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Detección sin contacto para aumentar la seguridad en el automóvil

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Artículo técnico sobre la detección sin contacto en el automóvil escrito por Gualtiero Bagnuoli – Marketing Manager Optical Sensors en la firma Melexis.

A medida que los vehículos se vuelven más sofisticados, confían en la detección efectiva para permitir que los sistemas automatizados ayuden a los conductores y, en última instancia, los controlen completamente. Si bien se están implementando muchos tipos diferentes de sensores, la detección sin contacto es una de las más importantes, ya que permite detectar el entorno del vehículo, facilitar el esquivar objetos y mucho más. Sin embargo, recientemente se ha puesto énfasis en la detección en la habitáculo de los ocupantes del vehículo por razones de seguridad.

En este artículo técnico, Melexis analizará una de las tecnologías líderes que se están implementando en esta área y cómo puede no solo aumentar la seguridad, sino también mejorar la comodidad y la seguridad.

Principios de detección del tiempo de vuelo en el habitáculo del vehículo

La detección de tiempo de vuelo (ToF) permite detectar objetos y proporciona información sobre su posición y movimiento dentro de un espacio 3D. También admite la identificación de objetos detectando la forma, el tamaño y la orientación de los objetos. La tecnología se basa en la luz reflejada por el objeto que se detecta con una fuente de luz como una matriz de LED o un dispositivo VCSEL que se usa junto con la óptica de formación de haz para producir una fuente de luz que ilumina la escena. Un circuito integrado de detección sin contacto avanzado detecta y mide la luz reflejada desde cualquier objeto en el rango.

Figura 1: Diagrama de bloques de un sistema típico de detección de ToF que muestra la fuente de luz, el sensor y el chip complementario
Figura 1: Diagrama de bloques de un sistema típico de detección de ToF que muestra la fuente de luz, el sensor y el chip complementario

La luz viaja muy rápidamente a una velocidad conocida. Al medir el tiempo que tarda la luz reflejada en llegar al sensor (el “tiempo de vuelo” de la luz), se puede calcular la distancia del objeto. Este enfoque se conoce como ToF directo (dToF) ya que el tiempo se calcula directamente a partir de una base de tiempo muy precisa y se prefiere para aplicaciones en las que están involucradas largas distancias, como LiDAR. En general, dToF se considera una tecnología de baja resolución, que requiere un escaneo mecánico complejo (y costoso) para lograr altas resoluciones.

En lugar de utilizar el tiempo absoluto, el ToF indirecto (iToF) calcula la distancia en función de un cambio de fase a una señal de referencia conocida. Esta técnica se adapta mucho mejor a las aplicaciones de alta resolución y, con los modernos arreglos de píxeles CMOS, puede generar video 3D en tiempo real con resoluciones QVGA, y mayores.

iToF combina de manera única la cartografía de profundidad / amplitud (escala de grises) de resolución media / alta que permite realizar identificaciones complejas (como personas u objetos), incluso sin contraste de color entre el objeto y su entorno. Estos beneficios hacen que iToF sea muy útil en muchas aplicaciones de futuro donde otras tecnologías tienen limitaciones.

En una proximidad relativamente cercana (alrededor de 5 m), ToF permite identificar objetos y espacios libres, lo que significa que los sistemas ADAS pueden predecir de manera inteligente cómo se puede mover un objeto (si es que lo hacen) y tomar las medidas adecuadas para evitarlo. Como Melexis iToF no se ve afectado por los cambios de temperatura y luz, es ideal para aplicaciones externas como estas.

Aplicaciones en el habitáculo para detección sin contacto del tiempo de vuelo

Uno de los principales impulsores para lograr el objetivo final de los vehículos totalmente autónomos es aumentar la seguridad vial. Un informe reciente de la NHTSA estimó que más del 90% de todos los accidentes se deben a errores de los conductores, por lo que eliminarlos hará que las carreteras sean mucho más seguras. Si bien los vehículos totalmente automatizados producidos en serie siguen siendo una forma en el futuro, iToF puede hacer una contribución significativa a la seguridad vial al monitorizar al conductor y su comportamiento.

Así, la fatiga del conductor es un problema importante y la elevada resolución alcanzable con iToF es capaz de ver si el conductor tiene sus ojos en la carretera, si está bostezando excesivamente, o incluso luchando por mantener sus ojos abiertos. Detectar cada uno de estos y sugerir (o incluso imponer) un descanso puede potencialmente evitar accidentes y salvar vidas. También pueden identificarse otros comportamientos del conductor, como no sostener el volante de la manera adecuada, comer mientras se conduce o usar un dispositivo móvil sin la función de manos libres, y se puede emitir una advertencia o acción, y finalmente detener el vehículo si es necesario.

Sin lugar a dudas, el airbag ha salvado muchas, muchas vidas y es una característica valiosa en casi todos los vehículos actuales. Sin embargo, ha habido algunos casos, especialmente con bebés o ancianos en los que han causado lesiones o algo peor. ToF puede detectar el tamaño y estimar el peso de los pasajeros, modificando el despliegue del airbag según sea necesario. En el caso de que no haya un pasajero en el asiento, ToF puede evitar el despliegue innecesario del airbag.

Muchos vehículos híbridos modernos arrancarán y harán funcionar el motor de combustión interna para cargar las baterías cuando estén casi agotadas. Como es fácil dejar un vehículo con el arranque encendido, ya que la antigua llave de arranque es cosa del pasado, el vehículo puede arrancar automáticamente cuando está desatendido. Esto es potencialmente peligroso, especialmente en un espacio cerrado, pero se puede prevenir fácilmente mediante la detección de ocupantes basada en ToF.

Además de las mejoras en la seguridad del vehículo, el mismo sistema de ToF también puede añadir toda una gama de confort y comodidad dentro del habitáculo para el beneficio de los conductores y pasajeros. Por ejemplo, los asientos se podrían mover y los cinturones de seguridad podrían acercarse más cuando un pasajero entra al vehículo, los compartimentos de almacenamiento podrían iluminarse cuando una mano llega en esa dirección o el funcionamiento del sistema de info-entretenimiento se podría modificar según el número y la ubicación de los ocupantes del vehículo.

A medida que los vehículos se vuelven más sofisticados, las interfaces hombre-máquina (HMI) en el habitáculo se vuelven más complejas. Un sensor de ToF junto con un proyector de luz podría proporcionar un panel de control en cualquier superficie disponible, proporcionando una mayor comodidad y flexibilidad.

Claramente, la detección sin contacto ToF está configurado para hacer un cambio gradual a la detección dentro del vehículo, brindando mayor sofisticación a los vehículos, lo que aumenta la seguridad y la comodidad.

Última tecnología ToF (Time of Flight)

El conjunto de chips de la segunda generación de Melexis incluye un sensor ToF dedicado y un chip complementario que controla el sistema y las interfaces con el microcontrolador o serializador externo.

Detección sin contacto para aumentar la seguridad
Figura 2: Elementos funcionales principales de la solución ToF de segunda generación de Melexis

Mientras que mantiene el mismo paquete compacto de 5,5 x 6,5 mm y el formato óptico que las generaciones anteriores, el nuevo chipset ofrece el doble de sensibilidad y la selección de ganancia de nivel de píxel que mejora el rendimiento con poca luz. El soporte de iluminación de 940 nm permite que el sistema funcione de manera invisible para los seres humanos, lo que es incalculable para el funcionamiento nocturno en habitáculos de vehículos y ofrece ventajas de la menor emisión de luz solar en esta longitud de onda.

Además, el nuevo sensor es más eficiente que antes, requiere un 30% menos de energía, lo que genera menos calor y ahorra costes en la fuente de alimentación. Una relación señal / ruido mejorada permite que el sistema trabaje a una distancia un 65% mayor con el mismo nivel de iluminación, o en la misma distancia que las generaciones anteriores con menos iluminación. Esto reduce el coste asociado con las fuentes de luz, como LED o VCSELs. La cámara de doble cabezal ahora se puede construir con un solo chip complementario.

Figura 3: Una mejor relación señal / ruido mejoró el rendimiento y reduce los requisitos de iluminación
Figura 3: Una mejor relación señal / ruido mejoró el rendimiento y reduce los requisitos de iluminación

Una nueva característica, la combinación de píxeles, permite combinar cuatro (2×2) o dieciséis (4×4) donde se requiere menos resolución, lo que reduce el rendimiento de los datos y permite utilizar un procesador host de menor coste.

Resumen de la detección sin contacto

La detección de ToF en el habitáculo permitirá a los fabricantes de vehículos cumplir con la legislación futura, incluidas las propuestas NCAP 2025 relacionadas con la detección de ocupantes y, al mismo tiempo, mejorar la experiencia de los ocupantes de vehículos.

Melexis ha desarrollado soluciones ToF durante más de una década y su solución de segunda generación ofrece un mejor rendimiento, una menor operación de energía y un menor coste del sistema, lo que aliviará significativamente los desafíos a los que se enfrentan los diseñadores.

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