Решения HSAutoLink компании Molex для систем V2V-коммуникации

Коммуникационные системы технологии V2V

Используя беспроводные сети, коммерческие грузовые автомобили и автобусы, сельскохозяйственные и строительные транспортные средства, а также шахтная и карьерная техника могут обмениваться данными через свои встраиваемые системы, которые постоянно передают информацию о безопасности, данные по скорости и окружающей среде. Транспортные средства, подключенные к информационным сетям, способны предупреждать водителей не только о ситуации на пути следования, но и о всевозможных опасностях, возникающих в текущий момент, а при необходимости и брать на себя функции управления автотранспортом или даже управлять несколькими автомобилями, объединенными общей информационной управляющей сетью [1].

В настоящее время используется или находится в стадии разработки весьма широкий спектр коммуникационных систем технологии V2V. Так, коммерческие грузовые автомобили включают в себя предупреждение столкновения с впереди идущим транспортом или препятствием, автоматическое торможение и предупреждение, например в ситуации, когда автомобиль приближается сзади и становится невидимым через зеркало заднего или бокового обзора, то есть находится в мертвой зоне. Обычно в этой ситуации перед сменой полосы движения водитель вынужден для страховки посмотреть через плечо, но теперь эту функцию берет на себя опциональная система контроля мертвых зон (blind-spot) [1]. Некоторые строительные и карьерные машины имеют системы подачи, контролирующие их рабочую зону во избежание аварийных ситуаций, а также системы управления движением на основе периферийного и кругового обзора, реализованного с использованием видеокамер. Сегодня разрабатываются автономные системы грузоперевозок на основе беспилотных грузовых автомобилей, даже таких, как, например, самосвалы (рис. 1) [2].

Рис. 1. Примеры областей использования технологии V2V

Сельскохозяйственные транспортные средства имеют, пожалуй, наиболее широкий портфель приложений из области технологий V2V, включая системы синхронизации движения сельскохозяйственной техники, которые распределяют ее по направлениям, урожайности и влажности почвы. Эти системы координируют совместное функционирование тракторов и зерноуборочных комбайнов для управления уборкой зерновых культур с максимальной нагрузкой на технику. Кроме того, системы картографирования и GPS позволяют управлять беспилотными тракторными системами дистанционно или с помощью ведущего транспортного средства.

Еще одно набирающее силу коммерческое приложение — системы мониторинга состояния водителя (Driver Monitoring Systems, DMS), также известные как системы контроля за усталостью водителя (Driver Attention Monitor), — представляет собой систему безопасности транспортных средств. Впервые такая система была представлена компанией Toyota в 2006 году. Подобные системы взаимодействуют с системой предупреждения столкновения (Pre-Collision System, PCS) [3] и используют инфракрасные датчики для мониторинга внимательности водителя, в частности, система мониторинга водителя содержит видеокамеру, расположенную на рулевой колонке, которая через инфракрасные светодиодные детекторы способна отслеживать глаза водителя. В 2008 году система Toyota Crown продвинулась дальше и теперь может контролировать веки, чтобы определить, не засыпает ли водитель. Если он не обращает внимания на дорогу и не реагирует на опасную ситуацию, то система предупредит его, мигая огнями и издавая предупреждающие звуки. Если никаких действий не предпринимается, автомобиль начнет самостоятельно тормозить (перед этим раздастся предупредительный сигнал, сопровождаемый кратким автоматическим применением тормозной системы). Такие системы могут гарантировать, что водители будут на все 100% предупреждены о потенциально опасной ситуации, причем не только включением специальных надписей, но и путем ограничения скорости и даже экстренного торможения. Другими словами, если такая система определяет, что водитель не контролирует ситуацию, она берет на себя управление автомобилем (рис. 2) [4].

Рис. 2. Внутренние системы технологии V2V:
а) инфотейнмент — подача теле- или радиовещательного материала для развлечения и информирования;
б) видеокамеры заднего обзора и навигационные системы;
в) камера для контроллера и контроллер для отображения подключений коммерческих транспортных средств;
г) современная система помощи водителю (ADAS)

Коммуникация V2V также обеспечивает удаленную диагностику и позволяет организовать текущее техническое обслуживание, основанное на интеллектуальном прогнозировании. Используя такие системы, транспортные средства передают данные о рабочих часах и интервалах обслуживания центральному процессору, который отправляет предупреждения оператору, когда требуются замена конкретных элементов транспортного средства или его обслуживание. Это сокращает расходы на техническое обслуживание и вынужденные простои, поскольку такой сервис можно планировать заранее и проводить в нерабочее время. Данная функция особенно востребована в строительной и горнодобывающей промышленности. Дело в том, что многие используемые в этих сферах автотранспортные средства арендуются, а их надлежащее обслуживание должна обеспечить лизинговая компания. Некоторые системы дистанционного оповещения, если необходимое техническое обслуживание не выполняется, могут просто заблокировать транспортное средство, выключив его.

Особенности элементов подключения для V2V-систем

Однако таким системам требуются высокоскоростные разъемы и кабели, поскольку они пропускают большие потоки информации. Кабельные сборки должны обеспечивать передачу данных, например изображения или видео, со скоростью 5–10 Гбит/с. И хотя некоторые из используемых в коммуникационных системах автотранспортных средств разъемов только передают сведения, тенденция заключается в применении гибридных разъемов, способных как обрабатывать данные, так и передавать мощность электропитания. Поэтому нередко такие сборки содержат две или четыре сигнальные линии и контакты передачи питания.

Одной из основных проблем, возникающих при использовании гибридных разъемов с передачей питания, является выполнение требований по излучаемым электромагнитным помехам (ЭМП) и по электромагнитной совместимости (ЭМС). В результате и разъемы, и кабели в таких системах для выполнения существующих регламентов по ЭМП и ЭМС [6] должны быть еще и эффективно изолированы.

Кроме того, системы V2V для коммерческих автомобилей должны быть устойчивыми к эксплуатации в жестких условиях окружающей среды. Это касается как фиксации, так и герметизации сочленения. Системы должны обеспечивать преимущества высокоскоростных внутренних информационных шин и иметь дополнительную защиту от вибрации, ударов и попадания жидкости, причем в весьма сложных корпусах с высокой плотностью контактов. По этой причине для межсоединений систем коммерческих автомобилей требуются полностью защищенные уплотнения по периметру и уплотнения самого ввода кабеля, рассчитанные на степень защиты оболочки IP67 (пыленепроницаемое, кратковременное погружение на глубину до 1 м) и IP69K (пыленепроницаемое, воздействие струй воды высокой температуры), что позволяет использовать автотранспортные средства в условиях бездорожья.

Основные требования для элементов подключения V2V-систем

Внутрисистемные соединения также должны быть спроектированы с возможностью подключения электроники с применением дифференциальных витых пар. Например, прочная, герметичная система соединения HSAutoLink от Molex поддерживает такие соединения, как Ethernet, LVDS (low-voltage differential signaling, низковольтная дифференциальная передача сигналов), и ряд других.

Разумеется, если вести речь о межсоединениях, то для систем современной автомобильной техники необходимо обеспечить возможность работы с более высокими скоростями передачи данных и видео высокой четкости. Такие подключения должны быть способны быстро обрабатывать данные от датчиков новых типов и сенсорных внутритранспортных сетей. Это могут быть сенсорные сети с агрегаторами, когда один из сенсорных узлов назначается агрегатором для сбора данных или осуществляется сбор и обобщение данных, когда в пределах коммерческих транспортных средств обрабатывают и интерпретируют данные от датчиков разных типов. Так, в одном приложении видеокамера может захватывать изображение, в то время как лазерная система обнаружения и измерения дальности (light detection and ranging, LIDAR) обрабатывает ту же информацию, измеряя расстояние после освещения цели лазерным лучом. Сенсорный агрегатор подтверждает, что два датчика «видят» один и тот же объект или событие, и позволяет системе связи V2V принимать соответствующие текущему событию меры. Генерирующие устройства могут также разрешать пользователям устанавливать метки времени, запись, синхронизацию и воспроизведение данных с различных датчиков (рис. 3) [5].

Рис. 3. Пример используемых шин передачи данных в современном автомобиле

Технические решения подключения V2V-систем

Поскольку системы становятся все более сложными, то для организации межсоединений многие разработчики коммерческих автомобилей используют концепцию зонной архитектуры, разбивая электронные системы в автомобиле на отдельные участки, такие как передняя и задняя зоны, кабина, трансмиссия, информационно-развлекательная система и т. д. Это позволяет эффективнее обрабатывать данные в пределах каждой зоны и организовать между ними более действенную связь.

Разработчики создают и различные типы активных точек Wi-Fi в автомобилях. Первый тип позволяет подключаться к устройствам внутри транспортного средства, а второй — снаружи, со стационарными устройствами и другими транспортными средствами. Чтобы не создать хаоса при разработке и согласовании открытых стандартов для этих сетей, существуют и действуют такие организации, как Институт инженеров электротехники и электроники (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE) и Сообщество автомобильных инженеров (Society of Automotive Engineers, SAE).

Один из ключевых вопросов заключается в том, какой протокол или протоколы будут обрабатывать беспроводные каналы коммуникации непосредственно между транспортными средствами V2V и между транспортными средствами и объектами инфраструктуры V2X. Один из подходов состоит в использовании радиосвязи ближнего действия в транспортной среде DSRC (Dedicated short-range communications — выделенная связь ближнего действия), глобального стандарта связи, который соединяет транспортные средства со стационарными электронными блоками вне транспортного средства для мониторинга таких параметров, как транспортный трафик и погодные условия. Он может использоваться и для связи в рамках технологии V2V. Например, если транспортное средство приближается к другому слишком быстро или выходит из мертвой зоны — в этом случае движение транспортных средств могже быть скорректировано так, чтобы избежать столкновения.

Однако вместо создания дорогостоящей вторичной сети DSRC-устройств некоторые специалисты выступают за систему, основанную на новом протоколе LTE 5 или 5G, который будет использоваться для управления трафиком через сотовый телефон (с заменой текущего протокола 4G). Сторонники этой идеи утверждают, что 5G будет достаточно быстрым, чтобы общаться так же эффективно, как и DSRC-устройства, но без дополнительных затрат на разработку сети.

В любом случае мы можем быть уверены в том, что уже нет никаких сомнений в расширении связи по типу V2V для коммерческих автотранспортных средств и данная технология или, вернее, технологии коммуникации будут продолжать расширяться как по количеству используемых транспортных средств, так и в приложениях, которые они станут поддерживать. Но для подключений внутри автомобиля должны быть гарантированы высокие скорости передачи данных и передача мощности электропитания, только так можно поддерживать этот динамичный новый мир межтранспортных коммуникаций.

Для решения описанной проблемы компания Molex продолжает наращивать и распространять технологию передачи данных в транспортной отрасли. Предлагаемое компанией решение HSAutoLink (также известное как USCAR USB — развивающийся стандарт передачи данных между транспортными средствами) — это новый подход в подключении высокоскоростных шин передачи данных транспортных средств. Шины данных, которые содержат указанные технологии, это известные на других рынках шины Universal Serial Bus (USB 2.0), LVDS (low-voltage differential signaling, низковольтная дифференциальная передача сигналов), 1394 Automotive, FlexRay, eMOST и Ethernet (рис. 4).

Рис. 4. Система разъемов HSAutoLink с герметизацией от компании Molex поддерживает такие подключения, как Ethernet, LVDS, 1394, FlexRay и eMOST

Кроме того, компания Molex смогла упаковать экономичную пятиконтактную экранированную систему подключения, широко распространенную на потребительском рынке, в более прочную соединительную систему для удовлетворения механических требований автопроизводителей. Стандарт автомобильной промышленности USCAR‑30 поддерживает требования USB 2.0 для сертификации системы OEM. Новое семейство разъемов и кабелей HSAutoLink, которые могут эксплуатироваться в жестких условиях окружающей среды, принесет USB и другие технологии в информационные и развлекательные системы в коммерческих транспортных средствах.

Кабельные сборки, содержащие стандартную USB-розетку, предусматривают защиту и фиксацию при установке в автомобиле, обеспечивая потребительский интерфейс для пассажиров. Следуя аналогичным принципам проектирования, кабельная система HSAutoLink дает возможность осуществлять фиксацию и подключение к мультимедийному модулю внутри транспортного средства, выполняя операцию через медиамодуль, преобразующий цифровой сигнал в традиционный аналоговый сигнал автомобиля. Это позволяет использовать такие устройства, как MP3‑плееры, флэш-накопители, портативные навигационные системы и т. д.

Коннекторы нового поколения HSAutoLink II отвечают все возрастающим требованиям и нуждам производителей, предлагая экономически выгодную систему соединителей со скоростью передачи данных более 2 Гбит/с и возможностью поддержки различных сетей и протоколов.

Следующее поколение системы межсоединений HSAutoLink II решает целый ряд проблем, обеспечивая надежную, герметичную и экономичную систему экранированных кабельных сборок и передачу сигналов со скоростью до 5 Гбит/с. Данные системы доступны в вариантах на 6 и 12 контактов, отличаются гибкостью и объединяют различные протоколы в одном коннекторе, в том числе USB 2.0, USB 3.0, LVDS, Ethernet AVB (Audio Visual Bridging), модифицированный HDMI, DVI и DisplayPort, тем самым гарантируя надежную работу приложений в транспортной отрасли. Использование экранированной витой пары (STP) или закрытой неэкранированной витой пары (jacketed unshielded twisted pair, JUTP) позволяет предлагать различные экономически выгодные решения для высокоскоростных дифференциальных сигнальных применений (рис. 5).

Рис. 5. Разъемы компании Molex нового поколения HSAutoLink II:
а) герметичные держатели на 6 и 12 контактов;
б) линейный разъем;
в) вилка

В линейке коннекторов HSAutoLink II представлены проверенные в эксплуатации контакты для приложений, требующих высокой надежности и скорости сигнала. Небольшое усилие при сочленении (0,5 Н на контакт) достигается благодаря «расщепленному» дизайну гнездового контакта. Такая геометрия и плотность контактов обеспечивает способность передачи дифференциальных сигналов в диапазоне частот 3–4 ГГц, а их нагрузочная способность достигает 1,5 А на один контакт.

Полное экранирование (герметичное или нет) зон сочленения и подключения проводов обеспечивает высокие характеристики в части ЭМП и ЭМС. Кроме того, данный соединитель имеет полностью защищенный уплотнитель подключаемой части и уплотнитель для кабеля, поддерживающие степень защиты IP69K, о необходимости которой было сказано выше.

Помимо указанной области применения, разъемы [7] могут с успехом использоваться в оборудовании индустриальной автоматизации, действующем в жестких условиях эксплуатации, в сельскохозяйственной технике, мотоциклах, универсальных транспортных средствах, в оборудовании водного транспорта и летательных аппаратов. Что касается приложений, это могут быть информационно-развлекательные системы, системы транспортной телематики, видеокамеры для обеспечения безопасности и предотвращения столкновений, а также различные внутритранспортные коммуникации.