Guida all’analisi dei sensori per l’automotive

I sensori sono il punto di contatto tra il veicolo e l'ambiente circostante. Dalla gestione elettronica del motore ai sistemi ADAS di ultima generazione, comprendere e analizzare tipologie, caratteristiche, prestazioni, limiti e architetture dei sensori, è di fondamentale importanza per seguire l’evoluzione del settore automotive e restare aggiornati.

L'elettronica di bordo

Un tempo visti come elementi isolati, semplici periferiche che raccolgono dati, i sensori nelle auto sono oggi il centro dell'informazione per garantire sicurezza, efficienza e guida assistita, e vengono considerati il punto di partenza per progettare buona parte dell’elettronica del veicolo. L’aumento delle centraline, l’adozione di sistemi di assistenza alla guida, unitamente alla diffusione delle piattaforme elettriche, hanno creato le condizioni per un rinnovamento completo della sensoristica di bordo. Accelerometri MEMS, sensori Hall, trasduttori piezoresistivi, radar a 77 GHz e telecamere stereoscopiche lavorano insieme su reti CAN FD, LIN ed Ethernet automotive, producendo grandi volumi di dati che vengono elaborati in tempo reale. Al fine di analizzare questi sensori, serve un metodo che unisca elettronica analogica, elaborazione numerica del segnale, diagnostica integrata e compatibilità elettromagnetica. Come nell’industria, la validazione non si limita alla sola precisione nominale. Vengono valutate stabilità termica, immunità ai disturbi, robustezza meccanica e comportamento in condizioni ambientali estreme. Ad esempio, un sensore di pressione su un common rail diesel deve garantire accuratezza nonostante le possibili vibrazioni intense, gli shock termici e le interferenze provenienti dai sistemi di accensione. La spinta verso la guida assistita ed autonoma ha, inoltre, aumentato la ridondanza dei sensori, richiedendo architetture tolleranti ai guasti per rispettare la sicurezza funzionale secondo lo standard ISO 26262.

Mappa delle tecnologie sensoriali automotive

Come evidenziato in precedenza, i sensori hanno acquisito un ruolo centrale nei sistemi tecnologici moderni e non possono più essere considerati semplici dispositivi indipendenti o isolati. Essi rappresentano, infatti, gli elementi essenziali della catena informativa che consente il corretto funzionamento di numerose applicazioni, e contribuiscono in modo determinante al miglioramento della sicurezza, dell’affidabilità e dell’efficienza operativa. Per questo motivo, la conoscenza dei principi di funzionamento dei sensori, nonché delle loro prestazioni, dei limiti tecnologici e delle modalità di integrazione nei sistemi elettronici, è una competenza fondamentale per i progettisti e gli ingegneri automotive. I sensori possono essere classificati in diverse categorie in base alla grandezza fisica o alla condizione che rilevano. Tra questi vi sono i sensori di posizione come encoder, potenziometri e sensori ad effetto Hall, utilizzati per determinare con precisione spostamenti e orientamenti. I sensori di velocità consentono invece di monitorare il movimento di componenti o veicoli. Un’altra categoria comprende i sensori ambientali, tra cui lidar, telecamere, radar e ultrasuoni, che vengono impiegati per percepire e analizzare l’ambiente circostante. I sensori di stato del veicolo, come accelerometri, giroscopi e unità di misura inerziale (IMU), forniscono informazioni dinamiche fondamentali. Completano il quadro i sensori chimici, destinati al monitoraggio di gas come NOx e ossigeno, ed i sensori di corrente e tensione, indispensabili per la gestione ed il controllo delle batterie.

Specifica funzionale e vincoli progettuali

La scelta di un sensore automotive parte dall’analisi dei requisiti funzionali e dei vincoli ambientali. Il progettista deve trasformare specifiche qualitative in parametri misurabili, ad esempio intervallo operativo, risoluzione, accuratezza, isteresi, deriva termica, tempo di risposta e MTBF (Mean Time Between Failures). Prendiamo ora in considerazione un sistema ADAS che usa telecamere e radar. Il radar garantisce migliore penetrazione con pioggia o nebbia e misura precisa della velocità relativa; mentre la telecamera fornisce risoluzione angolare e riconoscimento degli oggetti. La scelta è complementare, non esclusiva. Occorre poi valutare i livelli di safety secondo la norma ISO 26262 e la cybersecurity, quale aumento di affidabilità serve, come il sensore partecipa alle diagnosi e come si ottiene tolleranza agli errori. Nella fase di specifica si definiscono anche le interfacce fisiche (CAN, LIN, Ethernet, SPI, I2C) ed i requisiti di sincronizzazione temporale, fondamentali quando si combinano dati da più sensori per la fusione delle informazioni.

Sensori di posizione, velocità e dinamica del veicolo

Tra i sensori maggiormente diffusi ci sono quelli che misurano posizione angolare, rotazione e dinamica del veicolo. I sensori Hall sono ampiamente usati per rilevare la posizione dell’albero motore e dell’albero a camme tramite variazioni del campo magnetico. La loro precisione temporale influisce direttamente su iniezione e accensione. Nei veicoli elettrici, gli encoder magnetici e ottici permettono il controllo vettoriale dei motori brushless, regolando la coppia con precisione. Accanto a questi troviamo accelerometri e giroscopi MEMS che vengono integrati nei sistemi di controllo della stabilità e che, realizzati su silicio con microstrutture meccaniche, misurano accelerazioni e velocità angolari tramite variazioni capacitive. I segnali richiedono complessi filtri numerici poiché vibrazioni e rumore elettrico possono generare errori significativi. Per esempio, nei sistemi di controllo della stabilità, i dati del sensore yaw rate vengono confrontati con angolo di sterzo e velocità delle ruote con l'obiettivo di riconoscere sottosterzo o sovrasterzo; in caso di discrepanze, la centralina interviene sulle singole ruote. La qualità del sensore condiziona quindi la risposta dinamica e la sicurezza del veicolo, rendendo necessaria una accurata caratterizzazione elettronica e funzionale.

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