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Revisitando o Audi A8

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As lições que a Audi aprendeu com a experiência de criar o A8, o primeiro carro autônomo de Nível 3 do mundo, permanecem relevantes hoje. Aqui está o que aprendemos depois que o System Plus desmontou o Audi A8.

A análise recente do Audi A8 deixou claro por que, tanto do ponto de vista tecnológico quanto econômico, alcançar um nível mais alto de autonomia dos veículos é mais difícil do que se esperava. A experiência da Audi com o A8 permanece relevante hoje.

Quando a Audi lançou o sedan A8 atualizado no final de 2017, a empresa o apresentou como o primeiro carro de nível 3 da história da indústria automotiva. Toda a indústria automobilística ainda está enfrentando problemas tecnológicos e a incompreensibilidade da estrutura geradora de valor, isto é, problemas que a Audi estava enfrentando na época. Um estudo do System Plus fornece informações valiosas sobre vários problemas:

  • O que é necessário para liberar um carro do 3º nível?
  • O que está incluído no conjunto de sensores A8?
  • Quanta potência de computação um carro de nível 3 precisa?
  • O controlador de assistência ao motorista da Audi chamado zFAS é baseado em GPU, SoC, CPU ou FPGA?
  • Quanto custa o zFAS?

A experiência da Audi em alcançar a funcionalidade de terceiro nível usando chips já testados em outras aplicações e disponíveis no mercado pode ser instrutiva - especialmente em comparação com a Tesla, que lançou sua placa Full Self Driving Computer dois anos depois (2019), para fornecer sistemas de direção não tripulados dependem fortemente de dois chips internos

O procedimento de desmontagem do System Plus inclui análises que vão além da simples engenharia reversa e identificação de hardware. A empresa também realiza um “cálculo de custo reverso” - uma avaliação dos custos para obter componentes específicos e criar produtos. O cálculo de custo retroativo do A8 do System Plus mostra que 60% do custo do zFAS (o custo total é estimado em US $ 290) é determinado pelo custo dos semicondutores. Isso não surpreende, pois 80-85% dos componentes dos carros modernos são eletrônicos. No entanto, não há nada de surpreendente nesse valor.

Preço


O verdadeiro choque para os OEMs, disse Romain Fraux, CEO da System Plus Consulting, foi que nenhuma empresa de automóveis estava moralmente preparada para pagar 50% por cada componente - assim como a Nvidia, a Intel. e outras empresas por suas principais soluções baseadas em chips. Isso abriu as portas para um mundo totalmente novo para OEMs de automóveis, levando-os a repensar o custo de carros altamente automatizados.

Os preços do System Plus não incluem custos de desenvolvimento de software para veículos automatizados. No entanto, o uso de FPGA (Altera Cyclone) dentro do zFAS mostra a tentativa da Audi de salvar seus próprios ativos de software que já desenvolveu.

Nos últimos 18 meses, alguns dos principais OEMs começaram a sugerir seu desejo de desenvolver seus próprios chips automotivos independentes, como os da Tesla. Essa abordagem permite que eles decidam seu próprio destino em termos de desenvolvimento de hardware e software. No entanto, dado o alto custo do desenvolvimento de chips, não está claro se os fabricantes de automóveis OEM devem fazer isso sozinhos.

Outro aspecto importante do A8 é que a Audi foi a primeira entre todos os OEMs automotivos a lançar um veículo comercial no caminho da autonomia.

No momento do lançamento do A8, a tecnologia dentro do carro era apresentada como uma “inovação no campo da direção automatizada”, com o sistema Piloto de Engarrafamento. Supõe-se que, quando o sistema Piloto de Engarrafamento é ativado, uma pessoa é liberada da necessidade de controlar o fluxo, onde muitas vezes você precisa abastecer e parar.

No entanto, esses melhores planos encontraram o problema de transferir o controle (avisar e envolver uma pessoa distraída em uma situação em que o computador não aguentava), o que desde o início foi indicado pelo conceito de carros de terceiro nível.

Hoje, o A8 viaja pelas ruas, mas nenhum desses carros ativou e funciona com autonomia do 3º nível.

No entanto, isso não é uma reivindicação à Audi. O A8 fez a indústria automobilística entender o que estava enfrentando. Os líderes da indústria devem lidar com todas as complicações regulatórias, técnicas, comportamentais, legais e comerciais antes que possam falar sobre um futuro utópico com veículos não tripulados. Isso explica em parte o crescente interesse no desenvolvimento de padrões de segurança entre os OEMs de automóveis, os principais players do mercado, fornecedores de chips e empresas de tecnologia e serviços (como Waymo e Uber).

A8 sob o capô


O desafio para as montadoras não será mais oferecer velocidade máxima ou melhor aceleração de zero a 100 km / h, mas fornecer assistência ao motorista cada vez mais sofisticada e sistemas de direção autônomos. Este é o objetivo do Audi A8 com um sistema de direção autônomo de terceiro nível, o primeiro a usar lidares.

Os sensores A8 também incluem câmeras, radar e sensores ultrassônicos. O Audi A8 vai lidar com a condução nas estradas mais movimentadas sem a intervenção do motorista. A Audi indica que o motorista sempre pode manter as mãos no volante e, dependendo das leis e regulamentos locais, pode se envolver em outras atividades, como assistir TV a bordo. Um veículo pode resolver a maioria dos problemas que surgem na estrada, mas a intervenção humana é necessária (Fig. 1).

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Figura 1: Elementos principais do Audi A8

Fro comentou a lista de tecnologias inovadoras do Audi A8: "Audi é o primeiro carro com um terceiro nível de autonomia". O sistema Traffic Jam Pilot instalado no Audi A8 assume a responsabilidade de dirigir em fluxo lento a velocidades de até 60 km / h em rodovias e rodovias, usando uma combinação de sensores e o primeiro scanner a laser do mundo. (Nota: esta função de terceiro nível ainda não está ativada).

Plataforma de Autonomia e Computação Nível 3


A tecnologia digital pode executar as mesmas tarefas que o motorista, proporcionando maior segurança e conforto ao dirigir. O objetivo a longo prazo é criar estradas totalmente em rede - uma rede inteligente automotiva. O congestionamento do tráfego e a poluição ambiental serão reduzidos, o que levará a um aumento significativo da segurança.

A condução autônoma está se tornando um tópico cada vez mais relevante no mundo automotivo; Na agenda estão notícias sobre avanços e inovações nessa área. O nível 3 usado para o Audi A8 é caracterizado por direção altamente automatizada. O sistema é capaz de salvar o motorista da necessidade de controle constante sobre o movimento longitudinal e transversal do carro.

Fro disse: "O Audi A8 consiste em uma variedade de sensores e um controlador zFAS com quatro processadores montados pela Aptiv". O zFAS (Fig. 2) é a primeira plataforma de computação centralizada. O computador como unidade central processa em tempo real os sinais dos sensores ultrassônicos (frontal, traseiro e lateral), câmeras de 360 ​​graus (espelhos retrovisores dianteiros, traseiros e laterais), radar de médio alcance (em qualquer ângulo), bem como dados do radar scanner a laser de longo alcance e na frente do veículo.

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Figura 2: Controlador Aptiv zFAS

Vários processadores no zFAS


Um dos processadores que compõem a plataforma é o Nvidia Tegra K1, usado para reconhecimento de semáforos, detecção de pedestres, aviso de colisão, detecção de luz e reconhecimento de faixas. O Tegra K1 com PCBs de 8 camadas contém 192 núcleos Cuda, até a Nvidia se integrar a um módulo SMX dentro das GPUs Kepler atualmente no mercado (Figura 3), com suporte para DirectX 11 e OpenGL 4.4.

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Figura 3: Nvidia Tegra K1

A presença de um processador muito poderoso em um carro é de grande importância quando se trata do número de sensores incorporados nele. O processador Intel / Mobileye EyeQ3 é responsável pelo processamento de imagens. Para atender aos requisitos de energia e desempenho, os sistemas de chip EyeQ são projetados usando estampagem mais fina. Por falar em Eye3, a Mobileye usa CMOS de 40 nm, enquanto a empresa utilizará sistemas FinFET de 5ª geração e 7 nm, baseados no chip EyeQ5. Cada chip EyeQ está equipado com aceleradores uniformes e totalmente programáveis; além disso, cada tipo de acelerador é otimizado para sua própria família de algoritmos.

Curiosamente, a Nvidia Tegra K1 e o Mobileye EyeQ 3 não podem lidar com todas as tarefas do ADAS esperadas para carros de nível 3. No zFAS, existe o Altera Cyclone para pré-processamento de dados e o Infineon Aurix Tricore para monitorar as operações de segurança. A família de dispositivos FPGA do Altera Cyclone é baseada em RAM estática de cobre multicamada de 1,5 V, 0,13 mícrons, com uma densidade de até 20.060 elementos lógicos e possuindo até 288 kbps de RAM.

A arquitetura Infineon Aurix foi projetada para otimizar o desempenho em usinas de energia e sistemas de segurança automotiva. O TriCore é a primeira arquitetura unificada de microcontrolador de processamento digital de sinal de 32 bits e núcleo otimizada para sistemas embarcados em tempo real.

Sensores no Audi A8


No mundo automotivo, sistemas avançados de assistência ao motorista tornaram-se obrigatórios para todos os carros novos que desejam uma classificação Euro NCAP mais alta. Na primeira página, na Figura 1, conseguimos encontrar uma lista detalhada dos dispositivos Audi A8 encontrados pelo System Plus. “Os fabricantes estão desenvolvendo radares cada vez mais eficientes. Podemos distinguir várias empresas do mercado: Aptiv, Veoneer, ZF, Valeo, Bosch, Mando, Denso e Ainstein”, afirmou Fro.

Em particular, no Audi A8, podemos ver a câmera do carro de visão noturna Autoliv de 3ª geração, a câmera frontal Aptiv Lane Assist, o scanner a laser Valeo Scala, o radar de longo alcance Bosch LRR4 77GHz, o aptiv R3TR 76 GHz como radar de médio alcance, montado à direita e à esquerda na frente e na traseira do carro ".

A câmera de visão noturna Autoliv consiste em dois módulos - uma câmera e um processador remoto (Fig. 4). A câmera de visão noturna infravermelha Autoliv consiste em um microbolômetro FLIR de 17 mícrons e pixels de alta resolução, baseado no óxido de vanádio ISC0901. O dispositivo é baseado em uma abordagem de engenharia com um sistema óptico complexo e um moderno sistema de processamento numérico baseado em uma matriz de PPVM e um algoritmo especializado.

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Figura 4: Câmera para automóvel com visão noturna de terceira geração Autoliv

A câmera frontal do Aptiv Lane Assist é montada no espelho retrovisor e tem um alcance de 80 metros com uma frequência de 36 quadros / s. A câmera usa um sensor de imagem CMOS de 1,2 megapixel fornecido pela On Semiconductor e um microcontrolador PIC de 8 bits da Microchip. A unidade de controle zFAS fornece controle de software para processamento e reconhecimento de imagem usando o chip de processamento Mobileye EyeQ3 (Fig. 5).

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Figura 5: Placa de circuito da câmera frontal do Aptiv Lane Assist

O LRR4 é um radar multimodo com seis antenas fixas Bosch. Quatro antenas localizadas no centro fornecem gravação em alta velocidade do ambiente, criando um feixe focalizado com um ângulo de abertura de ± 6 graus, com interferência mínima no tráfego em faixas adjacentes. No campo próximo, duas antenas LRR4 externas expandem o campo de visão para ± 20 graus, fornecendo um alcance de 5 metros com a capacidade de detectar rapidamente veículos entrando ou saindo da faixa (Fig. 6).

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FIG. 6: Sensor de radar de longo alcance (Imagem: System Plus).

O sensor de radar de curto alcance Aptiv consiste em dois transmissores e quatro canais de recepção e opera na faixa de frequência de 76 a 77 GHz, padrão para os radares de carros. A placa de circuito usa um circuito integrado de micro-ondas monolítico (MMIC) e um ressonador de guia de onda. No substrato da placa de circuito impresso (PCB) de radiofrequência (RF), é utilizado um laminado à base de hidrocarboneto cerâmico reforçado com vidro sem PTFE (Fig. 7 e 8).

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Figura 7: Visão geral do radar de curto alcance Aptiv R3TR 76 GHz Figura 8: Placa eletrônica de radar de curto alcance Aptiv R3TR 76 GHz

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Lidar technology


Um elemento-chave do Audi A8 é o lidar. É a primeira vez que um fabricante de automóveis usa um scanner a laser. Este lidar é baseado em um sistema mecânico com um espelho rotativo e um comprimento de onda de 905 nm e utiliza tecnologia de radiação nas bordas. O dispositivo tem um alcance de 150 metros com um ângulo de visão de 145 ° na horizontal e 3,2 ° na vertical. O dispositivo de controle do motor consiste em um estator, um rotor com um drive de controle e um sensor Hall MPS40S para detecção de movimento. O sensor Hall altera sua tensão de saída em resposta a um campo magnético. Esta é uma solução a longo prazo, pois não há peças mecânicas que possam se desgastar com o tempo. Um circuito integrado reduz o tamanho do sistema e a complexidade relativa da implementação (Fig. 9, 10, 11).

Os sistemas Lidar são baseados no tempo de voo (ToF), que permite a medição precisa de eventos relacionados ao tempo (Fig. 12). Desenvolvimentos recentes permitiram a criação de vários sistemas lidar de caminhos múltiplos que formam uma imagem tridimensional precisa do ambiente ao redor do veículo. Esta informação é usada para selecionar as manobras de direção mais adequadas.

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Figura 9: Scanner a laser (Imagem: System Plus)

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Figura 10. Interior do scanner a laser

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Figura 11: Diagrama em bloco do scanner a laser

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Figura 12: Gráfico funcional do tempo de voo (Figura: Maxim Integrated)

Os lasers de radiação de borda são uma forma original e ainda amplamente utilizada de lasers semicondutores. Seu comprimento ressonante permite alcançar um alto ganho. O feixe de laser no interior da estrutura é geralmente direcionado para um sistema de guia de ondas homogêneo duplo. Dependendo das propriedades físicas do guia de ondas, é possível obter uma saída com alta qualidade de feixe, mas potência de saída limitada ou alta potência de saída, mas com baixa qualidade de feixe (Fig. 13).

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Figura 13: Diodo laser de borda

O laser usado no sistema lidar possui uma embalagem do tipo TO de 3 pinos com uma área de matriz de 0,27 mm2, conforme mostrado na Fig. 13. A potência do laser é de 75 watts e tem um diâmetro de 5,6 mm. "Provavelmente foi fabricado pela Sheaumann para componentes a laser em uma placa de 100 mm", disse Fro. O dispositivo correspondente usa um fotodiodo de avalanche (APD) para receber um feixe de laser depois de passar por duas lentes - uma de transmissão e outra de recebimento. "O APD provavelmente é feito pelo primeiro sensor em uma placa de 150 mm com uma embalagem FR4 LLC de 8 pinos e uma área de conexão de 5,2 mm (Figura 14)", disse Frau.

O APD é um fotodiodo de alta velocidade que usa um fotomultiplicador para produzir um sinal de baixo ruído. O APD alcança uma melhor relação sinal / ruído que o fotodiodo PIN e pode ser usado em uma ampla gama de aplicações (como rangefinders de alta precisão e detectores de pouca luz). Do ponto de vista eletrônico, o APD requer uma tensão reversa mais alta e uma consideração mais detalhada de suas características de ganho dependentes da temperatura.

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Figura 14: Fotodiodo Avalanche (APD)

Além de duas unidades de controle de laser e movimento, o equipamento de controle também consiste em uma placa principal composta por um processador de núcleo duplo ARM Cortex-A9 Xilinx XA7Z010 SoC, um microcontrolador STMicroelectronics SPC56EL60L3 de 32 bits e um sistema de gerenciamento de energia que consiste em um regulador step-down síncrono da ADI, um impulso inteligente de dois canais interruptor de alimentação da Infineon, um chip triplo monolítico com LDO da ADI e um sensor trifásico Sensorless Fan Driver da Allegro. O protocolo FlexRay fornece troca de dados. O sistema FlexRay consiste em várias unidades de controle eletrônico, cada uma delas equipada com um controlador que controla o acesso a um ou dois canais de comunicação.

O cálculo do custo de um desses sistemas lidar com um volume> 100.000 unidades / ano pode chegar a US $ 150, enquanto uma parte significativa está conectada à placa principal e ao laser (Figura 15).

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Figura 15: Equipamento desmontado do scanner a laser

Em um projeto usando lidares, um amplificador de transimpedância é a parte mais importante de um sistema eletrônico. Baixo nível de ruído, alto ganho e recuperação rápida tornam os novos dispositivos ideais para aplicações automotivas. Para obter o máximo desempenho, os projetistas devem prestar atenção especial ao emparelhamento e integração de circuitos, comprimentos de onda e alinhamento óptico-mecânico. Esses circuitos integrados atendem aos mais rigorosos requisitos de segurança automotiva, de acordo com as qualificações da AEC-Q100.


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Sobre o ITELMA
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