Gli Standard Automobilistici per l'Elettronica: Il Panorama delle Auto a Guida Autonoma

Personalmente, mi piace guidare il mio veicolo e non sono sicuro di quanto mi sentirei a mio agio con un processo completamente automatizzato. Mi piace l'idea di poter prendere il controllo del mio veicolo quando ne ho bisogno, ma sarebbe bello potersi sdraiare sul sedile posteriore durante un lungo viaggio. L'industria automobilistica non ha ancora reso le auto a guida autonoma a questo livello, ma state tranquilli, si prevede che diventerà una realtà in un futuro non troppo lontano.

Quando si esamina il panorama normativo e industriale intorno ai veicoli senza conducente, ci sono molte questioni da considerare che si riferiscono alla sicurezza e all'affidabilità di questi sistemi. Per l'industria elettronica e i progettisti di PCB, il panorama degli standard è ancora poco chiaro, e progettare secondo gli standard di settore sarà sicuramente un aspetto importante in un'industria così altamente regolamentata. Diamo un'occhiata al panorama attuale degli standard per i progettisti di PCB che lavorano su sistemi per collegare e controllare veicoli autonomi.

Il Panorama degli Standard per le Auto a Guida Autonoma

IHS Market stima che ci saranno 78 milioni di auto semi-autonome o completamente autonome sulle strade entro il 2035. I veicoli automatizzati di Livello 4, che sono definiti come completamente automatizzati e non richiedono l'attenzione del conducente secondo la SAE, sono già sulle strade, sebbene non siano commercialmente disponibili. I veicoli automatizzati di Livello 2 possono già essere acquistati dalle principali case automobilistiche, ma il primo veicolo di Livello 3 sta ancora affrontando un pantano legale negli Stati Uniti.

Il problema riguardante gli standard non è una questione di funzionalità. Piuttosto, è una questione di affidabilità. Le auto a guida autonoma richiedono livelli di ridondanza e misure di sicurezza per garantire la sicurezza dei passeggeri. Se un PCB per un certo sistema di controllo critico o di sicurezza in un'auto a guida autonoma dovesse fallire, il veicolo deve avere un certo livello di ridondanza che, al minimo, permetta al veicolo di fermarsi in sicurezza. Questi sistemi possono anche richiedere che il conducente prenda il controllo del veicolo per prevenire un incidente.

Il panorama normativo è già abbastanza confuso e varia ampiamente. Oltre al complesso scenario normativo che circonda le auto a guida autonoma, l'industria deve ancora unirsi su standard consistenti che regoleranno la massa di nuove elettroniche che abilitano tutti i compiti necessari per auto a guida autonoma sicure. Si può già prevedere che i nuovi standard sui veicoli andranno oltre gli attuali standard IATF, IPC, ISO, AEC e SAE sulla sicurezza e funzionalità.

Oltre alle organizzazioni di standardizzazione menzionate sopra, il Consiglio di Elettronica Automobilistica (AEC) definisce i requisiti di test per componenti e sistemi di grado automobilistico. Lo standard ISO-26262 copre già gli aspetti funzionali di progettazione, integrazione e configurazione per i sistemi automobilistici. Lo standard ISO 26262 è stato sviluppato nel 2011, e le auto più recenti contengono molto più software di quanto ne avessero nel 2011. La Parte II dell'ISO 26262 è stata rilasciata di recente, e lo standard ISO/WD PAS 21448 per i sistemi ADAS è stato recentemente oggetto di discussione alla conferenza SAFECOMP 2019. Possiamo già vedere nuove certificazioni per la sicurezza funzionale dei sistemi elettrici/elettronici emergere da numerose organizzazioni. Questi standard, così come altri standard ISO sulla produzione di PCB, dovrebbero essere presi come base di partenza per gli attuali progettisti di elettronica per veicoli autonomi.

Per gli sviluppatori di software, una certificazione ASPICE continuerà ad essere rilevante, anche con l'aumento del numero di auto autonome sulle strade. ASPICE definisce "come dovrebbe essere il software", piuttosto che "come dovrebbe essere sviluppato il software". Sebbene il software per le auto a guida autonoma sia complesso, il processo di sviluppo del software difficilmente cambierà in modo significativo. Mi aspetterei che più team di sviluppo adottino ASPICE come parte di un modello agile.

Networking all'interno e tra i veicoli

Un altro problema di standardizzazione nelle auto a guida autonoma è il networking tra il grande numero di sistemi embedded che devono raccogliere ed elaborare dati e poi utilizzare questi dati per eseguire funzioni di controllo all'interno di un veicolo senza conducente. I veicoli dovranno anche comunicare con altri veicoli tramite una rete ad hoc veicolare wireless (VANET) utilizzando un protocollo wireless standardizzato.

Queste auto a guida autonoma dovranno formare una rete wireless ad hoc mentre guidano

Ci sono già molti standard che specificano l'accesso wireless nei VANET, come 4G LTE/5G, DSRC e WAVE. Anche i protocolli di routing e le topologie MANET esistenti vengono utilizzati per prendere decisioni di routing nei veicoli in rete. Lo standard IEEE 802.11p è tipicamente utilizzato in sistemi sperimentali, e l'uso di questo protocollo per progettare sistemi per mettere in rete veicoli autonomi è un argomento di ricerca attuale.

La rete all'interno di un veicolo dovrebbe anche concentrarsi sulla ridondanza. Se un ECU all'interno di un veicolo fallisce, quelle funzioni potrebbero dover essere eseguite da un altro ECU, il che richiede una rete intra-veicolo che utilizzi una topologia a maglia per fornire ridondanza. Qui, si possono seguire le regole di progettazione standard per progettare sistemi in rete in termini di mantenimento dell'integrità del segnale, anche se questi sistemi devono essere estremamente affidabili per garantire la sicurezza. Questo è un altro aspetto delle auto a guida autonoma che sta vedendo una ricerca continua.

L'affidabilità Inizia dal Tuo Substrato

I PCB automobilistici devono sopravvivere in ambienti più duri rispetto ai PCB utilizzati in altre applicazioni. Ciò include superare test di affidabilità termica e stabilità a lungo termine in ambienti difficili. Soddisfare questi requisiti di affidabilità inizia con la scelta del materiale del substrato giusto.

Le PCB presenti nel vano motore devono già resistere ad alte temperature, quindi potrebbero essere utilizzati substrati in ceramica di allumina o nitruro di alluminio , o PCB in rame pesante, a seconda degli obiettivi di costo. FR4 rimane ancora il substrato di scelta per i sistemi di sicurezza. I PCB con nucleo metallico sono tipicamente utilizzati per i sistemi di frenata antibloccaggio. Il sistema di evitamento degli incidenti in un'auto autonoma si affida a LiDAR o radar, richiedendo PCB con basse perdite ad alta frequenza.

Il design HDI sta diventando sempre più importante poiché il numero di componenti e interconnessioni utilizzate nei PCB per le auto senza conducente continuerà ad aumentare. I sistemi di infotainment stanno già diventando più complessi man mano che i display integrano più funzionalità, richiedendo una maggiore integrazione senza aumentare significativamente la dimensione della scheda.

Aspettatevi una densità maggiore di questa nei PCB per le auto a guida autonoma

L'integrità della potenza e i requisiti termici dei PCB nelle auto elettriche, ibride e a celle di combustibile non possono essere ignorati. L'industria sta già utilizzando PCB con rame pesante in modo che queste schede possano resistere a correnti più elevate e temperature più alte nei sistemi di ricarica, gestione della potenza e distribuzione della potenza. Le tecniche di gestione termica dovranno essere utilizzate in queste schede per prevenire danni ai componenti e alla scheda stessa.

Maggiore integrazione nelle auto a guida autonoma

Andando avanti, possiamo aspettarci di vedere una maggiore integrazione tra sistemi precedentemente separati e una maggiore potenza di elaborazione nei veicoli. Questo richiede un'integrazione tra sensori, ECU e i vari sistemi elettromeccanici che controllano tutti gli aspetti di un veicolo autonomo. Anche le complessità del software stanno aumentando poiché la massa di dati deve essere utilizzata istantaneamente per il riconoscimento degli oggetti, la comunicazione tramite VANET e molte altre attività in tempo quasi reale. Il panorama degli standard continuerà a cambiare man mano che i migliori progetti dimostreranno il loro valore.

Una maggiore integrazione in uno spazio limitato richiederà anche un certo livello di miniaturizzazione a livello di scheda, componente e interconnessione. Questo riguarda più che l'estetica; i sistemi ingombranti utilizzati sulle auto a guida autonoma sperimentali dovranno essere integrati all'interno del veicolo. Ciò garantisce che i sistemi importanti possano essere adeguatamente protetti contro condizioni meteorologiche avverse, vibrazioni meccaniche e umidità. Questo andrà oltre il cruscotto del veicolo.

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