Le rôle et les solutions des gyroscopes et capteurs d'accélération dans les ADAS

ADAS a fait l'objet de plusieurs années de développement. À ses débuts (vers 2000), il était principalement axé sur l'assistance fonctionnelle unique, comme l'ABS (système de freinage antiblocage), l'ESC (contrôle électronique de stabilité) et le régulateur de vitesse. Les capteurs étaient principalement basés sur le radar, offrant une prévention basique des collisions et un contrôle de la distance. Vers 2010, il est entré dans une phase d'expansion fonctionnelle, introduisant des caméras, des radars à ondes millimétriques et des capteurs ultrasoniques, commençant à mettre en œuvre l'alerte de franchissement de ligne (LDW), la détection d'angle mort (BSD) et le freinage d'urgence automatique (AEB). Les systèmes ont progressivement évolué d'une intégration à fonction unique à une intégration multifonctionnelle.   Vers 2020, ADAS s'est orienté vers une étape intelligente et de fusion, caractérisée par la fusion de multiples capteurs. Par exemple, la combinaison du radar, des caméras et des ultrasons, et l'introduction d'algorithmes AI ont permis des fonctions de conduite semi-autonome telles que la conduite autonome de niveau 2 (croisière automatique sur autoroute, assistance au maintien de voie). L'avenir passera à une assistance avancée et à la conduite autonome, évoluant vers une conduite autonome de niveau 3 et supérieur, nécessitant des cartes haute précision, V2X (Vehicle-to-Everything), et des puces AI automobiles à haute puissance de calcul. L'architecture système tend vers la centralisation (ECU centralisé / contrôleur de domaine) pour prendre en charge davantage de capteurs et d'algorithmes.   L'architecture du système ADAS peut généralement être divisée en trois parties principales : la couche de perception, la couche de décision et la couche d'exécution. La couche de perception comprend des capteurs tels que des caméras (à vue avant / vue surround / dans l'habitacle), des radars à ondes millimétriques (courte portée / moyenne portée / longue portée), des capteurs ultrasoniques et des LiDAR (pour ADAS avancé ou conduite autonome L3+). Sa fonction est la perception environnementale (détection d'objets, reconnaissance de voies, identification des piétons, détection d'obstacles).   La couche de décision comprend l'unité de contrôle central (ECU / contrôleur de domaine), couvrant les algorithmes de fusion de capteurs, les modèles AI / apprentissage profond (pour la reconnaissance des piétons, des véhicules, des panneaux de signalisation), la planification de l'itinéraire et la logique de décision. Fonctionnellement, elle est utilisée pour prendre des décisions d'assistance au conducteur ou de conduite autonome.   La couche d'exécution comprend des unités de contrôle du véhicule, telles que les systèmes de freinage (ABS/ESC/AEB), les systèmes de direction (direction assistée électrique EPS, maintien de voie), et les systèmes de groupe motopropulseur (contrôle de l'accélérateur, croisière intelligente). Fonctionnellement, elle est utilisée pour exécuter réellement les commandes de contrôle, assurant la stabilité dynamique du véhicule et la sécurité de conduite.   Le développement d'ADAS a progressivement évolué de l'assistance à fonction unique vers une fusion multi-capteurs et une architecture intelligente pilotée par l'AI, se dirigeant finalement vers la conduite autonome de niveau 3 et au-delà. Son architecture système couvre les trois grandes couches Perception-Décision-Exécution, le noyau résidant dans l'application de la fusion multi-capteurs et des plateformes de calcul haute efficacité.

Le rôle des gyroscopes et des capteurs d'accélération dans les applications ADAS

Le gyroscope et le capteur d'accélération sont des composants importants dans les applications ADAS. Le capteur d'accélération mesure l'accélération du véhicule sur les axes X, Y et Z, permettant de calculer les changements de vitesse et la force d'impact au moment d'une collision. Le gyroscope mesure la vitesse angulaire du véhicule (lacet, tangage, roulis), déterminant l'angle de braquage, les changements d'attitude et la dynamique latérale et longitudinale. Les deux sont souvent intégrés sous la forme d'une IMU pour fournir des informations dynamiques sur le véhicule avec une grande précision.   Dans l'ADAS, les gyroscopes et les capteurs d'accélération sont souvent utilisés dans le Contrôle de la Dynamique du Véhicule (VDC). Le capteur d'accélération surveille l'accélération latérale, détectant le dérapage ou la perte d'adhérence, tandis que le gyroscope mesure le taux de lacet, jugeant le survirage ou le sous-virage. Ils peuvent s'intégrer au système de Contrôle Électronique de la Stabilité (ESC) pour ajuster automatiquement le freinage et la sortie de puissance afin de prévenir la perte de contrôle.   Dans les applications de Freinage Automatique d'Urgence (AEB) et de détection de collision, le capteur d'accélération peut détecter avec précision l'impact au moment de la collision, déclenchant rapidement les airbags. Lorsqu'il est combiné avec des données de radar/caméra, il peut ralentir de manière préventive avant une collision.   Dans les applications d'Aide au Maintien dans la Voie (LKA/LKS) et d'Alerte de Sortie de Voie (LDW), le gyroscope surveille la stabilité directionnelle du véhicule, aidant à identifier si le véhicule dérive hors de la voie en raison des actions du conducteur ou de forces externes. Lorsqu'il est fusionné avec la détection des lignes de voie par la caméra, il peut déterminer plus précisément si le véhicule s'écarte de la voie.   Dans les applications de Régulation de Vitesse Adaptative (ACC) et de navigation autonome, le capteur d'accélération fournit des données en temps réel sur l'accélération et la décélération du véhicule, améliorant la fluidité de la régulation de vitesse. Le gyroscope peut travailler avec le GPS pour un positionnement et une correction d'attitude de haute précision, évitant les erreurs de dérive inhérentes au seul GPS.   Dans les applications d'assistance au stationnement et de conduite autonome à basse vitesse, l'IMU (accélération + gyroscope) fournit des informations de position et d'attitude relatives dans des environnements à basse vitesse ou GPS faible (comme les parkings souterrains), aidant le véhicule à accomplir des manœuvres de stationnement.   Au sein de l'architecture ADAS, les gyroscopes et les capteurs d'accélération sont des capteurs fondamentaux appartenant à la Couche de Perception. Ils complètent les caméras, le radar à ondes millimétriques, et le LiDAR en fournissant des informations sur l'« état propre du véhicule » plutôt que sur l'environnement externe. Après avoir été fusionnés par des algorithmes dans la Couche de Décision (ECU / contrôleur de domaine), ils sortent des paramètres dynamiques du véhicule, entraînant davantage le contrôle de l'actionnement de la couche des freins, de la direction ou de l'accélération.   Les gyroscopes et les capteurs d'accélération jouent un rôle crucial de « perception dynamique du véhicule » dans l'ADAS. Ils fournissent des informations en temps réel sur l'attitude du corps, l'accélération, et le taux de lacet, assistant dans des fonctions essentielles telles que le contrôle de la stabilité du véhicule, la détection des collisions, le maintien des voies, le croisière automatique, et le positionnement précis. Surtout dans des scénarios non totalement couverts par les caméras et les radars, ils fournissent une redondance critique et une garantie de sécurité.

Les modules IMU contribuent à des données de mesure haute précision pour les ADAS

Il existe plusieurs niveaux de fonctionnalité de conduite autonome, mais tous nécessitent des capteurs extrêmement précis et des algorithmes permettant de traiter les données obtenues de manière intégrée. Dans le développement de produits pour les systèmes avancés d'aide à la conduite et les systèmes de conduite autonome, Murata effectue des tests de conduite en utilisant un véhicule d'essai équipé d'un module IMU développé en interne. Elle utilise les données pour évaluer et vérifier la sécurité dans divers cas d'utilisation anticipés. Grâce à son portefeuille de produits permettant des mesures précises et à faible coût, Murata contribue à l'amélioration cruciale de la précision des données de mesure pour la conduite autonome automobile.   En prenant comme exemple le gyroscope intégré 6DoF et le capteur d'accélération automobile de Murata – le SCH1600 – le capteur SCH1600 est un composant 6DoF optimal en emballage unique. Il est utilisé pour la fonctionnalité ADAS et la Conduite Autonome (AD) par la fusion de données avec le GNSS et divers capteurs de perception tels que les caméras, les radars et les LiDAR.   Le capteur SCH1600 offre des performances de pointe en termes de marche au hasard angulaire et de stabilité de biais sur le marché, garantissant une génération de signal gyroscopique de haute qualité même dans des temps d'intégration de seulement quelques secondes. Ses débits de données rapides, ses fonctionnalités de synchronisation temporelle, et sa haute performance permettent un partage efficace des signaux IMU à travers tous les sous-systèmes du véhicule, qu'il s'agisse du contrôle HUD ou des systèmes de nivellement des caméras et des phares.

Solutions IMU de haute précision répondant à des performances fonctionnelles et de sécurité strictes

Le Murata SCH1600 intègre plus de 200 signaux de surveillance internes, atteignant un niveau élevé de performance en matière de sécurité fonctionnelle sur le marché. L'orthogonalité des axes de mesure est calibrée chez Murata, permettant aux intégrateurs de systèmes de passer outre cette étape coûteuse et cruciale pour la performance.   La famille de capteurs SCH1600 offre une plus grande flexibilité pour les clients avancés grâce à des options de conception redondante et à des canaux de sortie doubles réglables intégrés. Elle prend en charge une plage de mesure de taux angulaire de ±300°/s et une plage de mesure d'accélération de ±8g, avec un canal d'accéléromètre numérique redondant offrant une plage dynamique allant jusqu'à ±26g. L'instabilité du biais du gyroscope est aussi basse que 0,5°/h, et la marche aléatoire de l'angle peut descendre jusqu'à 0,03 °/√Hz. Il propose des options pour l'interpolation et la décimation des sorties, et inclut des fonctions comme la sortie Prêt de données, l'index de Timestamp, et l'entrée SYNC pour la synchronisation du domaine temporel. Il fonctionne dans une plage de température de −40 à 110°C, prend en charge une tension d'alimentation de 3,0 à 3,6V et une tension d'alimentation d'I/O de 1,7 à 3,6V, et dispose d'une interface SafeSPI v2.0. Les données de sortie de 20 bits et 16 bits peuvent être sélectionnées via le cadre SPI. Il inclut d'importantes fonctionnalités d'autodiagnostic utilisant plus de 200 signaux de surveillance. Les dimensions sont de 11,8mm x 13,4mm x 2,9mm (l x L x h), utilisant un boîtier inversé SOIC-24. Il est qualifié selon AEC-Q100 Grade 1 et est fourni dans un boîtier plastique SOIC robuste et conforme RoHS adapté aux processus de soudage sans plomb et au montage SMD, utilisant une technologie MEMS capacitive 3D éprouvée.   La série SCH1600 est conçue pour servir d'IMU centrale du véhicule, fournissant des signaux de haute qualité à tous les sous-systèmes du véhicule, même dans des environnements très difficiles. Les domaines d'application représentatifs incluent les Systèmes Avancés d'Aide à la Conduite (ADAS), la Conduite Autonome (AD) et le Reckoning Mort à court terme (DR), GNSS, la fusion de caméras et de radars, la navigation inertielle, le contrôle avancé de la stabilité du véhicule, et le nivellement dynamique et statique des phares. Murata propose également le SCH1600 Chip Carrier PCB, conçu pour permettre un prototypage rapide. Il inclut le capteur SCH1600 soudé sur un PCB, avec la conception PCB (#MFI01398) comprenant des connecteurs à broches et des composants passifs.   Dans le domaine des applications automobiles, Murata offre de nombreux produits applicables aux ADAS ECU (Systèmes Avancés d'Aide à la Conduite ECU), Systèmes de Stationnement, LiDAR, RADAR, Caméras de Détection, et Systèmes de Surveillance de l'Habitacle. En prenant la gamme de produits pour les ADAS ECU d'automobile comme exemple, elle inclut une série de lignes de produits applicables à des domaines tels que SoC, DC-DC/PMIC, Baseband, SerDes, Transmetteur-récepteur CAN, Ethernet, et Horloge. Ceux-ci incluent des condensateurs céramiques, des perles de ferrite sur puce, des thermistances, des inducteurs de puissance, des inducteurs sur puce (bobines sur puce), des bobines d'étranglement à mode commun sur puce, des capteurs gyroscopiques, des résonateurs céramiques (CERALOCK), des unités de cristal, etc., répondant aux besoins variés des applications automobiles.

Conclusion

Dans les systèmes avancés d'assistance à la conduite, les gyroscopes et les capteurs d'accélération ne sont pas seulement la base de la perception dynamique des véhicules, mais également des éléments clés assurant la sécurité de conduite et améliorant l'expérience de conduite intelligente. En fournissant des informations de haute précision sur l'accélération et l'attitude, ils complètent les technologies de détection externes telles que les caméras, les radars et LiDAR, permettant une prise de décision et un contrôle stables sous fusion multi-capteurs. À mesure que les niveaux de conduite autonome augmentent, les solutions futures mettront davantage l'accent sur la haute fiabilité des capteurs, la faible consommation d'énergie et les capacités de fusion AI, construisant ainsi un écosystème de mobilité intelligent plus efficace et sécurisé pour les véhicules. Les gyroscopes et capteurs d'accélération offerts par Murata, avec leur haute précision et stabilité, représentent l'une des solutions optimales pour les applications ADAS et de conduite autonome.