Emettitori a infrarossi ad alta potenza per sistemi avanzati di assistenza alla guida

L'estate prima dell'ultimo anno di università ho fatto il barista, perlopiù stappando bottiglie e versando birra alla spina, niente di speciale. Chiudevamo alle 4 del mattino. Una notte, mentre stavo tornando a casa, mi sono addormentato a un semaforo. Sembra che abbia tenuto il piede premuto sul freno. Non so per quanto tempo ho dormito, ma penso di essere rimasto in quello stato per alcuni cicli del semaforo. Per fortuna non c'era nessuno in strada, quindi quando mi sono svegliato di soprassalto mi sono reso conto che non avevo fatto danni. Se guidate da qualche anno o avete fatto lunghi viaggi in macchina, scommetto che vi sarà capitato di sentirvi un po' stanchi, chiudere gli occhi per un po' più di un battito di ciglia. Magari avete alzato il volume della musica e cantato, oppure abbassato i finestrini per tenervi svegli. Si stima che almeno il 10% di tutti gli incidenti stradali a livello mondiale sia dovuto alla stanchezza. Secondo le stime della National Highway Traffic Safety Administration degli Stati Uniti, ogni anno 100.000 incidenti segnalati dalla polizia causano quasi 800 morti e 50.000 feriti. È un problema serio e le case automobilistiche stanno implementando soluzioni.

I produttori hanno inserito nell'ADAS un sistema di rilevamento della sonnolenza del conducente. In Europa, nel 2024, tutte le nuove auto dovranno essere dotate di un sistema di sorveglianza del conducente basato su telecamere per prevenire gli incidenti causati da colpi di sonno. In America, inizialmente l'opzione verrà installata sulle auto di fascia alta e verrà poi estesa a tutte le altre nei cinque anni successivi. Il sistema di sorveglianza del conducente deve essere in grado di valutarne lo stato di attenzione. La funzione è basata su una telecamera CMOS, come quelle presenti negli smartphone o nei sistemi di sicurezza, con un software proprietario per rilevare la frequenza del battito delle palpebre. La telecamera può essere posizionata dietro o accanto al supporto dello specchietto retrovisore o nel cruscotto e ha il campo visivo "a fuoco" sul viso. Il dispositivo fa affidamento su una fonte di luce esterna per illuminare il volto del conducente: sulla luce del sole durante il giorno e su un emettitore a infrarossi ad alta potenza nelle ore notturne.

I sensori CMOS sono sensibili alle lunghezze d'onda tra circa 350 nm e 1050 nm. I sistemi per rilevare se un conducente è assonnato utilizzano emettitori a infrarossi con intensità di picco di 850 nm o 940 nm, come il modello VSMA1094250X02 di Vishay. L'alta potenza si manifesta in due modi. In primo luogo, gli emettitori possono produrre un'elevata intensità. Con l'evoluzione dei chip a infrarossi, gli emettitori VSMA1094259X02 misurano 1,07 x 1,07 mm. Il contenitore misura 3,4 x 3,4 mm. Nel modello VSMA1094250X02 sono presenti due chip, impilati uno sull'altro, che producono un'intensità tipica di 1350 mW/sr con una corrente diretta pulsata di 1,0 A. In secondo luogo, gli emettitori sono progettati per elevate correnti di comando fino a 1,5 A (c.c.) e fino a 5 A (pulsati). A 5 A, l'emettitore ha un'intensità di 6000 mW/sr. Data l'elevata intensità, il sistema di telecamere per conducenti assonnati avrà un ingombro relativamente ridotto, avendo bisogno di un solo emettitore a infrarossi.

A differenza delle telecamere di videosorveglianza che hanno un ampio campo visivo, questo sistema ne ha uno molto più ristretto, che si concentra solo sul viso e sugli occhi del conducente. Gli emettitori a infrarossi sono dotati di lenti che completano questo angolo di visione con un angolo di mezza intensità di ±28°; metà della potenza emessa è focalizzata su questa stretta regione conica. Qualsiasi emettitore utilizzato dagli OEM del settore automotive deve soddisfare gli standard definiti da AEC-Q102 e avere una temperatura di funzionamento fino a 125 °C. Per risolvere i problemi di sicurezza legati all'elevata emissione di infrarossi, alcune soluzioni prevedono l'inserimento di sensori di prossimità come VCNL3040 per spegnere o ridurre la potenza degli emettitori quando qualcuno si avvicina troppo all'area di emissione. Per stabilire se l'illuminazione dell'abitacolo è sufficiente per rilevare gli occhi del conducente, è necessario un sensore di luce ambiente come il modello VEML6031X00.

I produttori stanno lavorando anche a un rilevamento esteso degli occupanti come parte di un sistema avanzato di assistenza alla guida. Per citare Bosch, "la soluzione di monitoraggio dell'abitacolo comprende conducente, altri occupanti e l'intera scena dell'abitacolo. Combinando la nostra conoscenza del settore automotive con una solida esperienza in visione artificiale e nei sistemi sensoriali, assicuriamo una sicurezza e un comfort superiori e rendiamo la guida autonoma un'esperienza sicura". Quando sono stati introdotti gli airbag per il conducente e il passeggero, in caso di incidente si attivavano entrambi. Le compagnie di assicurazione hanno fatto capire ai costruttori che la sostituzione di un airbag che si attiva quando il sedile passeggero è vuoto è molto costosa e li hanno incoraggiati a creare sistemi che rilevassero la presenza di un passeggero. Tutte le auto vendute in America e in Europa sono dotate di questo sistema. Quando il sedile del passeggero è occupato, nell'abitacolo si accende un LED di segnalazione. Funziona bene per gli airbag anteriori lato passeggero, ma ci sono airbag nel montante B ed airbag laterali nei sedili posteriori che richiedono la stessa funzione e si attivano solo quando i posti sono occupati. I sistemi di sorveglianza dell'abitacolo basati su telecamere consentiranno di identificare la posizione di tutti i passeggeri. I sistemi audio stanno diventando sempre più sofisticati e cambiano la sintonizzazione se ci sono passeggeri sui sedili anteriori e posteriori invece che solo su quelli anteriori. Anche la climatizzazione può essere "regolata" in base alla posizione dei passeggeri e all'angolazione del sole. Con l'avvento dei veicoli a guida autonoma, al posto dei sedili anteriori e posteriori in futuro potrebbe esserci un salottino. In questo caso, i sistemi di sicurezza, di climatizzazione e di intrattenimento avranno davvero bisogno di conoscere la posizione di ogni passeggero.

Come per il sistema che rileva se un conducente è assonnato, gli elementi di base del monitoraggio dell'abitacolo sono una o più telecamere ed emettitori a infrarossi ad alta potenza. Al posto di emettitori ad angolo stretto, verranno utilizzati emettitori ad angolo ampio per una distribuzione omogenea della luce all'interno dell'intero abitacolo. Verrà utilizzato un emettitore come VSMA108575X02 di Vishay. Chip emettitore, in tecnologia a doppio impilamento e contenitore termoconduttivo sono identici a quelli di VSMA109425X02, cambia solo la lente che, invece di concentrare la luce, la diffonde. L'angolo di mezza intensità di questo emettitore è ±75°. Poiché la stessa quantità di luce viene diffusa su un angolo più ampio, l'intensità in una singola area sarà minore. Con una corrente diretta pulsata di 5 A, VSMA108575X02 ha un'intensità di 1600 mW/sr. Anche in questo caso, quando l'abitacolo è buio servono degli emettitori. Può accadere di notte o con vetri molto oscurati.

Il rilevamento dei conducenti assonnati è diventato una realtà. E, nel giro di pochi anni, sarà una funzione standard di ogni nuova auto. Stanno arrivando sistemi di sorveglianza dell'abitacolo. Oggi, sulle strade cittadine si stanno sperimentando i veicoli a guida autonoma, in particolare quelli che svolgono compiti specifici come le navette che seguono percorsi di andata e ritorno tra due capolinea. Grazie ai sistemi di telecamere interne con emettitori a infrarossi ad alta potenza, la sicurezza e il comfort miglioreranno.