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Il protocollo FlexRay: i sistemi x-by-wire diventano realtà

Il logo FlexRay

Immaginate di viaggiare con la vostra autovettura in autostrada. Improvvisamente un ostacolo compare sulla strada davanti a voi: i sensori radar a bordo del veicolo individuano la minaccia, trasmettono l’informazione ad un’unità di controllo elettronica che in modo rapido ma dolce vi avverte imprimendo una decelerazione di 0.2 g (non una brusca ed inattesa frenata) agendo sui freni a controllo elettronico. A questo punto vi rendete conto di cosa sta succedendo, ed avete tempo sufficiente per poter evitare il pericolo imminente. Tutto questo è un sogno? Non esattamente, nei prossimi anni potrebbe diventare realtà grazie ai progressi compiuti nel settore automotive, in cui è stato introdotto un protocollo ad alta velocità, ampia larghezza di banda, deterministico, e "fault tolerant" come il FlexRay. Il simbolo del FlexRay rappresenta il pesce razza.

Grazie alle sue proprietà, FlexRay consente di applicare al mondo automotive la cosiddetta tecnologia x-by-wire, dove x sta per drive (controllo acceleratore), steer (controllo sterzo), e brake (controllo freni). By-wire significa che i sistemi idraulici tradizionalmente impiegati per svolgere queste funzionalità vengono eliminati e sostituiti da sistemi elettro-meccanici più leggeri ed efficienti, non tossici, e maggiormente manutenibili. Questo tipo di tecnologia è stata introdotta per la prima volta nel settore avionico (in cui è nota come fly-by-wire) con lo scopo di assistere il pilota nella guida dei velivoli supersonici. Su aeroplani militari come l’F16, volando a velocità superiori a mach 1 con alcuni g di accelerazione, il pilota non è costretto ad agire con forza sulla pedaliera o sulla cloche: può agevolmente controllare il velivolo per mezzo di un joystick connesso ad un bus di attuatori e sensori elettro-meccanici. Ciò ovviamente comporta un enorme beneficio in termini di sicurezza del volo, tenendo conto delle sollecitazioni meccaniche e fisiche a cui sono sottoposti sia il velivolo che il pilota. Nel 2000, BMW, DaimlerChrysler, Motorola (ora Freescale), e Philips Semiconductors fondarono il consorzio FlexRay con lo scopo dichiarato di sviluppare un protocollo di comunicazione veloce, sicuro, ed affidabile per applicazioni nel settore automotive, e di rendere questa tecnologia disponibile anche ad altri operatori del settore (non occorre pagare alcun diritto se si usa FlexRay per applicazioni automotive). FlexRay si sta imponendo come uno standard per sistemi avanzati di controllo della trasmissione e del motore, e nei sistemi x-by-wire. FlexRay non sostituisce i protocolli e le reti attualmente presenti sulle autovetture: i bus CAN, LIN, MOST, e J1850 continueranno ad esistere, e saranno integrati lavorando in modo complementare al FlexRay (come mostrato nella figura seguente).

Le principali caratteristiche del protocollo FlexRay sono le seguenti:

    • Due canali di comunicazione ciascuno in grado di offrire una velocità pari a 10 Mbps; i due canali possono essere utilizzati per implementare un meccansimo di ridondanza, oppure in modalità stand-alone con cui permettono di raggiungere una velocità aggregata di 20Mbps (venti volte superiore a quella del CAN bus).
    • Comportamento deterministico: durante la configurazione di un sistema basato su FlexRay, è necessario impostare la lunghezza del communication cycle period, il quale è suddiviso in due finestre temporali: statica e dinamica. La prima è riservata per le comunicazioni di tipo sincrono ed è in grado di garantire valori prefissati di latenza e jitter attraverso un meccanismo di sincronizzazione del clock tollerante dei guasti; in altre parole, le finestre temporali di tipo statico sono adatte per messagi triggerati sulla dimensione temporale. La seconda è invece riservata per i messaggi triggerati sugli eventi, per i quali è previsto un meccanismo di priorità simile a quello adottato dal CAN bus, cioè impostando dei bit specifici nel campo header del messaggio. Inoltre, i messaggi FlexRay possono avere una lunghezza di frame variabile da 2 a 254 byte, un incremento significativo rispetto alla lunghezza di frame di 8 byte del CAN bus. Il CAN adotta una politica basata sulle priorità per la trasmissione dei messaggi; ciò significa che i messaggi di bassa priorità saranno sempre inviati con ritardo rispetto ai messaggi di priorità maggiore, e soltanto i messaggi con priorità più alta in assoluto hanno la certezza di essere consegnati a destinazione. Determinismo significa che nulla avviene per caso: l’output corretto è sempre determinato dai corrispondenti input e questo comportamento può essere esteso alla rete intera, facendola diventare un sistema predicibile. La sincronizzazione del clock è molto importante nell’architettura FlexRay per garantire un comportamento deterministico. In ogni communication cycle period, ciascun nodo di sincronizzazione presente nella rete trasmette un messaggio di synch (in genere una rete FlexRay include almeno quattro nodi di sincronizzazione). Quando ciascun nodo riceve un messaggio di synch, compara il suo clock con quello trasmesso dal nodo di sincronizzazione ed esegue le necessarie correzioni per renderli uguali. Se questa operazione fallisce su un certo nodo, gli altri possono continuare a funzionare poichè sono stati correttamente sincronizzati.
    • Tolleranza ai guasti: viene ottenuta sia implementando la ridondanza a livello di configurazione del sistema, sia, a livello fisico, attraverso il Bus Guardian, un circuito independente in grado di proteggere un canale dall’interferenza causata dai messaggi non sincronizzati con lo scheduling del protocollo. Sono inoltre disponibili funzionalità di rilevamento e segnalazione immediata degli errori. Come conseguenza, le collisioni sul bus sono significativamente diminuite con il protocollo FlexRay.
    • Supporto per l’utilizzo di layer fisico sia di tipo elettrico che ottico.
    • Supporto per topologie di tipo bus, stella, e stelle multiple.
    Tutte queste caratteristiche spiegano perchè FlexRay sia una soluzione eccellente per applicazioni di tipo x-by-wire, in cui il real-time, l’alta velocità, e la tolleranza ai guasti sono dei requisiti obbligatori.

Come menzionato in precedenza, una ipica applicazione FlexRay è costituita dal sistema brake-by-wire. L’idea che sta dietro questa soluzione è quella di eliminare la dipendenza dai sistemi idraulici, aumentando la sicurezza ed il controllo di stabilità del veicolo. Il sistema ABS (Anti-lock Braking System) è oggi presente su molti modelli di veicolo, mentre il controllo di stabilità è ancora un optional complesso e perciò costoso. Brake-by-wire, noto anche come EMB (Electro-Mechanical Braking), genera la forza necessaria per frenare su ogni singola ruota grazie a potenti ed efficienti motori elettrici, connessi ad una ECU (electrical control unit) che a sua volta riceve il comando da un pedale del freno elettronico. In questo tipo di applicazione, FlexRay gioca un ruolo importante, fornendo il protocollo di comunicazione con caratteristiche di alta velocità, tolleranza ai guasti, e determinismo. Poichè ciascuna ruota può essere controllata indipendentmente dalle altre, potenzialmente non esistono limiti all’algoritmo per il controllo della stabilità che si vuole adottare: dei sensori addizionali possono inoltre essere aggiunti al veicolo per rilevare, ad esempio, la distribuzione dei pesi, la dislocazione dei passeggeri sui sedili, la pressione degli pneumatici, e la conformazione del terreno, affinchè l’azione frenante maggiormente veloce, precisa e comfortevole venga intrapresa. Inoltre, i sistemi frenanti di tipo idraulico fanno uso di fluidi tossici, ed I loro guasti non sono facilmente individuabili: una soluzione di tipo brake-by-wire risulta maggiormente rispettosa dell’ambiente e consente l’utilizzo di apparecchiature per il test e la diagnosi elettronica.

Il protocollo FlexRay è già stato scelto per realizzare alcune soluzioni x-by-wire su vetture commercializzate al pubblico. Ad esempio, il SUV BMW X5 (vedi figura seguente) è stata la prima auto sulla quale FlexRay è stato impiegato commercialmente; un’applicazione di FlexRay sulla X5 consiste nella capacità di selezionare in tempo reale (come si dice “on-the-fly”) la corretta regolazione da applicare ai quattro ammortizzatori per garantire sempre la migliore stabilità del veicolo.

Post del 27 gennaio 2009

 

 

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