ADAS-experts denken na over sensorintegratie in toekomstige voertuigen

Er is misschien nooit één enkele, meest effectieve manier om detectietechnologie te implementeren voor geassisteerde rijsystemen (ADAS) en autonome voertuigen (AV). Het magische getal zou in plaats daarvan zes kunnen zijn - zoals in zes fundamentele overwegingen die elke autofabrikant op zijn eigen manier zal beslissen, wat ertoe zal leiden dat elk zijn eigen unieke benadering creëert voor het integreren van sensoren in toekomstige voertuigen. Tijdens de slotsessie van de virtuele conferentie AutoSens Brussels 2020 debatteerde een panel van experts over de juiste sensormix en hoe ervoor te zorgen dat design nooit ten koste gaat van de veiligheid - en vice versa.

De panelleden waren Patrick Denny, senior expert op het gebied van vision-systemen en geavanceerde rijhulpsystemen bij auto-inbouwleverancier Valeo; Paul-Henri Matha, technisch leider bij Volvo Car Corp.; Robert Stead, directeur bij Sense Media Group; en Carsten Astheimer, directeur van ontwerpbureau Astheimer Ltd. EE Times Europe nam ook contact op met Pierrick Boulay, technologie- en marktanalist bij Yole Développement (Lyon, Frankrijk), voor Yole's inzichten over de acceptatie en het gebruik van verschillende sensortypen in autosystemen.

Het juiste nummer krijgen

In het hele voertuig worden steeds meer sensoren ingezet om veiligheidsproblemen proactief aan te pakken. Hoeveel sensoren hebben we tegenwoordig in auto's en hoeveel hebben we nodig om verder te gaan naar een hoger niveau van autonomie? "Als we rekening houden met sensoren voor ADAS - ultrasoon, radar, camera voor detectie, camera voor weergave en LiDAR - schatten we dat een voertuig tussen de 10 en 20 sensoren heeft, afhankelijk van het type voertuig", vertelde Yole's Boulay aan EE Times . Uiteraard bevatten high-end voertuigen meer sensoren dan low-end voertuigen of voertuigen die zich in het midden van het prestatie- en functiebereik bevinden.

Sensoren zullen cruciaal zijn voor het ontsluiten van hoge automatiseringsniveaus, en het aantal en type sensoren zal naar verwachting toenemen. "We verwachten dat 35 tot 40 sensoren zullen worden geïmplementeerd voor deze automatiseringsniveaus", aldus Boulay. "Sensoren zullen specifieker zijn, omdat we sensoren zullen zien voor toepassingen op korte, middellange en lange afstand. Eén sensor kan niet alle toepassingen dekken. Elke toepassing of use case heeft zijn specificaties en eisen op het gebied van sensoren.”

Het toenemende aantal sensoren is slechts het topje van de ijsberg. Sensoren genereren een hoop data en systemen worden zwaar beperkt door de verwerkingskracht. In de toekomst zal het hebben van voldoende rekenkracht om alle door deze sensoren gegenereerde gegevens te verwerken een belangrijk kenmerk zijn, zei Boulay. "Terwijl typische ADAS-systemen met Intel-Mobileye-chips de sprong maakten tussen 0,25 TOPS [10× de prestaties van een high-end laptop] en 2,5 TOPS voor de nieuwe EyeQ4-chip, zijn robotauto's al meer dan 250 TOPS", zei hij. Uiteindelijk zal "de E/E [elektrische/elektronische] architectuur van een voertuig moeten veranderen van een gedistribueerde architectuur naar een gecentraliseerde architectuur met domeincontrollers, die de fusie van onbewerkte gegevens afkomstig van de sensoren kunnen beheren."

Dus hoe meer sensoren, hoe beter? "Sommigen denken dit misschien, maar het aantal sensoren in auto's zal niet onbeperkt toenemen, om kosten- of integratieredenen", zegt Boulay, die verwacht dat het aantal sensoren voor automatisering op een gegeven moment zal stabiliseren. “Het grootste verschil zit hem op softwareniveau en het vermogen van bedrijven om de enorme hoeveelheid data efficiënt te verwerken. Sommige OEM's, zoals Tesla, maken nog steeds geen gebruik van LiDAR en zetten in op de combinatie van sensoren en AI-computing om hoge automatiseringsniveaus te bereiken."

Objectief gezien:"sommige OEM's zullen het beter doen dan andere met minder sensoren, en het verschil zal zijn op software- en computerniveau", voegde hij eraan toe.

De mix optimaliseren

Een voertuig kan het ene moment onder een grote blauwe lucht rijden en het andere moment door een regenbui. Sensoren moeten constant beschikbaar zijn om variabelen te meten en te monitoren. Een efficiënte manier om de beschikbaarheid te verbeteren, is door redundante sensoren in te zetten om mogelijke storingen te compenseren. "Er moet meer dan één manier zijn om naar de omgeving te kijken", zei Denny van Valeo tijdens de panelsessie. "Als je in volledige duisternis bent of als je slechte weersomstandigheden hebt, heb je verschillende modaliteiten en functies nodig om samen te werken."

Sensoren helpen in situaties waarin het menselijk zicht benadeeld is, en de diversiteit aan sensoren maakt de auto betrouwbaar in alle weers- en lichtomstandigheden. "Camera's zijn overdag goed", zei Boulay, terwijl 's nachts of in de mist of regen, "andere sensoren niet 'blind' zijn [zoals camera's], en het voertuig kan nog steeds bewegen, zelfs als het in een gedegradeerde modus.”

Zorgen voor de juiste plaatsing

Net als menselijke zintuigen, moeten sensoren strategisch worden geplaatst om continu informatie over de omgeving van de auto terug te sturen. Maar er zijn technische beperkingen aan waar de sensoren kunnen worden geplaatst. Condensatie in een koplamp kan bijvoorbeeld voorkomen dat LiDAR's werken. Bij sneeuw of koud weer kan vorst tot een storing van de sensor leiden. Infraroodsensoren kunnen niet door glas heen kijken en kunnen niet achter een voorruit worden geplaatst. Evenzo kan het schilderen over een ultrasone sensor de akoestische eigenschappen veranderen, zei Denny.

Het stroomverbruik van sensoren is ook een belangrijke uitdaging, zegt Matha van Volvo. “Elke sensor verbruikt tussen de 1 en 10 W. Als je alle sensoren voor ADAS-functionaliteiten toevoegt, kun je 100 of 200 W bereiken, en tot 4 g CO₂ . We moeten het stroomverbruik verminderen. [Bijvoorbeeld], misschien is de functionaliteit van de sensor niet altijd actief.”

Thermisch beheer is een andere beperking om te overwegen. Achter een voorruit kan de temperatuur oplopen tot 90 ° C en geschikte sensoren zijn mogelijk niet beschikbaar, zei Matha. "Als je ze in een andere ruimte plaatst, bijvoorbeeld in koplampen, hebben we enkele koelsystemen, maar dat is complex en duur."

Simulaties en rijtests kunnen helpen bij het bepalen van de beste positie voor een sensor, aldus de panelleden.

Bovenal, zei Yole's Boulay, "de positie van sensoren hangt nauw samen met de use-cases waarop OEM's zich richten. Van wat we momenteel zien bij voertuigen die LiDAR implementeren voor geautomatiseerd rijden op snelwegen, bevindt de LiDAR zich in een centrale positie, bijna uitgelijnd met de ADAS-camera en de langeafstandsradar. Voor andere gebruikssituaties, zoals parkeren of rijden in de stad, zal de positie van deze LiDAR-units anders zijn en zullen ze naar verwachting aan de zijkant of de hoeken van voertuigen zijn.”

Esthetisch integreren

Volvo-auto's integreren momenteel 20 soorten sensoren, zei Matha. Velen van hen zijn volledig verborgen. Op de Volvo XC90 zit bijvoorbeeld de voorwaartse parkeercamera in de grille, terwijl de zijcamera's in elke buitenspiegel zijn geplaatst en de achterwaarts gerichte camera boven de kentekenplaat. "We kunnen sensoren integreren en ze er mooi uit laten zien", zegt Matha.

Camera aan de voorzijde in de Volvo XC90 (Bron:Volvo)

Maar moeten we de sensoren per se verbergen? Kunnen ze geen functie zijn?

Voor Astheimer geldt dat als de auto een intelligent product is, hij er ook zo uit moet zien en "niet alles mag worden verborgen". Sensoren zijn klein genoeg om volledig geïntegreerd te worden en zijn nu bijna onmerkbaar. Naarmate we echter de volledige autonomie naderen, waarbij auto's zelf rijden, zullen sommige sensoren "extreem prominent moeten zijn". Een 360° LiDAR moet volledig zichtbaar zijn en zijn positie accepteert geen compromis.

Wat nog belangrijker is, Astheimer benadrukte de noodzaak voor ontwerpers en ingenieurs om samen te werken om sensoren te laten passen bij de identiteit van het voertuig. De Deliver-E, een prototype van een elektrisch bestelvoertuig dat mede is ontwikkeld door Warwick Manufacturing Group (WMG), de Universiteit van Warwick en Astheimer, integreert camera's in de zijkanten van het voertuig en plaatst de LiDAR prominent achter in de auto.

Gevraagd naar de relevantie van het concentreren van sensoren in een externe pod, citeerde Boulay Magneti Marelli's Smart Corner, die plaats biedt aan sensoren zoals LiDAR's, radars, camera's en ultrasoon, evenals op LED-gebaseerde verlichtingsfuncties zoals adaptieve bundel en digitale lichtverwerking. "Het zou voor OEM's gemakkelijker kunnen zijn om deze pods tijdens het productieproces te integreren, maar in het geval van een ongeval zouden de kosten om deze pods te repareren of te vervangen voor verzekeringen of consumenten extreem hoog zijn", zei hij. “Er zal een balans moeten worden gevonden tussen integratie, herstelbaarheid en kosten.”

Cognitieve overbelasting verminderen

De mens-machine-interface (HMI) overbrugt niet alleen de bestuurder en de auto, maar verbindt de bestuurder ook met de buitenwereld. Het risico is dat de bestuurder wordt afgeleid door alle functionaliteiten en essentiële rij-informatie misloopt.

Volta Trucks' Zero elektrische bestelwagen (Bron:Volta Trucks)

Astheimer was betrokken bij het ontwerp van de Zero elektrische bestelwagen van Volta Trucks en realiseerde zich hoe belangrijk het is om de waakzaamheid van de chauffeur te vergroten. "Hoewel zware voertuigen in Londen minder dan 4% van het totale verkeer uitmaken, zijn ze verantwoordelijk voor meer dan 50% van de sterfgevallen onder kwetsbare weggebruikers, d.w.z. voetgangers en fietsers", zei hij. Daar zijn twee hoofdredenen voor:het gebrek aan directe zichtbaarheid en de cognitieve overbelasting.

"Cognitieve overbelasting is een enorm probleem", zegt Astheimer. "We moeten ervoor zorgen dat ECU's [elektronische regeleenheden] en CAN [controller area network]-systemen de juiste signalen kunnen lezen en informatie op de duidelijkste en meest vereenvoudigde manier kunnen weergeven, of het nu tactiel, audio of visueel is."

Veiligheid cool maken

Verwijzend naar een panelcommentaar op een eerdere AutoSens-conferentie, vroeg Stead de panelleden of "veiligheid cool maken" de sleutel is tot het verkopen van geconnecteerde auto's.

“Wij doen zaken met veiligheid”, zegt Matha. “Onze klanten willen veiligheid en dat kunnen we alleen met sensoren. We moeten dus mooie auto's maken met sensoren.”

Er is nog een andere dimensie om over na te denken. Gebruikers moeten het intelligentieniveau van hun eigen auto begrijpen om alert te blijven op weggebruikers en hun omgeving. "Door het product steeds veiliger te maken, houdt u de bestuurder op afstand van wat het voertuig aan het doen is", zegt Astheimer. “Door het voertuig nog meer autonomie te geven, help je de bestuurder met de simpele dingen, maar maak je de moeilijke dingen moeilijker. De bestuurder is niet langer oplettend omdat het voertuig steeds meer doet.”

Het is essentieel dat de sensoren, en de feedback daarvan, de bestuurder helpen om zich bewust te blijven van wat er gaande is "in plaats van hem alleen maar van de buitenwereld af te schermen", zei Astheimer.

Een nieuw boek, AspenCore Guide to Sensors in Automotive:Making Cars See and Think Ahead , met bijdragen van toonaangevende denkers in de veiligheids- en auto-industrie, luidt de vooruitgang van de sector in en identificeert de resterende uitdagingen van de technische gemeenschap. Het is nu verkrijgbaar in de EE Times-boekhandel.

>> Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op onze zustersite, EE Times.