenter significativement la taille de la carte.

Attendez-vous à une densité plus élevée que cela dans les PCBs pour les voitures autonomes

L'intégrité de puissance et les exigences thermiques des PCBs dans les voitures électriques, hybrides et à pile à combustible ne peuvent être ignorées. L'industrie utilise déjà des PCBs en cuivre épais afin que ces cartes puissent supporter un courant plus élevé et une température plus élevée dans les systèmes de charge, de gestion de l'énergie et de distribution de puissance. Des techniques de gestion thermique devront être utilisées dans ces cartes afin de prévenir les dommages aux composants et à la carte elle-même.

Une plus grande intégration dans les voitures autonomes

À l'avenir, nous pouvons nous attendre à voir une plus grande intégration des systèmes autrefois disparates et une plus grande puissance de traitement dans les véhicules. Cela nécessite une intégration entre les capteurs, les unités de contrôle électronique (ECU) et les divers systèmes électromécaniques qui contrôlent tous les aspects d'un véhicule autonome. Les complexités logicielles augmentent également car la masse de données doit être instantanément utilisée pour la reconnaissance d'objets, la communication via les VANETs et de nombreuses autres tâches en temps quasi réel. Le paysage des normes continuera de changer à mesure que les meilleures conceptions prouveront leur valeur.

L'intégration accrue dans un espace limité nécessitera également un certain niveau de miniaturisation au niveau des cartes, des composants et des interconnexions. Il s'agit de bien plus que de l'esthétique ; les systèmes encombrants utilisés sur les voitures autonomes expérimentales devront être intégrés à l'intérieur du véhicule. Cela garantit que les systèmes importants peuvent être adéquatement protégés contre les intempéries, les vibrations mécaniques et l'humidité. Cela s'étendra au-delà du tableau de bord du véhicule.

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