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Le automobili moderne si sono evolute in tutto il mondo con l’ambizioso obiettivo di migliorare i controlli sulle emissioni e l’uso efficiente dei combustibili fossili. Negli ultimi vent’anni i sistemi embedded sono diventati i modi e i mezzi decisivi per raggiungere numerosi obiettivi. Diverse funzionalità come la gestione del carburante e delle centrali elettriche, l’architettura di rete e i sistemi di sicurezza sono state trovate come pacchetti avanzati di sistemi embedded. Le imminenti rivoluzioni tecnologiche nel sistema embedded vengono enormemente affrontate nella progettazione di sistemi elettronici nei veicoli elettrici e autonomi, nonché per renderli più sicuri, sensibili alla rete e più efficienti dal punto di vista energetico. Questo articolo è una panoramica sulla principali importanti innovazioni tecnologiche dei sistemi embedded nel campo automobilistico.
Introduzione ai sistemi automotive embedded
Un sistema elettronico o informatico era stato concepito allo scopo di regolare e accedere ai dati da sistemi basati sull’elettronica. In generale, il sistema embedded è costituito da un microcontrollore e un microprocessore. Questi sistemi sono diventati il cuore dell’elettronica di un veicolo grazie alla sua adattabilità e flessibilità. I veicoli ovunque realizzati utilizzano microcontrollori, DSP o entrambi, comunemente definiti “Unità di Controllo Elettronico” (ECU in inglese). Attualmente, vari veicoli convenzionali e di lusso utilizzano un numero elevato di controller integrati.
Un sistema embedded è una composizione mista di hardware e software che costituisce una componente fondamentale per automobili di alta fascia, ad esempio, un microprocessore che con il relativo firmware regola il funzionamento di un motore. Tuttavia, questo sistema era dominato da vincoli hardware come capacità di memoria, carica della batteria e potenza di elaborazione, a causa dei quali necessitava fornire una complessità del software da bassa a moderata. Un sistema embedded è progettato per funzionare autonomamente senza l’interferenza umana e può essere essenziale per eseguire azioni in tempo reale nel caso di eventi particolari. Il sistema integrato dovrebbe avere alta velocità operativa, bassa dissipazione di potenza, peso e dimensioni ridotte, precisione e affidabili per lungo
periodo. Il sistema embedded in rete è l’area con più rapida crescita nelle applicazioni embedded. In Figura 1 un esempio di centralina ECU per motori.
Figura 1 – Una centralina ECU per motori
La modellazione dei componenti Automotive
Le ECU eseguono operazioni in tempo reale con un software di base specifico per l’area di applicazione, ad esempio il controllo dello stato di sicurezza del veicolo. Anche se molti vari elementi critici software sono stati risolti da diversi produttori OEM (produttore di apparecchiature originali) e fornitori, l’obiettivo di un’integrazione efficace e protetta del software, in particolare per le funzioni critiche per la sicurezza, è ancora una grande preoccupazione e la modellazione di componenti automotive è il primario approccio per raggiungere questo obiettivo.
La modellazione strutturale di componenti automobilistici e loro interdipendenza sono state sviluppate e realizzate da varie industrie automobilistiche, la più popolare modellazione è basata su un’architettura software aperta e standardizzata” che crea e sviluppa soluzioni open source per il settore automobilistico per costituire un’infrastruttura fondamentale per il software veicolare, interfacce utente e gestione per i campi all-inclusive.
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Attualmente, le aree cruciali della ricerca automotive sono: regolazione delle funzioni dei sistemi elementari, trasferibilità approfondita della rete, affidabilità ponderata per l’intero ciclo di vita del prodotto, aggiornamenti e avanzamento del software oltre la generazione del veicolo.
Un’architettura dell’elettronica di un veicolo valutato alcuni anni fa può supportare le funzioni che è in grado di espletare, quindi, le prestazioni e la resilienza dei veicoli possono essere sostanzialmente influenzati da ciò.
La superiorità di un’architettura può essere valutata dalla caratterizzazione del comportamento temporale delle funzioni. Ad esempio, la latenze per i tempi di elaborazione e la comunicazione tramite bus CAN viene influenzata dai tempi di risposta delle attività e dei messaggi e dai ritardi di comunicazione.
Tuttavia, un’analisi del caso peggiore deve essere accompagnata da un’analisi probabilistica. La Figura 2 mostra un esempio di architettura software di una ECU per auto motive.
Figura 2 – Esempio di architettura software di una ECU per auto motive
Le unità di controllo elettronico multi chip core
L’enorme richiesta di potenza di calcolo richiede ECU multi chip core in un singolo package nell’architettura dell’elettronica del veicolo. Inoltre, ciò ha determinato un’innovativa caratteristica attrattiva che consente un’abbondanza di requisiti di sicurezza e l’implementazione di diversi casi d’uso.
Tuttavia, la complessità nella progettazione, nello sviluppo e nella certificazione ricadono anche nelle applicazioni software. Pertanto, gli OEM e i fornitori hanno bisogno di nuovi strumenti e metodologie per la distribuzione e la convalida del prodotto.
La pianificazione e l’analisi della sincronizzazione di tali piattaforme comportano maggiore attenzione negli ambienti automobilistici a causa della crescente necessità di ECU multi chip core operanti in tempo reale.
Una singola ECU può essere trasformata in un microcosmo di “sistemi in rete” sommato a più CPU, in cui viene creata una complessa interdipendenza dovuta all’interscambio di risorse anche nella programmazione indipendente ognuna dall’altra. In seguito, lo sviluppo di protocolli di arbitrato delle risorse potrà essere un obiettivo aperto per ottenere prestazioni prevedibili.
Poiché il cambio di proprietà di software che riguarda molti reparti e diverse aziende è costoso, riciclaggio delle precedenti generazioni di software diventa un grosso ostacolo per i fornitori e i produttori automobilistici nell’evoluzione delle ECU multi chip core.
Le innovative applicazioni automotive embedded
Fin dall’inizio, il settore automobilistico è stato profondamente influenzato dai sistemi embedded.
Il più frequente utilizzo di sistemi embedded in un veicolo comprende dispositivi di iniezione del carburante e di controllo della combustione, Airbag, registratori dati di eventi, sistema di frenata antibloccaggio, cruise control adattivo, scatola nera, drive by-wire, radio satellitare, telematica, controllo di trazione, parcheggio automatico, sistemi di intrattenimento, visione notturna, sensori di collisione, sistemi di navigazione, monitoraggio della pressione dei pneumatici, climatizzazione, ecc.
Il controllo dell’inquinamento e il monitoraggio del sistema sono l’uso avanzato di sistemi embedded nel veicolo. I sistemi di gestione e previsione del traffico sviluppati nelle città metropolitane e la comunicazione machine-to-machine (M2M) o Vehicle-to-Vehicle (V2V), raccolgono facilmente informazioni da fonti distinte per aiutare i conducenti nell’amministrazione del traffico.
La gestione in tempo reale è fattibile solo da una parte del veicolo e della rete che sono i sistemi informatici e di comunicazione integrati.
La soddisfazione del cliente è migliorata grazie all’uso estensivo del monitoraggio di veicoli e flotte, e, conseguentemente, i loro tempi di fermo sono stati ridotti. Inoltre, per il networking multimediale, un sistema di trasporto orientato ai media offre uno strumento efficace ed economico per trasmettere e controllare i dati tra dispositivi coinvolti anche nell’ambiente severo di un veicolo. Molti produttori di veicoli sono già coinvolti in sistemi embedded per sviluppare il controllo del veicolo senza conducente.
In un’evoluzione strategica, in cui sono stati maturati sistemi avanzati di assistenza alla guida e auto a guida autonoma, l’elettromobilità e la connettività del veicolo agli smartphone e alle infrastrutture diventerà una realtà. Durante gli sviluppi dell’architettura elettronica del veicolo sono state poste sfide per l’automazione della progettazione elettronica e dei sistemi embedded, per la sicurezza e autenticazione dei sistemi integrati del veicolo.
I paesi in via di sviluppo hanno bisogno di migliorare gli attuali sistemi di trasporto e le infrastrutture stradali, che andranno ad arricchire i flussi di traffico, la mobilità e la sicurezza attuali e futuri.
Un’applicazione avanzata come i sistemi di trasporto intelligenti (ITS) può aumentare la produttività, la sicurezza e le prestazioni ambientali se installata su trasporti e infrastrutture per lo scambio di informazioni tra strutture.
Applicazioni più avanzate di ITS sono ad esempio i sistemi di orientamento e informazione sui parcheggi e sistemi di prenotazione dei parcheggi, che collegano facilmente informazioni in tempo reale e feedback da altre fonti.
I sistemi intelligenti si sono rivelati vantaggiosi rispetto a un parcheggio convenzionale in quanto rendono disponibili informazioni istantanee sulla disponibilità, sui prezzi e sulle informazioni di navigazione del parcheggio per
autisti. La probabile concorrenza dei conducenti per il raggiungimento del parcheggio idoneo può essere sopraffatta dai sistemi di prenotazioni o dai posti auto garantiti. Ciò è dovuto al fatto che questi sistemi tengono conto degli obiettivi dei conducenti e dei gestori dei parcheggi. Quindi, le entrate del parcheggio saranno aumentate dall’utilizzo efficace delle risorse di parcheggio per ridurre la congestione del traffico. Inoltre, le telecamere associate ad un veicolo rilevano la variazione di colore del semaforo, che viene trasferita ai veicoli successivi per acclimatarne la rapidità ed evitare i rischi di collisione.
Le condizioni meteorologiche possono essere rilevate da tali osservazioni della telecamera. Questo agevola i veicoli adiacenti a bypassare le aree con visibilità inferiore generando micro-mappe meteorologiche in tempo reale. L’identificazione delle targhe e delle loro posizioni GPS stimate può essere
inviata alle stazioni di polizia per individuarle automaticamente confrontando il database di riferimento locale.
Questi sistemi intelligenti possono essere utilizzati per il monitoraggio delle biciclette intelligenti per evitarne il furto ed a salvare vite umane mediante il rilevamento di un incidente tramite un sistema di tracciamento dei veicoli e invio di avviso con un SMS.
I sistemi embedded sono riusciti ad evitare la difficoltà di controllare la velocità in tempo reale del veicolo semplicemente avvisando il conducente dei limiti di velocità e del rilevamento dell’area critica.
Per incrementare la sicurezza del veicolo, il sistema Global Positioning System (GPS) differenziale (DGPS – Differential GPS) consente di migliorare il posizionamento veicolare dimostrando di essere un flessibile, robusto ed affidabile sistema di sicurezza.
La tecnologia delle batterie per veicoli ha un fondamentale ruolo nel campo dei veicoli elettrici. In particolare, il loro utilizzo e la loro gestione stanno ponendo nuovi problemi nell’ambito dell’architettura e del software dei sistemi embedded.
Le criticità più significative delle batterie dei veicoli elettrici sono dovute all’effetto velocità-capacità, ossia, una maggiore velocità riduce la capacità delle batterie durante il processo di ricarica. Inoltre, nell’infrastruttura di ricarica per trasferire l’energia elettrica dalla rete al veicolo elettrico, il sistema embedded svolge importanti compiti di controllo del flusso di potenza e di gestione della batteria.
Conclusioni
Lo sviluppo in rapida crescita dei sistemi embedded semplifica il modo di trasformare interamente sistemi manuali in sistemi “autotrofici”.
Dallo scorso decennio, le innovazioni rivoluzionarie nell’embedded sono state influenzate dalle caratteristiche di spicco del design automobilistico. In seguito, sarà necessario prestare maggiore attenzione ai settori dei veicoli elettrici e dei veicoli autonomi per quanto riguarda i loro ambienti reali, la sicurezza e l’efficienza energetica, che costituiscono l’insieme di fattori più stimolante per i sistemi embedded nel settore automobilistico.
Una serie limitata di problemi può essere risolta dal software programmato nel microcontrollore, ritenuto la chiave nella ricerca embedded.
Inoltre, la complessità delle architetture estremamente eterogenee nell’attuale settore automobilistico richiede l’impiego di potenti processori multi chip core nelle ECU. Sebbene le tecnologie consolidate dei sistemi embedded siano molto sviluppate, ancora oggi alcune sfide emergenti di affidabilità e velocità hanno creato le basi per ulteriori nuove iniziative di ricerca.
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