Los sistemas de monitoreo de conductores pueden prevenir miles de accidentes de conducción distraídos

Según la Administración Nacional de Seguridad del Tráfico en las Carreteras, solo en 2018 murieron 2.841 personas por conducir distraído. Al evaluar todos los accidentes de tráfico, el Euro New Car Assessment Program (NCAP) descubrió que el noventa por ciento de ellos se remontaba a errores humanos, que, además de las infracciones por exceso de velocidad y conducir bajo la influencia, incluyen "falta de atención, fatiga, (y) distracción."
Para abordar este problema, los ingenieros han creado tecnología que ayudará a prevenir la conducción distraída o fatigada. Un enfoque completamente autónomo no es la única opción. Hay un término medio útil para equilibrar el control del conductor y el vehículo. Estos sistemas se denominan sistemas de monitoreo de controladores (DMS).

¿Qué son los sistemas de monitoreo de controladores?

El colaborador de RIDE, Christian Wardlaw, explica que un DMS funciona mediante el uso de una cámara acoplada a carga que incluye sensores infrarrojos. Wardlaw explica que esta cámara está montada en la columna de dirección de un vehículo y "emplea detectores de LED infrarrojos que rastrean los movimientos oculares del conductor, monitorean la posición de la cabeza e incluso miden la actividad de los párpados".
Estos datos permiten al sistema determinar la conciencia del conductor y, si es necesario, emitir una alerta al conductor para que tome un descanso o advierta sobre situaciones potencialmente peligrosas.

La conducción distraída y somnolienta representa un gran porcentaje de muertes relacionadas con el tráfico en los EE. UU. Imagen utilizada por cortesía de Maxim Integrated (PDF)

Muchas compañías automotrices están comenzando a implementar esta tecnología, incluidas Lexus y Cadillac. Estos sistemas pueden controlar la posición de la cabeza, el movimiento de los ojos y la actividad de los párpados. Usando sensores IR, un DMS puede continuar monitoreando estas características, incluso si el conductor lleva gafas de sol o conduce en condiciones de poca luz, ya sea de noche o cuando hace mal tiempo.
Wardlaw informa que Subaru está subiendo la apuesta, siendo el primero en implementar el reconocimiento facial en su DMS. Con esta tecnología de reconocimiento facial, estos sistemas pueden personalizar el entorno del automóvil en función del conductor, ajustando el asiento, la posición, modificando la temperatura y ajustando de manera predeterminada las preferencias de entretenimiento de un individuo.

Retos de diseño de los sistemas de monitoreo de controladores

Si bien el sistema parece relativamente sencillo, hay una miríada de desafíos de diseño que esos sistemas de monitoreo de controladores de ingeniería deben enfrentar. Primero, según Texas Instruments, estos dispositivos deben ser flexibles en su ubicación y huella dentro del automóvil. No pueden ocupar mucho espacio, teniendo en cuenta que se montarán en una columna de dirección o tablero de instrumentos.
El dispositivo también debe funcionar a baja potencia para evitar agotar la vida útil de la batería del automóvil. Con estos dos requisitos, el hardware y el software deben optimizarse para una huella mínima, un bajo consumo de energía y una excelente gestión térmica. Además, estos algoritmos de visión deben poder recopilar y analizar datos de manera rápida y eficiente.

La cara del conductor se analiza en DMS. Imagen utilizada por cortesía de Texas Instruments.

Los dispositivos que se alimentan deben lidiar con grandes sobretensiones y caídas en el voltaje de la batería, especialmente teniendo en cuenta que su nivel nominal de 12 V puede caer a 4.5 V durante una "manivela en frío" y hasta 60 V durante un "volcado" de voltaje, según Maxim Integrated (PDF)
Los sistemas sensibles dentro del automóvil, específicamente el circuito de encendido por chispa y la radio, emiten y son susceptibles a la radiación electromagnética (EM). Como tal, estos DMS deben ser capaces de resistir el ruido EM de alta frecuencia mientras emiten poco ruido para proteger otros circuitos.

Ejemplos de componentes centrados en DMS

En los últimos años, varios fabricantes de semiconductores se han centrado en la tecnología centrada en DMS, teniendo en cuenta el tamaño, la eficiencia energética y las consideraciones de radiación EM.

Controlador LED
Por ejemplo, Maxim Integrated ha desarrollado un producto que puede alimentar el DMS mientras tiene en cuenta las limitaciones de los sistemas. La familia MAX2005x de controladores LED sincrónicos
con MOSFET integrados están diseñados para aplicaciones automotrices. A continuación se muestra el sistema de cámara IR-LED para el DMS:

Estructura de una cámara IR-LED para DMS. Imagen utilizada por cortesía de Maxim Integrated (PDF)

Como podemos ver, el controlador LED es integral para proporcionar una señal al procesador de visión, y debe funcionar en cualquier entorno. Maxim Integrated considera la familia MAX2005x como una solución de circuito síncrono de alta eficiencia, ilustrada en el siguiente circuito:

Imagen utilizada por cortesía de Maxim Integrated (PDF)

El chip consta de dos MOSFET de canal n de resistencia de bajo canal, que ayudan a mitigar cualquier pérdida y proporcionan un 86% de eficiencia a 2,1 MHz y un 92% de eficiencia a 400 kHz. Esto impulsa de manera confiable el LED IR, que funciona con voltajes de entrada que van desde 4.5 V a 60 V. El dispositivo emite poca radiación EM y es resistente a él.

Procesador de SoC
Texas Instruments ha desarrollado un procesador automotriz para sistemas de monitoreo de conductores. Se dice que la familia de procesadores de TI, el procesador TDA3x, cumple con muchos de los desafíos comunes de DMS. Tiene un tamaño reducido para colocar en cualquier lugar del vehículo y gestiona de manera eficiente las interacciones de hardware y software para minimizar la disipación de energía (~ 2.5 W).

La cartera de soluciones ADAS de TI. Imagen utilizada por cortesía de Texas Instruments.

TI también dice que el diseño de estos chips minimiza la pérdida de calor. Tiene la capacidad de emparejarse con múltiples sensores de cámara diferentes, como cámaras con obturador y LED IR. Estos procesadores también vienen con placas de evaluación para que los ingenieros puedan probar el procesador y tener múltiples conexiones a cámaras y otros sensores.

Cámara de nivel de oblea
Otra compañía, OmniVision, también ha desarrollado tecnología para reforzar DMS. Su nueva cámara MegaPixel de nivel 1 de wafter mide 6,5 mm x 6,5 mm y ofrece formato óptico de ¼ ", tamaño de píxel de 3 micras y resolución de 1280 x 800. OmniVision también señala que su cámara es más asequible que la mayoría de las cámaras DMS que usan lentes de vidrio.

CameraCubeChip de OmniVision. Imagen (modificada) utilizada por cortesía de OmniVision

En comparación con su competidor más cercano, la cámara disipa un 50% menos de potencia, minimizando también el aumento de temperatura.

Sistemas de monitoreo de conductores para carreteras más seguras

Colectivamente, estos dispositivos están impulsando las posibilidades de los sistemas de monitoreo de conductores en automóviles del futuro. La idea de autos completamente autónomos puede ser el objetivo final de un viaje seguro, pero por ahora, tener estos sistemas manteniendo una mano extra en el volante puede brindar la oportunidad de salvar miles de vidas.