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01/02/2017

La conectividad proporciona fiabilidad en los coches autónomos


La conectividad proporciona fiabilidad en los coches autónomos

Introducción

Las tecnologías emergentes de 5G inalámbricas y móviles están aportando otro nivel de conectividad a los coches y haciendo que muchas aplicaciones admitan seguridad, eficacia y acceso a Internet. La conectividad es un complemento natural a otros tipos de sensores de automóviles que también se están integrando en vehículos. La comunicación permite a los vehículos intercambiar lo que ven y ampliar su rango de detección, mejorando las decisiones automatizadas. Mientras que la tecnología moderna de comunicaciones y de radar se está abriendo paso rápidamente a las plantas de prueba de validación y producción, los ingenieros y científicos están trabajando activamente en ideas innovadoras para comprender mejor cómo los coches automatizados interactuarán mejor con los objetos no automatizados en la carretera, impulsar la sinergia entre las comunicaciones y el radar vehicular, y diseñar radares de ancho de banda amplia capaces de resolver distancias muy cortas. Para llevar estas tecnologías al mercado, la industria del automóvil debe aprovechar una técnica basada en una plataforma centrada en software que ayude a acelerar las fases de diseño, caracterización y prueba.

Tendencias en tecnologías conectadas al coche

La comunicación inalámbrica está aportando otro nivel de conectividad a los coches. Con la tecnología inalámbrica, los coches pueden comunicarse entre sí directamente en el modo de vehículo a vehículo (V2V), o mediante la infraestructura en el modo de vehículo a infraestructura (V2I). Existen numerosas aplicaciones de conectividad para aportar seguridad, eficacia de transporte y, por supuesto, acceso a Internet. La conectividad es un complemento natural a otros tipos de sensores de automóviles que se están integrando en vehículos. Se lleva investigando la conectividad vehicular al menos veinte años. La técnica de facto es la comunicación especializada de corto alcance (DSRC). Se concibe esta tecnología principalmente como un medio para intercambiar mensajes básicos de seguridad, aunque también tiene aplicaciones en el control del tráfico. La DSRC admite V2V y V2I.

Después de casi 20 años de desarrollo, la DSRC ahora existe en algunos coches en EE. UU., aunque su uso no se extenderá sin un mandato del gobierno. Los vehículos automatizados son de todo tipo, en función del nivel de automatización. En un extremo está la no automatización, donde el conductor controla todo. En el otro extremo, el vehículo controla completamente todo y no hay controles para asistencia humana. En niveles intermedios, ciertas funciones de conducción se automatizan pero el ser humano puede tomar el control. Por ejemplo, en un nivel inferior de automatización, se puede avisar al conductor de una posible colisión frontal. En un nivel mayor de automatización, el coche puede accionar de forma automática los frenos y quizá también realice una maniobra de evasión para evitar la colisión. Aunque la conducción totalmente automatizada se suele llamar “conducción autónoma”, es improbable que la automatización completa pueda suceder simultáneamente con total autonomía, lo que implica ausencia de comunicación. El motivo es que la conducción totalmente automatizada a alta velocidad es difícil sin la comunicación de datos de mapas de alta resolución. La conectividad es un componente fundamental de la automatización vehicular, ya que mejora el rango de detección de los vehículos.

Entre los sensores para la automatización se encuentran el radar de automoción, las cámaras visuales y el LIDAR. El radar se utiliza para el control de crucero automático, para la advertencia de colisión frontal, para la asistencia de cambio de carril, para el aparcamiento y para aplicaciones anticolisión. Las cámaras visuales se utilizan para copias de seguridad seguras, control de puntos ciegos, evitar el adormecimiento y mantenerse en el carril. LIDAR ofrece información de mapas 3D de alta resolución que puede utilizarse para la navegación autónoma, así como para la detección de peatones y bicicletas. Las tres tecnologías son importantes para vehículos totalmente automatizados.

Por ejemplo, Tesla utiliza cámaras visuales para la conducción automatizada por autopistas, mientras que los coches Google utilizan mucho los datos de mapas 3D y LIDAR para la conducción y navegación precisas, y varios radares para ayudar a detectar otros vehículos. El alcance de cada tecnología depende de su configuración y del caso de despliegue. Por ejemplo, en zonas rurales, el radar puede alcanzar los 200 m, el LIDAR 35 m y las cámaras visuales 30 m, pero en zonas urbanas el alcance de todas estas tecnologías disminuye varios metros por la obstrucción de otros vehículos. Esencialmente estos sensores externos se ven limitados por lo que pueden ver. La comunicación permite a los vehículos ampliar su rango de detección aprovechando lo que pueden ver otros vehículos de frente, de atrás o de los lados. Siguen siendo una dificultad los entornos de uso mixto en los que los vehículos tienen distintos niveles de automatización y comunicación. Una técnica consiste en desplegar detección en la estación base, por ejemplo el radar, las cámaras visuales o el LIDAR. A continuación, la información derivada de los sensores puede trans- mitirse a vehículos conectados, facilitándoles el conocimiento de la situación sobre vehículos no conectados y usuarios no vehiculares de calzadas.

La técnica basada en la infraestructura tiene la ventaja de que funciona bien incluso si la mayoría de los otros vehículos no disponen de la capacidad de comunicación. La infraestructura también hará que una parte mayor de la automatización sea más eficaz, por ejemplo para coordinar interacciones de vehículos en cruces sin necesidad de semáforos. Esta detección basada en la infraestructura probablemente se fabricará en torno a las comunicaciones móviles 5G, ya que aumentarán en gran medida las velocidades de datos. Actualmente existe un enorme interés en el uso del automóvil para el 5G. Entre las aplicaciones se encuentran la automatización vehicular, las operaciones y la planificación de transporte y, por supuesto, la información y el entretenimiento. El 5G admitirá 10 veces menos latencias y 10 veces más ancho de banda que las soluciones de 4G, lo que lo hace especialmente adecuado para aplicaciones de automóvil. En particular, la onda milimétrica 5G es especialmente atractiva, por las altas velocidades de datos, que pueden utilizarse para intercambiar datos de sensores sin procesar.

La onda milimétrica para aplicaciones de automoción es uno de los varios temas de investigación continua en la Universidad de Texas en Austin. Otros temas son el codiseño de la comunicación y el radar, el uso de las señales de comunicación de baja frecuencia como medio de bajo coste de radar de automoción, y el uso de la infraestructura basada en la detección para ayudar en la comunicación con ondas milimétricas.

Una técnica basada en plataforma acelera la innovación y acorta el tiempo de comercialización

Los proyectos típicos de ingeniería atraviesan las fases de diseño, caracterización y prueba. Estas fases suelen estar dislocadas y cada una tiene distintas herramientas y técnicas. Para conseguir eficacia de desarrollo en cada fase y una rápida transición a la siguiente, NI ofrece una técnica basada en una plataforma, que reduce las barreras entre cada fase con un entorno unificador gracias a componentes comunes de hardware y software y bien integrados. En el centro de la plataforma de NI está el software LabVIEW. Esta técnica basada en plataforma acelera la productividad y reduce el tiempo empleado en cada fase. Diseño: los ingenieros y científicos del mundo están explorando varias tecnologías de conectividad y detección, con una variedad de frecuencias portadoras y con distintos anchos de banda. Explorar sinergias entre comunicaciones y radares vehiculares requiere entender las soluciones intermedias de diseño que se realizan en capas MAC y PHY.

Para crear rápidamente prototipos para sistemas de comunicaciones y radar, una plataforma debe ofrecer una capacidad de procesamiento y una transferencia de datos muy alta, especialmente para permitir que un prototipo funcione en tiempo real en condiciones del mundo real. Para ofrecer estas capacidades, una plataforma debe tener núcleos paralelos rápidos, un bus de alta velocidad para la transferencia de datos o admitir capacidades de procesamiento de FPGA y, por supuesto, admitir técnicas avanzadas de procesamiento de señales. El LabVIEW Communications System Design Suite (Figura 2), basado en hardware subyacente que ofrece estas capacidades de alto rendimiento, es un entorno de software que aúna distintos pasos de despliegue, desarrollo e investigación en una sola herramienta. Esta serie de software se integra bien con el hardware de radio definida por software, incluyendo uno con una FPGA programable. Los marcos de aplicación LTE y 802.11, incluidos con el LabVIEW Communications System Design Suite, ofrecen diseños de referencia de capa física (PHY) en tiempo real y fácilmente modificables basados en los estándares inalámbricos LTE y 802.11. Estos marcos de aplicación ofrecen un punto de inicio sustancial para que los investigadores hallen modos de mejorar los estándares LTE y 802.11.

Un ejemplo de investigación es explorar nuevos algoritmos y arquitecturas que puedan admitir el gran aumento del número de terminales, inventando nuevas formas de onda por las que modular y desmodular las señales, o encontrar nuevas arquitecturas multiantena que exploten al completo los grados de libertad en el medio inalámbrico. Para admitir el diseño de sensores de radar de enorme ancho de banda, la plataforma de entorno de diseño AWR de NI, concretamente el Visual System Simulator (VSS), ofrece una solución completa de software que permite a los ingenieros diseñar la arquitectura correcta de sistemas y formular especificaciones adecuadas para dichos sensores. Caracterización: los sistemas de radar desempeñan un papel fundamental en los aspectos de fiabilidad y seguridad de vehículos autónomos. Además, los fabricantes de coches y de sensores de radar tendrán que innovar continuamente en funciones para mantener su competitividad en el mercado y satisfacer el panorama normativo en evolución.

Desafortunadamente, no se puede escalar el enfoque tradicional de crear un instrumento de función mixta hecho a medida y probar una categoría concreta de casos. Para aumentar verdaderamente el ámbito de cobertura, no se puede depender de la simulación, sino directamente de hardware y de señales del mundo real. LabVIEW de NI y el transceptor de señales vectoriales PXIe-5646R de NI ofrecen esta flexibilidad mediante su arquitectura diseñada con software, como se muestra en la figura 3 inferior. Los ingenieros pueden programar la FPGA en este dispositivo para emular distintos tipos de objetivos estáticos y móviles de un punto o de varios utilizando la RF integrada y cabezales de radio de onda milimétrica disponibles en el mercado.

NYU recientemente anunció un prototipo de 5G y un sistema de sonido de canales basado en una plataforma de radio definida con software basado en LabVIEW de NI para desarrollar y validar sistemas mmWave. [http://wireless. engineering.nyu.edu/millimeterwave- 5g-prototype-and-channelsounder/]. La industria automovilística también necesita invertir y crear un sistema de sonido de canales mmWave para caracterizar y entender totalmente el impacto de los canales en las comunicaciones vehiculares. Esto incluye, sin limitación, el impacto del bloqueo de vehículos, especialmente si los vehículos de recepción y transmisión se encuentran en distintos carriles y estudiar si los rayos que reflejan otros coches cercanos puede ofrecer buenas alternativas de rutas secundarias a la línea de visión bloqueada. Si pueden utilizarse dichos reflectores, podrían utilizarse tecnologías de detección tradicionales para ofrecer ubicaciones de posibles reflectores y para la formación de rayos dirigidos. Prueba: Dado que la conducción automatizada, y los componentes que la habilitan, es una función relevante para la seguridad, estos sistemas deben someterse a procesos de validación y pruebas complejas y obligatorias. Para satisfacer los retos de dichos procesos, un ingeniero debe poder evaluar varios casos durante las fases de diseño e implementación de la electrónica y la aplicación de la comunicación.

Una plataforma abierta y modular es esencial para ofrecer flexibilidad y adaptabilidad a fin de satisfacer las numerosas condiciones que pueden encontrarse. Como las pilas disponibles comercialmente de 802.11p no permiten la inyección de fallos en el protocolo o normalmente no ofrecen acceso a la lógica interna, S.E.A. Datentechnik GmbH ha desarrollado una pila de protocolos ampliados de 802.11p (MAC y PHY) basados en la plataforma de NI. Esta pila de protocolos ofrece una interfaz de software completa (API) para LabVIEW.

Además de la comunicación en vivo, el 802.11p de S.E.A. ofrece extensiones únicas para probar y manipular, especialmente necesarias para la prueba de desarrollo, verificación y validación a nivel de señales. La pila de protocolos se implementa como código FPGA en el hardware VST de NI para ofrecer procesamiento de datos y señales en tiempo real con capacidad precisa de programación y sincronización El sistema ofrece procesamiento de paquetes no tratados y con impresión de la hora exacta que contiene todos los datos, que se envían a la capa de MAC. La transmisión de paquetes de datos por aire al DUT puede controlarse en puntos precisos del tiempo.

Esto permite una sincronización excelente con otras señales que sintetiza el sistema de prueba, como señales de sensor de GPS, Radar o LIDAR, o datos vehiculares. Los paquetes de datos recibidos del DUT llevan impresión de hora y están disponibles en LabVIEW para futuro procesamiento. El producto Mx-DSRC de Danlaw prueba la interoperabilidad y conformidad de un módulo DSRC en un entorno de vehículo integrado (simulado o real), incluido el bus del vehículo y las capas físicas de 802.11, y la prueba de comunicación DSRC según IEEE1609.4, 1609.3 y 1609.4, y la prueba de nivel de rendimiento como J2945/1.

Es clave para probar el funcionamiento de DSRC confirmar la calidad del enlace de RF y el cumplimiento de las normas que lo definen. Andrew Donaldson, jefe de programa, afirma que Danlaw seleccionó a National Instruments para ofrecer la capacidad de prueba de RF; la WLAN Test Suite de NI y el sistema de prueba basado en PXI subyacente ofrecen todas las funciones necesarias para probar totalmente las capacidades de RF del dispositivo DSRC en prueba.

Resumen

Las tecnologías emergentes de 5G inalámbricas y móviles están aportando otro nivel de conectividad a los coches y haciendo que muchas aplicaciones admitan seguridad, eficacia y acceso a Internet. Los ingenieros y científicos están trabajando activamente en ideas innovadoras para comprender mejor cómo los coches automatizados interactuarán mejor con los objetos no automatizados en la carretera, para impulsar la sinergia entre las comunicaciones y el radar vehicular, y para diseñar radares de ancho de banda amplio capaces de resolver distancias muy cortas. La técnica basada en la plataforma de NI, con una plataforma software basada en software y hardware muy integrados, acelera las fases de diseño, caracterización y prueba, ayudando a los ingenieros a aportar ideas innovadoras al mercado de forma más rápida y así mejorar la experiencia del conductor e incluir la fiabilidad en coches autónomos.

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