Veículos Conectados em Ambientes Adversos

Os clientes estão exigindo funcionalidades que automatizem ou auxiliem tarefas operacionais para aumentar a produtividade e a segurança do motorista e, em muitos casos, também reduzam o custo total de propriedade. Recursos como frenagem e direção adaptativas automáticas, diagnósticos a bordo, comunicação veículo a veículo e veículo a infraestrutura, além de câmeras que deem ao motorista visibilidade de 360 graus do ambiente estão se tornando requisitos básicos dos clientes.
Esses recursos exigem a transmissão de grandes volumes de dados em altas velocidades. Ao projetar novos modelos para atender a essas demandas dos clientes, o desafio para os engenheiros é garantir a integridade do sinal e a transmissão de dados nos ambientes adversos do setor de caminhões e veículos off-road.

Para lidar com a maior demanda de dados e a conectividade de alta velocidade, é necessário ter uma infraestrutura de rede sofisticada. As arquiteturas de barramento CAN, que normalmente alcançam velocidades de até 500 Kbps, têm sido uma espinha dorsal robusta na maioria das redes de comunicação de veículos pesados por algumas décadas. Contudo, a largura de banda de dados necessária para a funcionalidade avançada do veículo e para recursos automatizados que proporcionem maior segurança e produtividade é grande demais para ser servida apenas por CAN.

O protocolo de Ethernet de um par único (100BASE-T1 a 100 Mbps ou 1000BASE-T1 a 1 Gbps) permite transmitir dados em altas velocidades. Com o uso de redes e conectores de Ethernet, os projetistas dos OEMs podem fazer a integração perfeita de mais dispositivos à rede, acelerando a conectividade de dados nos veículos, Como uma topologia ponto a ponto, porém, a Ethernet altera a arquitetura elétrica e eletrônica (E/E) do veículo. À medida que os OEMs decidirem adicionar mais recursos e dispositivos, os projetistas também precisarão incorporar switches Ethernet para direcionar o sinal e gateways para possibilitar a comunicação entre Ethernet e CAN.

Para otimizar espaço, peso e desempenho em condições adversas, os projetistas precisam considerar, desde os primeiros estágios do design, como integrarão a Ethernet quando necessário para obter funcionalidades avançadas. O número de cabos e seu posicionamento dentro do veículo, assim como a localização dos switches Ethernet e se eles serão integrados em uma unidade de controle eletrônico (ECU) existente ou uma nova ECU dedicada, são decisões que devem ser tomadas para cada recurso que exija Ethernet. É crucial evitar ou mitigar problemas com interferência eletromagnética (EMI) ou outros distúrbios mecânicos.

Por exemplo, Câmeras de 360 graus em um veículo pesado transmitem dados de alta velocidade do lado de fora do veículo para a tela do motorista na cabine. Quatro câmeras (uma de cada lado do veículo) enviam sinais para uma ECU. Os projetistas precisam planejar onde colocar um switch que combine os dados das quatro câmeras e os envie como um só sinal para a ECU. O switch pode estar no veículo ou em uma das câmeras, que teria quatro portas para receber os dados das outras três câmeras e, em seguida, enviá-los. Outra opção é integrar o switch ao monitor de vídeo.

Com a ativação de funções automatizadas, como frenagem adaptativa automática e outros sistemas avançados de assistência ao motorista (ADAS – Advanced Driver Assistance Systems), que incluem uma matriz de vários sensores, é preciso pensar ainda mais cuidadosamente no design desde os estágios iniciais. Cada sensor terá um link de comunicação dedicado a uma ECU. Quanto mais sensores o veículo tiver, mais cabos e links de comunicação serão necessários. O veículo de serviço pesado autônomo do futuro precisaria de uma ampla gama de sensores com cerca de 16 radares, 10 LiDARs e 10 câmeras ao redor do veículo. Essa estrutura requer mais de 30 cabos e links que precisam ser resistentes à EMI e roteados de forma inteligente, considerando espaço, peso e interferências, a fim de manter a integridade do sinal dentro e fora do chassi e na entrada dos links na ECU. Mais dados significam uma necessidade maior de largura de banda. Além disso, a configuração exige conectores e cabos capazes de lidar com a velocidade mais alta.

O imenso tamanho dos veículos industriais e comerciais representa um desafio para a manutenção da integridade do sinal e a transmissão confiável de dados. Em carros, o padrão Ethernet especifica requisitos técnicos de até 15 m (49 pés) para transmissão do sinal. Mas em caminhões, ônibus e veículos off-road, é necessário manter a integridade do sinal por comprimentos mais longos, de até 40 m (131 pés), e, ao mesmo tempo, resistir a condições de vibração pesada, temperaturas e choques extremos, poeira intensa e muito mais.

O padrão Ethernet atualmente especifica até quatro conexões em linha ao longo dos 40 metros. Os projetistas precisam determinar o comprimento máximo de cada segmento para manter a integridade ideal do sinal. Fatores que afetam esse comprimento podem ser exposição a elementos externos ou altas temperaturas, ou ainda a proximidade de uma antena ou outro componente que possa causar EMI. O roteamento é um elemento-chave do design, e toda a camada física deve ser dimensionada para o desempenho esperado.

"Ao projetar uma arquitetura mista com CAN e Ethernet, os engenheiros precisam pensar em toda a infraestrutura de conectividade com antecedência e decidir quais funções avançadas e com alto volume de dados incorporarão", explica Abbas Alwishah, gerente de engenharia de conectividade de dados da TE Connectivity. "Quanto mais a tecnologia avança, mais importante se torna a colaboração entre OEMs e fornecedores. Quando um cliente diz que precisa de uma câmera de alta definição ou um sistema de detecção de proximidade que funcione com latência muito baixa, posso explicar todos os componentes individuais necessários para essa função ou sistema, como sensores, conectores, conjuntos de cabos, antenas, processadores, telas e outros, e recomendar uma topologia que otimize desempenho, espaço, peso e custos."

Escolher componentes compatíveis com a Ethernet e capazes de suportar condições adversas é fundamental para a transmissão confiável de dados em veículos pesados com longa vida útil. Os conectores da Ethernet automotiva (projetados originalmente para veículos de passageiros) podem ser usados na cabine ou em outras áreas do veículo não expostas a condições como choque ou temperatura extremos, entre outras. Nessas situações, é preciso usar conectores mais robustos e cabos mais longos. Um cabo de alta qualidade de par trançado sem blindagem é adequado para a Ethernet na maioria das áreas do veículo, com cabos de par trançado blindado sendo usados apenas quando necessário. As escolhas do projetista também ajudarão a controlar custos e economizar espaço e peso.

Os conectores MATEnet modulares e escaláveis desenvolvidos pela TE para a Ethernet automotiva, por exemplo, também podem ser usados em veículos pesados para aplicações que exigem volumes médios a altos de dados e baixas latências, como diagnósticos a bordo (tecnologias V2X), telemática, painel de infoentretenimento, ADAS e muito mais. Os conectores podem transmitir dados de 100 Mbps a 1 Gbps (de acordo com os protocolos 100BASE-T1/1000BASE-T1 do padrão IEEE) e podem ser usados com cabos de par trançado com ou sem blindagem.

Apenas robustez não basta para os componentes no chassi. Eles precisam demonstrar confiabilidade mecânica, resistir a temperaturas extremas e operar com eficiência em canais mais longos, além de permitir manutenção em campo. Quando é preciso lidar com frequências mais altas, a qualidade e o design dos cabos e conectores podem afetar significativamente o desempenho do canal que, por sua vez, afeta o desempenho do sistema e, por fim, da aplicação. No caso de componentes no chassi, os engenheiros precisam escolher cabos projetados especificamente para a transmissão de dados de alta velocidade em ambientes adversos.

"Ao tentar atender às necessidades de resiliência mecânica, é possível que alguns engenheiros instintivamente queiram adicionar carcaças mais robustas, mas paredes mais espessas poderão ter um impacto negativo no desempenho", afirma Mark Brubaker, gerente de produtos de conectividade de dados da TE. "É importante analisar o que já deu certo historicamente, mas também dar um passo à frente para entender essa nova geração de necessidades elétricas para a transmissão de dados de alta velocidade e testar o desempenho das conexões em frequências mais elevadas." 

A escolha e o posicionamento dos produtos não podem vir na fase final do design de funcionalidades avançadas e automatizadas que exigem transmissão de dados de alta velocidade. Ao adicionar a Ethernet às arquiteturas de veículos pesados, os projetistas devem considerar as complexidades envolvidas muito mais cedo e em maior profundidade que antes. Essa abordagem de planejamento permitirá equilibrar confiabilidade e resiliência mecânica com os requisitos elétricos de dados de alta velocidade e canais mais longos, além das necessidades de manutenção.