Sensore ottico multifunzione per funzioni di comfort e sicurezza su veicolo

Author(s):
N. Pallaro - CENTRO RICERCHE FIAT
R. Finizio - CENTRO RICERCHE FIAT
C. Carvignese - CENTRO RICERCHE FIAT
D. Capello - CENTRO RICERCHE FIAT
L. Liotti - CENTRO RICERCHE FIAT
G. Ghisio - MAGNETI MARELLI SISTEMI ELETTRONICI
A. Nepote - MAGNETI MARELLI SISTEMI ELETTRONICI
G. Monchiero - MAGNETI MARELLI SISTEMI ELETTRONICI

Industry:
Automotive

Products:
LabVIEW, Compact FieldPoint

The Challenge:
Integrare su un singolo sensore ottico molteplici funzioni automotive per il monitoraggio dei parametri ambientali e per il rilievo della scena frontale. Sviluppare una soluzione di ‘archictectural rapid prototyping’ per la dimostrazione delle funzioni su veicolo.

The Solution:
Integrazione multifunzionale su un singolo sensore di visione in tecnologia CMOS mediante partizione dell’area sensibile e sistema di microottiche. Allestimento di un veicolo dimostratore con controllore NI Compact FieldPoint per interfacciare il sensore e la relativa un’unità di elaborazione immagini con l’architettura veicolo.

Il Centro Ricerche Fiat ed in particolare l’Ente di Micro & Nanotecnologie è impegnato nello sviluppo di una nuova generazione di sensori elettro-ottici multifunzionali. L’approccio innovativo è quello di integrare su un singolo sensore di visione CMOS sia le funzioni di “sensing” sia quelle di “imaging”. L’integrazione multifunzionale consiste in una partizione fisica dell’area sensibile della matrice CMOS in sottoaree, ciascuna delle quali è dedicata ad una o più funzioni ed è caratterizzata dal proprio canale ottico avente direzione e campo di vista specifici. Per alcune funzioni (ad esempio nebbia, pioggia, appannamento) le tecniche di misura sono di tipo attivo cioè si basano sull’utilizzo di emettitori.

I principali vantaggi derivanti dall‘approccio proposto sono:
• Elevata integrazione funzionale;
• Gestione con un’unica elettronica di elaborazione;
• Riduzione numero di sensori e componenti;
• Semplificazione montaggio e cablaggio su veicolo;
• Riduzione costi.

Nell’ambito di un contratto di cooperazione e sviluppo tra CRF e Magneti Marelli Sistemi Elettronici è stato sviluppato nel 2006-2007 un prototipo funzionale del sensore ottico multifunzione MFOS (Multifunctional optical sensor) a quattro funzioni (crepuscolo, rilievo tunnel/ponti, nebbia e incrocio veicolo) (Figura 1) ed è stato allestito un veicolo dimostratore FIAT Idea (Figura 2).
L’evoluzione del sensore multifunzione può prevedere anche l’integrazione delle funzioni pioggia, appannamento e solare e pertanto i sistemi veicoli coinvolti nelle strategie di attuazione relative alle funzioni integrabili nel sensore MFOS sono principalmente tre: illuminazione, tergitura e clima.

L’integrazione del sensore MFOS e della relativa unità di acquisizione ed elaborazione immagini (IPU-Image Processing Unit) nell’architettura di un nuovo veicolo richiede alcune modifiche hardware (interfaccia clima) e software (mappa messaggi su A-bus e B-CAN).

Per l’allestimento di un veicolo dimostratore (Fiat Idea) con il sensore MFOS non si è voluto percorrere questa strada, ma al contrario si è preferito interporre tra l’IPU ed i nodi un modulo hardware di interfacciamento (VIU-Vehicle Interface Unit) che emulasse il funzionamento dell’architettura standard in modalità manuale (accensione/spegnimento manuale mediante pulsante o leva di fari e fanali, fendinebbia e retronebbia, abbaglianti, tergicristalli, disappannamento, climatizzazione) e al tempo stesso consentisse l’operatività in automatico del sensore MFOS.

I principali requisiti del modulo VIU erano i seguenti:
• Gestione dei segnali che interessano l’IPU, i sistemi a bordo veicolo (centralina devioguida, body computer, centralina Clima), il sensore solare, i selettori elettrici (pulsanti su plancia, leve e ghiere su devioguida, interruttori) per la selezione delle funzioni (modalità manuale o automatica) ed i LED indicatori di attivazione o diagnostica (presenti su plancia pulsanti MFOS)
• Distribuzione ai nodi delle strategie di attuazione sulla base dei dati provenienti su bus seriale dalla IPU
• Flessibilità nella gestione del condizionamento ed acquisizione dei segnali
• Funzionamento real-time con cicli a diversa priorità in particolare dei digital I/O e degli analog I/O relativi all’interfaccia veicolo e della comunicazione seriale con la IPU
• Robustezza e resistenza a vibrazioni, temperatura ed umidità per operatività su veicolo
• Possibilità di ripristino dell’architettura di cablaggio originaria mediante esclusione della VIU
• Modularità in modo da poter prevedere in futuro ulteriori espansioni

In figura 3 è riportato lo schema a blocchi dell’architettura utilizzata per l’allestimento del veicolo dimostratore. Come accennato in presenza il modulo VIU si interpone tra la centralina IPU del sensore MFOS e le centraline interessate alle funzioni del sensore.

Si è deciso di impiegare come VIU un Compact FieldPoint di National Instruments, inserita all’interno di una scatola a chiusura ermetica (Figura 4), composta di un controllore della famiglia cFP-2120 e 4 moduli installati sul backplane: (1) Digital Input Module cFP-DI-304 con 32 canali d’ingresso di tipo sinking e intervallo d’ingresso in tensione da 10 a 30 VDC, (2) Digital Output Module cFP-DO-403 con 16 canali d’uscita di tipo sinking e intervallo d’uscita da 5 a 30 VDC, (3) Analog Input/Output Combination Module cFP-AIO-610 con 4 canali d’ingresso a 12 bits intervallo di ingresso da 0 a 5V e con 4 canali d’uscita a 12 bits e intervallo d’uscita da 0 a 10V, (4) cFP-PWM-520 con 8 canali di uscita e intervallo d’uscita di tipo sourcing da 5 a 30V.

Nell’applicativo software sul target real-time sono state incluse alcune variabili di rete condivise (network shared variable) con un sistema host (laptop) connesso mediante Ethernet per fini di diagnostica e sperimentazione.

Il sensore è stato validato con successo in differenti scenari stradali (urbani, extraurbani, autostradali, con tunnel, ponti), condizioni ambientali (giorno, notte, alba, tramonto) e metereologiche (nebbia, pioggia, sereno, nuvoloso). Tra le funzioni dimostrate il rilievo della visibilità (nebbia) per l’attuazione in automatico dei fendinebbia e retronebbia rappresenta una novità non essendo ancora disponibile sul mercato un sensore automotive per questa funzione.

CONCLUSIONI

L’integrazione multifunzionale a livello di sensore o di package è una sfida nella quale sono impegnati i costruttori automobilistici, i sistemisti ed i fornitori di componenti.
Il sensore ottico multifunzione MFOS a 4 funzioni (crepuscolo, rilievo tunnel/ponti, nebbia e incrocio veicolo) ha dimostrato in particolare i vantaggi dell’integrazione su un singolo sensore di visione, partendo dal presupposto che in un immediato futuro le auto integreranno almeno una telecamera nello specchietto retrovisore per funzioni di comfort e sicurezza.
Per questo motivo il sensore sviluppato rappresenta solo un punto di partenza: l’evoluzione dei sensori CMOS e delle tecnologie di packaging ottico renderanno sempre più competitivo l’approccio proposto in risposta all’esigenza di integrare un sempre crescente numero di funzioni.
Le soluzioni di rapid prototyping architetturale consentono infine l’integrazione e la dimostrazione di nuovi sensori su veicolo in modo flessibile e modulare.

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N. Pallaro
CENTRO RICERCHE FIAT
nreo.pallaro@crf.it

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