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Debriefing al Audi A8

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Las lecciones que Audi ha aprendido de la experiencia de crear el A8, el primer automóvil de nivel 3 autónomo del mundo, siguen siendo relevantes hoy en día. Esto es lo que aprendimos después de que System Plus desmontara el Audi A8.

El análisis reciente del Audi A8 dejó en claro por qué, tanto desde el punto de vista tecnológico como económico, lograr un mayor nivel de autonomía de los vehículos es más difícil de lo que nadie había esperado originalmente. La experiencia de Audi con el A8 sigue siendo relevante hoy.

Cuando Audi lanzó el sedán A8 actualizado a finales de 2017, la compañía lo presentó como el primer automóvil de nivel 3 en la historia de la industria automotriz. Toda la industria automotriz todavía está luchando con problemas tecnológicos y la incomprensibilidad de la estructura generadora de valor, es decir, problemas que Audi estaba enfrentando en ese momento. Un estudio de System Plus proporciona información valiosa sobre varios temas:

  • ¿Qué se necesita para liberar un automóvil del 3er nivel?
  • ¿Qué se incluye en el conjunto de sensores A8?
  • ¿Cuánta potencia informática necesita un automóvil de nivel 3?
  • ¿El controlador de asistencia al conductor central de Audi se llama zFAS basado en GPU, SoC, CPU o FPGA?
  • ¿Cuánto cuesta zFAS?

La experiencia de Audi en el logro de la funcionalidad de tercer nivel utilizando chips ya probados en otras aplicaciones y disponibles en el mercado puede ser instructiva, especialmente en comparación con Tesla, que lanzó su placa Full Self Driving Computer dos años después (2019), que proporciona los sistemas de conducción no tripulados dependen en gran medida de dos chips internos

El procedimiento de desmontaje del sistema Plus incluye un análisis que va más allá de la simple ingeniería inversa y la identificación del hardware. La compañía también realiza un "cálculo de costo inverso", una evaluación de los costos para obtener componentes específicos y crear productos. El cálculo al revés del costo A8 de System Plus muestra que el 60% del costo de zFAS (el costo total se estima en $ 290) está determinado por el costo de los semiconductores. Esto no es sorprendente, ya que el 80-85% de los componentes en los automóviles modernos son electrónicos. Sin embargo, no hay nada sorprendente en este valor.

Precio


La verdadera sorpresa para los fabricantes de equipos originales, dijo Romain Fraux, CEO de System Plus Consulting, es que ni una sola compañía de automóviles estaba moralmente preparada para pagar el 50% por cada componente, al igual que Nvidia, Intel lo hizo. y otras compañías por sus soluciones emblemáticas basadas en chips. Esto abrió la puerta a un mundo completamente nuevo para los fabricantes de automóviles, lo que los llevó a repensar el costo de los automóviles altamente automatizados.

Los precios de System Plus no incluyen los costos de desarrollo de software para vehículos automatizados. Sin embargo, el uso de FPGA (Altera Cyclone) dentro de zFAS muestra el intento de Audi de guardar sus propios activos de software que ya ha desarrollado.

En los últimos 18 meses, algunos de los principales fabricantes de equipos originales han comenzado a insinuar su deseo de desarrollar sus propios chips automotrices independientes, como los de Tesla. Este enfoque les permite decidir su propio destino en términos de desarrollo de hardware y software. Sin embargo, dado el alto costo de desarrollar chips, no está claro si los fabricantes de automóviles OEM deberían hacer esto solos.

Otro aspecto importante del A8 es que Audi fue el primero entre todos los OEM automotrices en lanzar un vehículo comercial en el camino hacia la autonomía.

En el momento del lanzamiento del A8, la tecnología dentro del automóvil se presentó como un "avance en el campo de la conducción automatizada", con el sistema Traffic Jam Pilot. Se supone que cuando se activa el sistema Piloto de atascos de tráfico, una persona se libera de la necesidad de controlar el flujo, donde a menudo necesita gas y detenerse.

Sin embargo, estos mejores planes se enfrentaron con el problema de transferir el control (para advertir y comprometer a una persona distraída en una situación en la que la computadora no podía hacer frente), lo que desde el principio fue indicado por el concepto de automóviles de tercer nivel.

Hoy, el A8 recorre las calles, pero ninguno de estos autos se ha activado y funciona con autonomía del 3er nivel.

Sin embargo, esto no es un reclamo para Audi. El A8 hizo que la industria automotriz entendiera a qué se enfrentaba. Los líderes de la industria deben lidiar con todas las complicaciones regulatorias, técnicas, de comportamiento, legales y comerciales antes de que puedan hablar sobre un futuro utópico con vehículos no tripulados. Esto explica en parte el creciente interés en desarrollar estándares de seguridad entre los fabricantes de automóviles, los principales actores del mercado, los proveedores de chips y las empresas de tecnología y servicios (como Waymo y Uber).

A8 debajo del capó


El desafío para los fabricantes de automóviles ya no será ofrecer la velocidad máxima o una mejor aceleración de cero a 100 km / h, sino proporcionar asistencia al conductor cada vez más sofisticada y sistemas de conducción autónomos. Este es el objetivo del Audi A8 con un sistema de conducción autónomo de tercer nivel, el primero en usar lidars.

Los sensores A8 también incluyen cámaras, radares y sensores ultrasónicos. El Audi A8 podrá manejar en las carreteras más transitadas sin la intervención del conductor. Audi indica que el conductor siempre puede mantener sus manos en el volante y, según las leyes y regulaciones locales, puede participar en otras actividades, como mirar televisión a bordo. Un vehículo puede resolver la mayoría de los problemas que surgen en el camino, pero la intervención humana es necesaria (Fig. 1).

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Figura 1: elementos clave del Audi A8

Fro comentó sobre la lista de tecnologías innovadoras del Audi A8: "Audi es el primer automóvil con un tercer nivel de autonomía". El sistema Traffic Jam Pilot instalado en el Audi A8 se responsabiliza de conducir en flujo lento a velocidades de hasta 60 km / h en autopistas y autopistas, utilizando una combinación de sensores y el primer escáner láser del mundo. (Nota: esta función de tercer nivel todavía no está activada).

Nivel 3 Autonomía y plataforma informática


La tecnología digital puede realizar las mismas tareas que el conductor, al tiempo que proporciona una mayor seguridad y comodidad de conducción. El objetivo a largo plazo es crear carreteras totalmente conectadas en red: una red inteligente automotriz. La congestión del tráfico y la contaminación ambiental se reducirán, lo que conducirá a un aumento significativo de la seguridad.

La conducción autónoma se está convirtiendo en un tema cada vez más relevante en el mundo del automóvil; En la agenda hay noticias sobre el progreso y las innovaciones en esta área. El nivel 3 utilizado para el Audi A8 se caracteriza por una conducción altamente automatizada. El sistema puede salvar al conductor de la necesidad de un control constante sobre el movimiento longitudinal y transversal del automóvil.

Fro dijo: "El Audi A8 consta de una variedad de sensores y un controlador zFAS con cuatro procesadores ensamblados por Aptiv". zFAS (Fig. 2) es la primera plataforma informática centralizada. La computadora como unidad central procesa en tiempo real las señales de los sensores ultrasónicos (frontal, posterior y lateral), cámaras de 360 ​​grados (retrovisores frontales, posteriores y laterales), radar de alcance medio (en cualquier ángulo), así como datos del radar. escáner láser y de largo alcance en la parte delantera del vehículo.

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Figura 2: Controlador Aptiv zFAS

Un montón de procesadores en zFAS


Uno de los procesadores que componen la plataforma es el Nvidia Tegra K1, utilizado para el reconocimiento de semáforos, detección de peatones, advertencia de colisión, detección de luces y reconocimiento de carril. Tegra K1 con PCB de 8 capas contiene 192 núcleos Cuda, tantos como Nvidia se integra en un módulo SMX dentro de las GPU Kepler actualmente en el mercado (Figura 3) con soporte para DirectX 11 y OpenGL 4.4.

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Figura 3: Nvidia Tegra K1

La presencia de un procesador muy potente en un automóvil es de gran importancia cuando se trata de la cantidad de sensores incorporados. El procesador Intel / Mobileye EyeQ3 es responsable del procesamiento de imágenes. Para cumplir con los requisitos de energía y rendimiento, los sistemas de chips EyeQ están diseñados con un estampado más fino. Hablando de Eye3, Mobileye usa 40 nm CMOS, mientras que la compañía usará sistemas FinFET de 5ta generación de 7 nm basados ​​en el chip EyeQ5. Cada chip EyeQ está equipado con aceleradores uniformes y totalmente programables; Además, cada tipo de acelerador está optimizado para su propia familia de algoritmos.

Curiosamente, el Nvidia Tegra K1 y Mobileye EyeQ 3 no pueden hacer frente a todas las tareas ADAS que se esperan para los automóviles de Nivel 3. Dentro de zFAS, hay Altera Cyclone para el preprocesamiento de datos e Infineon Aurix Tricore para monitorear las operaciones de seguridad. La familia de dispositivos FPGA de Altera Cyclone se basa en 1,5 V, 0,13 micras, RAM estática de cobre multicapa, con una densidad de hasta 20.060 elementos lógicos y posee hasta 288 kbps de RAM.

La arquitectura Infineon Aurix está diseñada para optimizar el rendimiento en plantas de energía y sistemas de seguridad automotriz. TriCore es la primera arquitectura unificada de microcontrolador de procesamiento de señal digital de un solo núcleo de 32 bits optimizada para sistemas embebidos en tiempo real.

Sensores en el Audi A8


En el mundo del automóvil, los sistemas avanzados de asistencia al conductor se han convertido en una necesidad para todos los automóviles nuevos que desean una calificación más alta de Euro NCAP. En la primera página, en la Figura 1, pudimos encontrar una lista detallada de los dispositivos Audi A8 encontrados por System Plus. "Los fabricantes están desarrollando radares cada vez más eficientes, podemos distinguir una serie de empresas en el mercado: Aptiv, Veoneer, ZF, Valeo, Bosch, Mando, Denso y Ainstein", dijo Fro.

En particular, en el Audi A8 podemos ver la cámara de automóvil de visión nocturna Autoliv de tercera generación, la cámara frontal Aptiv Lane Assist, el escáner láser Valeo Scala, el radar de largo alcance Bosch LRR4 77GHz, el Aptiv R3TR 76 GHz como un radar de rango medio, montado a la derecha e izquierda en la parte delantera y trasera del automóvil ".

La cámara de visión nocturna Autoliv consta de dos módulos: una cámara y un procesador remoto (Fig. 4). La cámara de visión nocturna por infrarrojos Autoliv consta de un microbolómetro FLIR de 17 micrones de alta resolución basado en óxido de vanadio ISC0901. El dispositivo se basa en un enfoque de ingeniería con un sistema óptico complejo y un moderno sistema de procesamiento numérico basado en una matriz de PPVM y un algoritmo especializado.

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Figura 4: Cámara de automóvil de visión nocturna de tercera generación Autoliv

La cámara frontal Aptiv Lane Assist está montada en el espejo retrovisor y tiene un alcance de 80 metros con una frecuencia de 36 cuadros / seg. La cámara utiliza un sensor de imagen CMOS de 1.2 megapíxeles provisto por On Semiconductor y un microcontrolador PIC de 8 bits de Microchip. La unidad de control zFAS proporciona control de software para el procesamiento y reconocimiento de imágenes utilizando el chip de procesamiento Mobileye EyeQ3 (Fig. 5).

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Figura 5: placa de circuito Aptiv Lane Assist cámara frontal placa de circuito

El LRR4 es un radar multimodo con seis antenas fijas de Bosch. Cuatro antenas ubicadas en el centro proporcionan una grabación de alta velocidad del entorno, creando un haz enfocado con un ángulo de apertura de ± 6 grados con mínima interferencia con el tráfico en carriles adyacentes. En el campo cercano, dos antenas externas LRR4 expanden el campo de visión a ± 20 grados, proporcionando un alcance de 5 metros con la capacidad de detectar rápidamente los vehículos que entran o salen del carril (Fig. 6).

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Higo. 6: Sensor de radar de largo alcance (Imagen: System Plus).

El sensor de radar de corto alcance de Aptiv consta de dos transmisores y cuatro canales de recepción y funciona en la banda de frecuencia de 76-77 GHz, que es estándar para los radares de automóviles. La placa de circuito utiliza un circuito integrado de microondas monolítico (MMIC) y un resonador de guía de onda. En el sustrato de la placa de circuito impreso (PCB) de radiofrecuencia (RF), se utiliza un laminado a base de hidrocarburos de cerámica reforzada con vidrio que no contiene PTFE (Fig. 7 y 8).

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Figura 7: Descripción general del radar Aptiv R3TR 76 GHz de corto alcance Figura 8: Tarjeta electrónica de radar Aptiv R3TR 76 GHz de corto alcance

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Tecnología Lidar


Un elemento clave del Audi A8 es el LIDAR. Esta es la primera vez que un fabricante de automóviles utiliza un escáner láser. Este lidar se basa en un sistema mecánico con un espejo giratorio y una longitud de onda de 905 nm y utiliza tecnología de radiación en los bordes. El dispositivo tiene un alcance de 150 metros con un ángulo de visión de 145 ° horizontalmente y 3.2 ° verticalmente. El dispositivo de control del motor consta de un estator, un rotor con una unidad de control y un sensor Hall MPS40S para la detección de movimiento. El sensor Hall cambia su voltaje de salida en respuesta a un campo magnético. Esta es una solución a largo plazo, ya que no hay piezas mecánicas que puedan desgastarse con el tiempo. Un circuito integrado reduce el tamaño del sistema y la complejidad relativa de la implementación (Fig. 9, 10, 11).

Los sistemas Lidar se basan en el tiempo de vuelo (ToF), que permite la medición precisa de eventos relacionados con el tiempo (Fig. 12). Los desarrollos recientes han permitido la creación de varios sistemas lidar multitrayectoria que forman una imagen tridimensional precisa del entorno alrededor del vehículo. Esta información se utiliza para seleccionar las maniobras de conducción más adecuadas.

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Figura 9: escáner láser (Imagen: System Plus)

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Figura 10. Interior del escáner láser

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Figura 11: Diagrama de bloques del escáner láser

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Figura 12: Gráfico funcional del tiempo de vuelo (Figura: Maxim Integrated)

Los láseres de radiación de borde son una forma original y aún ampliamente utilizada de láseres semiconductores. Su longitud resonante permite lograr una alta ganancia. El rayo láser dentro de la estructura generalmente se dirige a un sistema de guía de ondas doble y homogéneo. Dependiendo de las propiedades físicas de la guía de onda, es posible lograr una salida con alta calidad de haz, pero potencia de salida limitada o alta potencia de salida, pero baja calidad de haz (Fig. 13).

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Figura 13: Diodo láser de borde

El láser utilizado en el sistema lidar tiene un paquete de tipo TO de 3 pines con un área de matriz de 0.27 mm2, como se muestra en la Fig. 13. La potencia del láser es de 75 vatios y tiene un diámetro de 5,6 mm. "Probablemente fue hecho por Sheaumann para componentes láser en una placa de 100 mm", dijo Fro. El dispositivo de coincidencia utiliza un fotodiodo de avalancha (APD) para recibir un rayo láser después de pasar a través de dos lentes: una que transmite y otra que recibe. "El APD probablemente esté hecho por el primer sensor en una placa de 150 mm con un paquete FR4 LLC de 8 pines y un área de conexión de 5.2 mm (Figura 14)", dijo Frau.

APD es un fotodiodo de alta velocidad que utiliza un fotomultiplicador para producir una señal de bajo ruido. El APD logra una mejor relación señal / ruido que el fotodiodo PIN y se puede utilizar en una amplia gama de aplicaciones (como telémetros de alta precisión y detectores de poca luz). Desde un punto de vista electrónico, APD requiere un voltaje inverso más alto y una consideración más detallada de sus características de ganancia dependientes de la temperatura.

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Figura 14: Fotodiodo de avalancha (APD)

Además de dos unidades de control de movimiento y láser, el equipo de control también consta de una placa principal que consta de un procesador ARM Cortex-A9 Xilinx XA7Z010 SoC de doble núcleo, un microcontrolador STMicroelectronics SPC56EL60L3 de 32 bits y un sistema de administración de energía que consiste en un regulador descendente síncrono de ADI, un refuerzo inteligente de dos canales interruptor de encendido de Infineon, un chip reductor monolítico triple con LDO de ADI y un controlador de ventilador sin sensor de chip trifásico de Allegro. El protocolo FlexRay proporciona intercambio de datos. El sistema FlexRay consta de varias unidades de control electrónico, cada una de las cuales está equipada con un controlador que controla el acceso a uno o dos canales de comunicación.

El cálculo del costo de uno de estos sistemas lidar con un volumen de> 100,000 unidades / año puede alcanzar los 150 dólares estadounidenses, mientras que una parte importante está conectado con la placa de la unidad principal y el láser (Figura 15).

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Figura 15: Equipo de escáner láser desmontado

En un proyecto que usa lidares, un amplificador de transimpedancia es la parte más importante de un sistema electrónico. Bajo ruido, alta ganancia y recuperación rápida hacen que los nuevos dispositivos sean ideales para aplicaciones automotrices. Para lograr el máximo rendimiento, los diseñadores deben prestar especial atención al emparejamiento e integración de circuitos, longitudes de onda y alineamiento óptico-mecánico. Estos circuitos integrados cumplen con los requisitos de seguridad automotriz más estrictos de acuerdo con las calificaciones AEC-Q100.


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