Nonostante vi sia molto entusiasmo per il ruolo che i sensori stanno svolgendo nei prodotti indossabili e negli smartphone, i consumatori sono già circondati da sensori nei loro veicoli -- sensori che controllano la loro efficienza di guida e la loro sicurezza, li informano sulla condizione del loro veicolo e regolano i sistemi del mezzo per la miglior prestazione possibile. A dire il vero, la macchina oggi rappresenta uno dei sistemi di uso comune più ricchi di sensori..
Ed è solo l'inizio. In un futuro non troppo lontano, le macchine saranno in grado di fungere da autisti, in grado di guidarti automaticamente alla tua destinazione senza che tu debba nemmeno toccare il pedale dell'acceleratore o il volante, poiché saranno in grado di evitare ostacoli e selezionare il tragitto più conveniente mentre tu ti rilassi. Per raggiungere questo stato, le macchine saranno dotate di un'ampia gamma di nuove capacità di rilevamento che collaboreranno strettamente tra di loro per consentire scelte e azioni intelligenti.
I sensori automobilistici di oggi
Oggi le macchine fanno affidamento su una miriade di funzionalità. Tra i sensori più comunemente utilizzati all'interno di una macchina abbiamo l'airbag, accelerometri, sensori di aspirazione e di pressione assoluta, sensori di velocità d'imbardata e gestori della pressione dei pneumatici.
Gli airbag sono stati introdotti nel 1984 dalla legge americana per garantire la sicurezza dei passeggeri. Oggi, la maggior parte dei sistemi di sicurezza airbag utilizza accelerometri MEMS per rilevare rapide decelerazioni (collisioni), e in alcuni se ne trovano addirittura 12 per collisioni sulle parti anteriore, laterale e posteriore. Tra i maggiori produttori di accelerometri da collisioni rientrano Analog Devices, Texas Instruments, Freescale Semiconductor e Infineon.
Il Dipartimento per la Protezione Ambientale americana è stato incaricato di introdurre i sensori MAP per ridurre l'inquinamento atmosferico e massimizzare il risparmio di carburante. Un sensore MAP misura la pressione nel collettore di aspirazione. Tali misurazioni vengono poi riprese da computer di bordo per determinare la miscela di aria e di combustibile ottimale. Questi sensori vengono prodotti da Honeywell, Freescale, EPCOS e altri.
Sensori di velocità di imbardata, i quali misurano la velocità di rotazione attorno a un asse centrale, vengono utilizzati in combinazione con un sistema di posizionamento globale (GPS) per determinare la geolocalizzazione del veicolo; inoltre, vengono impiegati per determinare l'orientamento del veicolo se questo dovesse ribaltarsi o entrare in una derapata fuori controllo. Analog Devices, Omron e Murata hanno tutti introdotto soluzioni su MEMS per applicazioni di ribaltamento, navigazione e per il controllo dinamico del veicolo.
Poiché uno pneumatico poco gonfio genera problemi di sicurezza - la creazione di eccessivo calore e usura degli pneumatici aumenta la probabilità di uno scoppio - e diminuisce l'efficacia del carburante, il dipartimento amministrativo per la sicurezza nazionale del traffico autostradale americano (NHTSA) ha pubblicato il calendario di introduzione per i sistemi di monitoraggio di pressione pneumatica a partire dall'anno 1995. Questi sistemi di monitoraggio sono obbligatori per tutte le autovetture vendute negli Stati Uniti dal 2007.
Oggi i tradizionali sensori TPMS fanno uso dei MEMS per la misurazione diretta della pressione pneumatica. Il sensore viene installato sul bordo di ciascun pneumatico e invia letture wireless a un modulo di controllo per l'analisi e l'interpretazione. Questo non richiede un nuovo sensore ogni volta che viene sostituito uno pneumatico. Ciò non toglie che sarebbe saggio ricalibrare i sensori di tanto in tanto, di modo che il veicolo possa fare affidamento su pneumatici in equilibrio.
Di recente, Freescale ha introdotto TPMS progettati per camion e altri veicoli di grandi dimensioni (Figura 1) Si suppone che questa gamma di prodotti sia la più piccola del settore (7 mm x 7mm x 2.2 mm), ma con il più preciso TPMS wireless interamente integrato (±17 kPa). In un pacchetto QFN unico, il sensore di sistema integra i sensori di pressione e temperatura e un accelerometro ad asse singolo (asse Z) o doppio (assi X e Z) con un radiotrasmettitore, un ricevitore a basse frequenze 125 kHZ, e un microcontroller a 8-bit (S08 core) con SIM, un interrupt e un monitor per il debug. Il sistema è intelligente a sufficienza per raccogliere e trasmettere i dati relativi alla pressione, alla temperatura e all'accelerazione e abilitare un sistema d'analisi sofisticato per migliorare non solo la manutenzione del veicolo, ma anche per trasformare il TPMS in un nodo terminale a valore aggiunto sull'Internet degli Oggetti.
Per i combustibili alternativi
I più importanti produttori di veicoli e i loro fornitori di primo livello stanno lavorando su nuove applicazioni basate su sensori per i veicoli di prossima generazione. Di notevole interesse sono i sensori per quei veicoli alimentati da combustibili alternativi (come il diesel, gas ibridi, elettrici, gas naturale e idrogeno), un miglior monitoraggio della prestazione e dei sistemi di navigazione, e, in ultima analisi, un'operatività autonoma.
Requisiti di emissione più severi hanno portato i produttori di veicoli alimentati a diesel ad adottare diversi nuovi sistemi che richiedono sensori specializzati-ad esempio, sensori che misurano la pressione nei cilindri. Sensata, insieme a Beru, ha sviluppato un sensore di pressione cilindrica che impiega una tecnologia degli estensimetri piezoresistiva; al momento viene utilizzata nei veicoli prodotti dalla Volkswagen. Optrand sta sviluppando robusti sensori che utilizzano sensori in fibra ottica; l'obiettivo è quello di poter contare su sensori che sopravvivono a temperature fino a 350°C mentre lavorano a pressioni pari a 300,000 psi bar con una precisione dell'1%.
Inoltre, i sistemi a riduzione catalitico-selettiva (SCR) vengono impiegati nelle applicazioni di scarico post-trattamento. Un tipico sistema SCR ha 14 sensori, tra cui 10 sensori di temperatura, 3 sensori di pressioni e un sensore per la qualità dell'urea. Quest'ultimo è adibito al controllo della necessaria concentrazione d'urea nonché per la presenza di liquidi indesiderati.
Measurement Specialties (una società di TE Connectivity) ha da poco introdotto il , un sensore di proprietà fluida ideale per le applicazioni automobilistiche. Può essere direttamente installato sullo spazio per il motore a olio o sul sistema combustibile per il monitoraggio della qualità e del lubrificante. Si tratta di un modulo pienamente integrato con tutti i sensori necessari e un microprocessore a bordo che può accettare i tipici voltaggi automobilistici (12V o 24V) e si trova in un contenitore altamente resistente per l'utilizzo in ambienti corrosivi o di flusso e pressione alta. Il modulo viene calibrato in fabbrica con fluidi tracciabili secondo la modalità NIST e utilizza il protocollo CAN J1939 per la connessione a un controller ospite.
Figura 2: Il sensore di TE Connectivity utilizza un tecnologia diapason brevettata per il monitoraggio di molteplici proprietà fisiche di un fluido e contestualmente elabora i rapporti dinamici tra le proprietà.
Una componente chiave dei veicoli alimentati da pile a combustibile di idrogeno è il monitoraggio del serbatoio a pressione. American Sensor Technology fornisce un sensore a pressione per ambiente estremi che utilizza la tecnologia ad estensimetri piezoresistiva, disponibile in un formato a 300 psi per la base e 3.000 psi per la parte alti dei sistemi alimentati da idrogeno. Questi sensori sono in grado di sopportare la natura corrosiva dei mezzi a idrogeno a temperature di 145°C e hanno una precisione di ± 1.0%. Attualmente disponibili su veicoli di trasporto di grandi dimensioni, questi sensori sono ancora in fase di test beta nella flotta per il noleggio di European Mercedes Benz.
Per i veicoli elettrici e quelli tradizionali, Freescale Semiconductor ha introdotto sul mercato un sensore per il monitoraggio delle batterie smart, compatibile con le batterie a ioni di litio 14-V e di piombo 12-V. Il prodotto determina lo stato di carica della batteria, lo stato di salute, e lo stato di funzionamento attraverso la misurazione della batteria presente, del voltaggio, della temperatura e inoltra poi i dati a un microcontroller con algoritmi per le prestazioni incorporate della batteria. Inoltre fornisce un avvertimento nel caso in cui la batteria si stesse scaricando in maniera insolita e si dovesse esaurire (Figura 3).
Figura 3: localizzato all'interno del connettore del cavo della batteria, il sensore di monitoraggio della batteria Freescale MM912x637 misura la corrente della batteria, il voltaggio e la temperatura per fornire un avvertimento in caso di batteria scarica o di batteria esaurita. (Fonte: www.electronicproducts.com)
Il viaggio verso veicoli autonomi
Al Consumer Electronics Show lo scorso gennaio, Daimler ha mostrato al pubblico una bozza di progetto relativa all'auto Mercedes-Benz F015 e Audi ha fornito una demo di una Q7 dotata di quella che ha definito la marcia per la "guida pilotata". Per la realizzazione di veicoli autonomi, verrà richiesto un ampio spettro di nuovi sensori. Ad esempio, saranno necessari vari tipi di sensori di allineamento e di immagine per i tragitti adattativi e per il controllo dei freni d'emergenza, sensori per il cambio di corsia, per i punti in zona morta e per l'assistenza al parcheggio. Al momento si stanno considerando molte tecnologie per ciò che è stata definita l'assistenza automobilistica del conducente, di modo da incrementare la sicurezza dei veicoli.
Un sistema di allineamento del genere si chiama Leddar. Originariamente scoperto dal National Optics Institute (INO) a Quebec City e poi sviluppato e commercializzato da LeddarTech, Leddar fa uso del tempo di volo di segnali luminosi generati a LED e unici algoritmi per rilevare, localizzare e misurare oggetti nel suo campo visivo. Per far ciò, invia impulsi di luce molto brevi di circa 100.000 volte al secondo per illuminare attivamente un'area di interesse. La luce retrodiffusa da oggetti (sia fermi che in movimento) sull'area di rilevamento Leddar viene catturata con rilevatori P-I-N o a valanga (o altri), e analizzata con una tecnologia brevettata IC per l'elaborazione dei segnali, LeddarCore, che fornisce algoritmi altamente affidabili per la precisa geolocalizzazione di oggetti e altri attributi (Figura 4). Un aspetto particolare di Leddar è che offre prestazioni sia a breve che a lungo raggio, e quindi può essere impiegata per una serie di applicazioni di assistenza alla guida.
Figura 4: il sistema Leddar di LeddarTech impiega la misurazione tempo di volo (ToF) degli impulsi di luce per determinare il tipo di oggetto e altri attributi attraverso l'utilizzo della sua tecnologia di elaborazione hardware/software del segnale LeddarCore. (Fonte: www.azosensors.com)
Attualmente Texas Instruments offre il progetto di riferimento TIDA-0051 per lo sviluppo di applicazioni per l'assistenza al parcheggio con ultrasuoni, per il parcheggio automatico e il rilevamento di punti in zona morta. Il modulo fa uso di TI's, un'interfaccia di sensore IC System-on-Chip (SoC) per i sensori ad ultrasuoni automobilistici. Il SoC fornisce il condizionamento e l'elaborazione di tutti i segnali per i segnali di eco trasduttori e per il calcolo tra il trasduttore e gli oggetti. La MCU del SoC e la memoria di programma sono in grado di supportare la piena configurabilità per una specifica applicazione.
I sistemi di navigazione necessitano di essere più precisi e affidabili per veicoli autonomi. I giroscopi MEMS di Qualtré di dispositivi ad onde acustiche alla rinfusa (BAW) offrono diversi interessanti vantaggi prestazionali sugli altri giroscopi MEMS per quest'applicazione: precisione, resistenza agli urti e alle vibrazioni, funzionamento ad alta frequenza, Q alto privo di imballaggio a vuoto, e un'alta affidabilità attraverso un'immunità all'attrito. Il procedimento di produzione, HARPSS, fa sì che i dispositivi BAW possano essere tranquillamente prodotti in grandi quantità.