Teollisuuden suurikokoiset ja raskaat hyötyajoneuvot halutaan itseohjautuviksi tulevaisuudessa. Ajoneuvojärjestelmien suunnittelijat tukeutuvat tässä vahvimmin Ethernetin paranneltuun Quiet-WIRE-versioon. Ratkaisuun on jo tarjolla kattava valikoima mikropiirejä vankan ja turvallisen ohjausjärjestelmän rakentamiseksi.
|
Artikkelin kirjoittaja Jason Tollefson toimii Microchip Technologyn vanhempana markkinointipäällikkönä. |
Itsenäisesti ohjautuva henkilöauto on saanut julkisuudessa paljon huomiota ja antanut hienoja lupauksia tulevaisuudesta, mutta se ei ole ainoa ajoneuvotyyppi, joka halutaan automatisoida. Myös teollisuuden hyötyajoneuvoihin ja kuorma-autoihin halutaan saada itsenäisen liikkumisen tuomat edut.
Rakennustöissä, maataloudessa ja kuljetuksissa käytettävät teollisuusajoneuvot tuovat erityisiä haasteita datansiirtotekniikoille, joita paraikaa kehitetään autoille. Yksi tärkeimmistä on järjestelmän fyysinen koko. Olkoon kyseessä hyötyajoneuvon pituus tai ympärysmitta, viestintäkaapelit ovat merkittävästi pitempiä kuin henkilöautoissa. Ja tilannetta pahentaa voimakas altistuminen ympäristön tuottamille häiriöille, jotka vain lisääntyvät kaapelien pidetessä. Tämä haittaa merkittävästi järjestelmän EMC-suorituskykyä (Electromagnetic Compatibility).
Esimerkkejä teollisuuden hyötyajoneuvoista.
Itseohjautuvuus hyötyajoneuvoissa
Rakennusteollisuuden ajoneuvoissa turvallisuus ja tehokkuus ovat kaksi tärkeää etua, joihin voidaan päästä itseohjautuvuuden avulla. Turvallisuutta voidaan parantaa integroimalla reaaliajassa toimivia videokameroita näköjärjestelmäksi, joka kattaa 360 astetta työpisteen ympärillä, jolloin koneen ja ihmisen välistä vuorovaikutusta voidaan vähentää.
Toinen teollisuusajoneuvoille automaation avulla saatava turvallisuusetu on koneiden kauko-ohjaus. Esimerkiksi rakennustyömaalla voidaan ottaa käyttöön kauko-ohjattava puskutraktori. Poistamalla kuljettaja kokonaan ajoneuvosta riski ohjaajan vahingoittumisesta voidaan eliminoida.
Lisäksi työn tehokkuutta voidaan merkittävästi parantaa hyödyntämällä GNSS-paikannusjärjestelmää (Global Navigation Satellite System) sekä asento- ja kiihtyvyysantureita, joiden avulla maaperän luokittelu voidaan automatisoida, mikä nopeuttaa työn saattamista loppuun.
Työn tehokkuus on itsenäisesti toimivien laitteiden tärkeä tavoite myös maataloudessa. Yhdistämällä kamerajärjestelmät ajoneuvon ohjausjärjestelmään pyörien vahingoittamien viljelykasvien määrää voidaan kulkureiteillä vähentää. Ajoneuvon nopeutta voidaan myös lisätä parantuneen ohjaustarkkuuden ansiosta ja kohottaa näin viljantuotannon saantoa sekä vähentää työhön tarvittavaa aikaa.
Myös puoliperävaunulliset rekka-autot voidaan integroida osaksi automaatiojärjestelmää. Viime vuonna testattiin jo täysin itsenäisesti ohjautuvaa kuorma-autoa oluenjakelussa. Järjestelmään liitettyjen kameroiden, Lidar-laitteen (Light Detection and Ranging) ja anturien avulla jakelurekka kykeni ajamaan täysin itsenäisesti läpi lukuisten USA:n läntisten osavaltioiden, jotka jo sallivat itsenäisten ajoneuvojen käytön liikenteessä. Tämä tekniikka lupaa suuria säästöjä energiakustannuksiin sekä parannuksia turvallisuuteen ja ajoneuvojen käytettävyyteen.
Näiden turvallisuutta ja tehokkuutta lisäävien parannusten saavuttamiseksi tarvitaan datansiirtoa läpi koko ajoneuvon hyvin pitkien kaapeliyhteyksien kautta. Seuraavassa tarkastellaan yleisimmin automaatiossa käytettäviä tekniikoita sekä niiden soveltuvuutta valtavan kokoisiin teollisuusajoneuvoihin.
Datansiirtotekniikat
Itsenäisesti toimivien ajoneuvojen eri video-, ääni-, anturi- ja telemaattisten alijärjestelmien liittämiseksi toisiinsa on tällä hetkellä useita vaihtoehtoja, joista CAN, CAN-FD, LVDS, MOST ja Ethernet ovat tärkeimmät. Kuten aiemmin todettiin, kunkin tekniikan sallima pisin kaapeliyhteys ja datansiirron kaistanleveys on otettava huomioon hyötyajoneuvojen valtavan koon vuoksi.
Taulukko 1 esittää eri datansiirtotekniikoiden suurimmat nopeudet ja kaapelipituudet maksimikaistanleveydellä.
Taulukko 1. Eri siirtotekniikoiden kaistanleveydet ja kaapeliyhteyksien maksimipituudet.
Vaikka CAN- ja CAN-FD-siirron datanopeudet soveltuvat paikallisten anturitietojen välittämiseen, ne ovat liian alhaisia videosignaalin siirtoon. Pakattu 4k-tasoinen videosignaali voi viedä siirtokaistaa yli 12 Mb/s, mikä on merkittävästi enemmän kuin CAN-FD:n suurin nopeus. Mitä enemmän järjestelmään lisätään kameroita, sitä enemmän tarvitaan kaistanleveyttä.
Yhdysvalloissa puoliperävaunullisen rekan pituus voi enimmillään olla 18 metriä. Tämä sulkee pois LVDS- ja 802.3bw-tekniikat (100Base-T1) niiden siirtotekniikoiden joukosta, jotka kykenevät videosignaalin siirtämiseen ilman toistimia tai kytkimiä. Jäljelle jää vain kaksi vaihtoehtoista datansiirtotekniikkaa, jotka toimivat riittävällä nopeudella pitkillä kaapeliyhteyksillä: MOST-tekniikka ja Quiet-WIRE-tekniikalla paranneltu Ethernet.
Sähkömagneettinen yhteensopivuus
Jotta voisi olla suuri ja vankka, on kestettävä rankkoja ympäristöoloja. Tämä tarkoittaa, että ympäristössä mahdollisesti esiintyvien häiriöiden sähkömagneettinen energia ei saa häiritä omaa toimintaa. Ja vieläkin tärkeämpää on, ettei itse tuota ympäristöön EMC-häiriöitä ja niiden aiheuttamia katkoksia datansiirtojärjestelmän viestintään.
Kaikki edellä mainitut tekniikat ovat riittävän vankkoja, jotta niitä voidaan soveltaa autoteollisuudessa. Taulukko 2 esittää eri signalointimenetelmät, joiden avulla vankka ja turvallinen toiminta voidaan toteuttaa kunkin tekniikan kaapeloinnissa.
Taulukko 2. Eri viestintätekniikoiden signalointimenetelmät.
Ethernet on saavuttanut vahvan aseman teollisuuden hyötyajoneuvoissa kilpaileviin tekniikoihin nähden korkealle arvostetun ja hyvin ymmärretyn EMC-suorituskykynsä, suuren kaistanleveytensä ja ennen muuta standardipohjaisen teknologiansa ansiosta. Tarkastellaanpa seuraavaksi, miten EMC vaikuttaa Ethernetin suorituskykyyn.
EMC:n keskeiset osat – säteilyemissiot ja häiriöalttius – voivat aiheuttaa datapakettien menetyksiä tiedonsiirrossa. Tällöin lähetetyn tai vastaanotetun datan tulkinnassa voi tapahtua virheitä järjestelmän solmuissa tai linkitetyissä oheislohkoissa.
Säteilyemission lähteitä saattaa olla lähistölle sijoitetuissa elektroniikkalaitteissa tai sähkömoottoreissa, jotka tuottavat häiriösignaaleja Ethernet-verkon liittimiin. Alttiutta tällaisille säteilyemissioille voidaan vähentää Quiet-WIREn kaltaisilla tekniikoilla, jotka parantavat vastaanotinpiirien herkkyyttä ja suodatuskykyä sekä vähentävät samalla häiriöemissioita myös lähetinpuolella.
BCI-menetelmä (Bulk Current Injection) on yleisesti käytetty tapa järjestelmän häiriönsiedon mittaamiseksi. Allaolevassa kuvassa esitetään Quiet-WIRE-pohjaisten vastaanottimien suorituskyky BCI-mittausmenetelmää käytettäessä.
Tulokset vahvistavat, että Quiet-WIRE-vastaanottimien siirto on virheetöntä koko 1 – 400 megahertsin taajuusalueella, kun mukaan on syötetty 200 mA suuruinen häiriövirta. Tämä ylittää selvästi autoteollisuuden asettamat vaatimukset. Sen sijaan niillä vastaanottimilla, jotka eivät hyödynnä Quiet-WIRE-tekniikkaa, signaalin vastaanottokyvyssä nähdään 9 desibelin heikennys, mikä vastaa lähes kymmenen kertaa huonompaa suorituskykyä.
Quiet-WIRE-pohjaisen fyysisen kerroksen suorituskyky datansiirrossa normaaliin kerrokseen verrattuna.
Toinen Quiet-WIRE-tekniikan tarjoama etu on signaalin laatua ilmaiseva toiminto Signal Quality Indicator. Sen tuottama numeerinen tieto kertoo kohteen signaali-kohinasuhteen, kaapelin pituuden ja laadun sekä ympäristöstä järjestelmään kytkeytyvien häiriöiden tason. Sitä voidaan seurata reaaliaikaisesti ja käyttää liitäntälinkkien virheiden ennustamiseen sekä varmistamaan, että järjestelmän suorituskyky vastaa standardeja ja tarjoaa korkean luotettavuuden ja turvallisen toiminnan.
Fyysiset kerrokset ja kytkimet
Täydellinen Quiet-WIRE-verkko voidaan toteuttaa käyttämällä Microchipin fyysistä siirtokerrospiiriä KSZ8061 ja kytkinpiiriä KSZ8567. Allaolevassa kuvassa nähdään teollisuusajoneuvoille tarkoitetun järjestelmän lohkokaavio toteutettuna näillä piireillä. Kumpikin piiri tarjoaa erilliset valintanastat (strapping pin option), joiden avulla Quiet-WIRE voidaan ottaa käyttöön jo piirin valmistusvaiheessa ilman minkään ohjelmiston asentamista. Suodatustoiminto voidaan kuitenkin tarvittaessa poistaa käytöstä ohjelmallisesti.
Quiet-WIRE-tekniikan lisäetuna on yhteensopivuus kaikkiin standardin mukaisiin Ethernet-laitteisiin. Esimerkiksi standardin mukaista Ethernet-diagnostiikkatyökalua voidaan käyttää Quiet-WIRE-kytkimen kanssa ja silti päästä tavallista Ethernetiä parempaan suorituskykyyn.
Teollisuusajoneuvon dataverkon rakenne.
Microchipillä on kaikkiaan 24 Quiet-WIRE-tekniikkaa hyödyntävää Ethernet-piiriä valikoimassaan, joka sisältää myös AEC-Q100-hyväksyttyjä tuotteita, jotka tukevat laajennettua käyttölämpötila-aluetta aina 105 asteen lämpötilaan asti.
Vankka rakenne tarpeen
Nyt on mahdollista saavuttaa vankka ja luotettava toiminta kaikkein suurimmissa ja kovimpiin oloihin tarkoitetuissa ajoneuvoissa kuten rakennustyömaiden ja maatalouden hyötyajoneuvoissa sekä puoliperävaunullisissa rekka-autoissa.
Microchipin täydellinen Quiet-WIRE-piirien valikoima kattaa kaikki ajoneuvojärjestelmän suunnittelun osatekijät kaapelien pituuksista ja datanopeuksista EMC-ominaisuuksiin. Piirien avulla autonomisen ajoneuvon kokonaisjärjestelmän integrointi sujuu vaivattomasti.
Quiet-WIRE-ratkaisun paranneltu, jopa kymmenkertainen EMC-suorituskyky aina 80 metrin kaapelipituuksiin asti on suureksi avuksi, kun tavoitellaan siirtymistä entistä turvallisempien ja tuottavampien teollisuusajoneuvojen aikakauteen.
Lisätietoja Quiet-WIRE-tekniikasta:
www.microchip.com/quiet-wire
Muut lähteet:
- http://www.forconstructionpros.com/equipment/earthmoving/excavators/product/12075529/volvo-construction-equipment-volvo-ew160e-ew180e-wheeled-excavators
- https://www.youtube.com/watch?v=yAsi7m3X8pI
- http://www.cat.com/en_US/by-industry/mining/surface-mining/surface-technology/command/command-for-dozing.html
- http://www.komatsuamerica.com/innovation/intelligent-machine-control
- https://www.deere.com/en_US/products/equipment/ag_management_solutions/guidance/guidance.page
- https://www.forbes.com/sites/alanohnsman/2016/10/25/this-buds-for-the-robot-otto-anheuser-busch-claim-first-automated-truck-shipment/#5c122c845615
- http://blog.streamingmedia.com/2015/01/4k-streaming-bandwidth-problem.html
Autoteollisuus on siirtymässä yhä monimutkaisempiin ohjelmistopohjaisiin järjestelmiin, joissa virheetön ohjelmisto on elintärkeää turvallisuuden ja suorituskyvyn varmistamiseksi. Ohjelmiston laatu ja luotettavuus eivät ole enää vain valinnaisia ominaisuuksia, vaan kriittisiä vaatimuksia erityisesti autonomisessa ajamisessa, kehittyneissä kuljettajaa avustavissa järjestelmissä (ADAS) ja yhdistetyissä ajoneuvojärjestelmissä.
Kestävä digitaalinen infrastruktuuri on kriittinen, jotta tietoliikenneverkot voidaan tehokkaasti valjastaa tekoälyinnovaatioiden ja pilvipohjaisten palveluiden tarpeisiin. Tekoälyyn liittyvien datarikkaiden sovellusten lisääntyvä kysyntä edellyttää tietoliikenneverkkoa, joka kykenee käsittelemään suuria tietomääriä alhaisella viiveellä, kirjoittaa Orange Businessin kumppaniratkaisuista vastaava Carl Hansson.
Euroopan unioni ottaa merkittävän askeleen avaruusteknologian kehittämisessä allekirjoittamalla sopimuksen uuden IRIS²-satelliittijärjestelmän toteuttamisesta. Tämä 290 satelliitin verkko on suunniteltu vahvistamaan Euroopan itsenäisyyttä ja turvallista yhteydenpitoa.
Jotta voidaan vastata uuden teknologian vaatimuksiin ja pitää järjestelmät toimimassa ”kellon tavoin”, on aika harkita ajoitusratkaisuja uudelleen. Tässä kaksiosaisessa "Precision Timing" -artikkelissa opit, miksi mikroelektromekaanisiin järjestelmiin eli MEMS-komponentteihin perustuvat piiajoituslaitteet päihittävät kvartsin elektroniikkasuunnittelun uudella aikakaudella. 
Matalatehoisten langattomien ratkaisujen asiantuntija Nordic Semiconductor ja eSIM-ratkaisuja kehittävä Kigen ovat julkistaneet yhteistyön, joka sujuvoittaa massiivisten IoT-verkkojen käyttöönottoa. Yhdessä he esittelevät CES 2025 -messuilla ratkaisun, joka yhdistää Nordic Semiconductorin nRF9151-moduulin ja Kigenin SGP.32 IoT eSIM-teknologian sekä laitteiden hallinta-alustan.
