Padrões Automotivos para Eletrônicos: A Paisagem dos Carros Autônomos

Pessoalmente, gosto de dirigir meu próprio veículo e não tenho certeza de como me sentiria em relação ao processo ser totalmente automatizado. Gosto da ideia de poder assumir o controle do meu veículo quando preciso, mas seria bom poder reclinar no banco de trás durante uma longa viagem de carro. A indústria automotiva ainda não trouxe os carros autônomos para esse nível, mas pode ter certeza de que isso está previsto para se tornar realidade em um futuro não muito distante.

Ao olhar para o cenário regulatório e industrial em torno dos veículos autônomos, há muitas questões a considerar que se relacionam com a segurança e a confiabilidade desses sistemas. Para a indústria eletrônica e os projetistas de PCB, o panorama dos padrões ainda é incerto, e projetar de acordo com os padrões da indústria certamente será uma consideração importante em uma indústria altamente regulamentada. Vamos dar uma olhada no panorama atual dos padrões para os projetistas de PCB que estão trabalhando em sistemas para conectar e controlar veículos autônomos.

O Panorama dos Padrões para Carros Autônomos

A IHS Market estima que haverá 78 milhões de carros semi-autônomos ou autônomos nas estradas até 2035. Veículos automatizados de Nível 4, que são definidos como totalmente automatizados e não requerem a atenção do motorista pela SAE, já estão nas estradas, embora não estejam disponíveis comercialmente. Veículos automatizados de Nível 2 já podem ser adquiridos das principais montadoras, mas o primeiro veículo de Nível 3 ainda enfrenta um emaranhado legal nos EUA.

A questão em relação aos padrões não é uma questão de funcionalidade. É, sim, uma questão de confiabilidade. Carros autônomos requerem níveis de redundância e medidas de segurança para garantir a segurança dos passageiros. Se uma PCB para um determinado sistema crítico de controle ou segurança em um carro autônomo falhasse, o veículo precisa ter algum nível de redundância que, no mínimo, permita que o veículo pare de forma segura. Esses sistemas também podem exigir que o motorista assuma o controle do veículo para evitar um acidente.

O panorama regulatório já é confuso o suficiente e varia amplamente. Além da confusa paisagem regulatória em torno dos carros autônomos, a indústria ainda precisa se unir em padrões consistentes que governarão a massa de novos eletrônicos que possibilitam todas as tarefas necessárias para carros autônomos seguros. Já se pode esperar que novos padrões para veículos vão além dos existentes IATF, IPC, ISO, AEC e SAE sobre segurança e funcionalidade.

Além das organizações de padrões listadas acima, o Conselho de Eletrônicos Automotivos (AEC) define requisitos de teste para componentes e sistemas de grau automotivo. O padrão ISO-26262 já cobre aspectos funcionais de design, integração e configuração para sistemas automotivos. O padrão ISO 26262 foi desenvolvido em 2011, e carros mais novos contêm muito mais software do que tinham em 2011. A Parte II da ISO 26262 foi lançada recentemente, e o padrão ISO/WD PAS 21448 para sistemas ADAS foi recentemente objeto de discussão na conferência SAFECOMP 2019. Já podemos ver novas certificações para segurança funcional de sistemas elétricos/eletrônicos emergindo de inúmeras organizações. Esses padrões, bem como outros padrões ISO sobre a fabricação de PCBs, devem ser tomados como uma base para os atuais designers de eletrônicos para veículos autônomos.

Para desenvolvedores de software, uma certificação ASPICE continuará sendo relevante, mesmo com o aumento do número de carros autônomos nas estradas. ASPICE define "como o software deve parecer", em vez de "como o software deve ser desenvolvido". Embora o software para carros autônomos seja complexo, o processo de desenvolvimento de software provavelmente não mudará significativamente. Eu esperaria que mais equipes de desenvolvimento adotassem o ASPICE como parte de um modelo ágil.

Conexão Dentro e Entre Veículos

Outra questão de padrões dentro dos carros autônomos é a rede entre o grande número de sistemas embarcados que precisam coletar e processar dados e, em seguida, usar esses dados para executar funções de controle dentro de um veículo sem motorista. Os veículos também precisarão se comunicar com outros veículos por meio de uma rede ad hoc veicular sem fio (VANET) usando um protocolo sem fio padronizado.

Esses carros autônomos precisarão formar uma rede sem fio ad hoc à medida que dirigem

Já existem muitos padrões que especificam o acesso sem fio em VANETs, como 4G LTE/5G, DSRC e WAVE. Protocolos de roteamento MANET existentes e topologias também estão sendo usados para tomar decisões de roteamento em veículos em rede. O padrão IEEE 802.11p é tipicamente usado em sistemas experimentais, e o uso desse protocolo para projetar sistemas para conectar veículos autônomos é um tópico de pesquisa atual.

A rede dentro de um veículo também deve focar em redundância. Se uma ECU dentro de um veículo falhar, essas funções podem precisar ser realizadas por outra ECU, o que requer uma rede intra-veicular usando uma topologia de malha para fornecer redundância. Aqui, regras de design padrão para projetar sistemas em rede podem ser seguidas em termos de manutenção da integridade do sinal, embora esses sistemas precisem ser extremamente confiáveis para garantir a segurança. Este é outro aspecto dos carros autônomos que está vendo pesquisa contínua.

A Confiabilidade Começa com Seu Substrato

PCBs automotivos devem sobreviver em ambientes mais severos do que PCBs usados em outras aplicações. Isso inclui passar por testes de confiabilidade térmica e estabilidade de longo prazo em ambientes hostis. Atender a esses requisitos de confiabilidade começa com a escolha do material de substrato correto.

PCBs no compartimento do motor já precisam suportar altas temperaturas, assim, substratos de cerâmica de alumina ou nitreto de alumínio , ou PCBs de cobre pesado, poderiam ser usados dependendo dos objetivos de custo. FR4 ainda é o substrato de escolha para sistemas de segurança. PCBs com núcleo metálico são tipicamente usados para sistemas de freios ABS. O sistema de evitação de colisões em um carro autônomo depende de LiDAR ou radar, exigindo PCBs com baixas perdas em alta frequência.

O design HDI também está se tornando mais importante à medida que o número de componentes e interconexões usadas em PCBs para carros autônomos continuará a aumentar. Sistemas de infotenimento já estão se tornando mais complexos à medida que os displays integram mais recursos, exigindo uma maior integração sem aumentar significativamente o tamanho da placa.

Espera-se uma densidade maior do que esta em PCBs para carros autônomos

A integridade de potência e os requisitos térmicos de PCBs em carros elétricos, híbridos e a célula de combustível não podem ser ignorados. A indústria já está usando PCBs com cobre pesado para que essas placas possam suportar corrente mais alta e temperatura mais alta em sistemas de carregamento, gerenciamento de energia e distribuição de energia. Técnicas de gerenciamento térmico precisarão ser usadas nessas placas para evitar danos aos componentes e à própria placa.

Maior Integração em Carros Autônomos

À medida que avançamos, podemos esperar ver uma maior integração de sistemas anteriormente dispersos e maior poder de processamento em veículos. Isso requer integração entre sensores, ECUs e os diversos sistemas eletromecânicos que controlam todos os aspectos de um veículo autônomo. As complexidades do software também estão aumentando, pois a massa de dados precisa ser usada instantaneamente para reconhecimento de objetos, comunicação através de VANETs e muitas outras tarefas em tempo quase real. A paisagem dos padrões continuará a mudar à medida que os melhores designs provarem seu valor.

A maior integração em espaço limitado também exigirá algum nível de miniaturização no nível das placas, componentes e interconexões. Isso é mais do que uma questão estética; os sistemas volumosos usados em carros autônomos experimentais precisarão ser integrados dentro do veículo. Isso garante que sistemas importantes possam ser adequadamente protegidos contra intempéries, vibração mecânica e umidade. Isso se estenderá além do painel do veículo.

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