�rea Cient�fica: Sistemas Embebidos
Development of a Fault Tolerant Architecture for Automotive Steering Angle Sensor
Publicada a 2020-01-27
Aluno: Pedro Alexandre Costa Lobo       N�mero: 77979       Email: pedrolobo218@gmail.com
Data in�cio: 16/09/2019   

Orientador(es):
Nome: Jorge Miguel Nunes dos Santos Cabral
Email: jcabral@dei.uminho.pt   

Descri��o:

O progresso na indústria automóvel nos últimos anos deve-se maioritariamente à substituição de sistemas mecânicos por sistemas eletrónicos (E/E systems). Os sistemas X-by-Wire, como o Brake-by-Wire e o Steer by Wire (SbW) são exemplos desta tendência (Huang et al. 2019). Estes sistemas visam trazer diversas melhorias de performance, segurança e conforto nos automóveis.

Atualmente os sistemas SbW já se encontram presentes em veículos no mercado, como por exemplo o Nissan's Infiniti Q50 (TIM ROBSON 2016). Devido à falta de fiabilidade e desconfiança do público, os produtos atualmente existentes no mercado ainda mantêm sistemas de backup mecânicos, que são ativos em caso de falha, tal como a coluna de direção. Estes sistemas de backup trazem desvantagens para o SbW, (ZUO et al. 2008), visto que aumentam a sua complexidade de desenvolvimento e o seu custo. Relativamente à coluna de direção, em caso de acidente frontal pode provocar a morte do ocupante por perfuração (Shaikh et al. 2015). Para que seja possível a remoção dos sistemas de backup mecânicos, é necessário aumentar a fiabilidade do SbW, bem como a confiança do publico nestes sistemas.

Um sistema SbW é responsável por controlar a direção do veículo, interpretando as intenções do condutor através de sensores e enviando, através de um sistema de comunicação (por fios ou sem fios), os comandos para os atuadores (Huang et al. 2019).O subsistema do SbW responsável por adquirir o ângulo do volante é chamado de steer angle sensor (SAS), o qual será o foco desta dissertação.

Dependendo da criticidade da funcionalidade dos E/E systems, um defeito nestes pode causar um simples constrangimento, como por exemplo um vidro não abrir, ou até a perda de vidas. Devido à existência de risco para a vida humana, é necessário estabelecer guidelines de segurança funcional para o desenvolvimento de E/E systems. O standard ISO 26262 é o documento responsável por ditar as normas de segurança funcional dos E/E systems, em todas as suas fazes do seu ciclo de vida (ISO 2018). Este standard fornece uma classificação com base no risco, a automotive safety integrity level (ASIL). Esta análise de risco é o resultado da combinação da análise de três pilares (Lee et al. 2014): (1) a probabilidade de ocorrência de um defeito (exposure (E)), (2) o grau de perigo para a vida humana em caso de defeito (severity (S)), (3) a probabilidade de perda do controlo do veículo em caso de defeito (Controllability (C)). Esta classificação vai desde a de menor grau, ASIL A, em que os requisitos de segurança são menos exigentes, até à de maior grau ASIL D, a qual possui o maior grau de exigência de requisitos de segurança. O SAS é um sistema classificado como ASIL D.

Um defeito no SAS pode comprometer a funcionalidade do SbW, podendo levar a que o condutor perca o controlo do veículo, resultando em perdas monetárias e podendo até mesmo resultar na perda da vida do condutor e dos ocupantes. Para que o sistema seja fiável e atenda ao mais alto nível de requisitos de segurança funcional automóvel, o seu desenvolvimento deve incluir técnicas de prevenção, deteção e mitigação de falhas.


Objectivos:

Esta dissertação visa desenvolver uma arquitetura de hardware fault-tolerant e fail-operation para o sistema SAS. Numa primeira fase (conceito 1), os objetivos consistirão em desenvolver uma arquitetura que consiga suportar a funcionalidade pretendida para o sistema. Esta consiste em: (1) Adquirir o ângulo do volante proveniente de um elemento sensitivo. (2) Processar a informação adquirida. (3) Enviar a informação para fora do sistema. Por último, nesta fase, será necessário testar a correta funcionalidade do sistema.

Numa segunda fase (conceito 2), o objetivo será identificar as possíveis falhas nos diversos componentes e aplicar-lhes métodos de tolerância a falhas. Isto implica que todas as falhas sejam identificadas e categorizadas. Para as falhas identificadas, será necessário desenhar mecanismos de tolerância a falhas. Inicialmente, será utilizada apenas a redundância homogénea e, posteriormente será explorada a redundância heterogénea de modo a mitigar falhas de modo comum. Após a implementação desta arquitetura, serão realizados testes de funcionalidade e de cobertura aos mecanismos de tolerância a falhas. O objetivo destes testes visam avaliar a existência de possíveis fragilidades de design que poderão existir.

Por último (conceito 3), esta arquitetura será refinada, explorando o conceito de fail-operational.


Palavras chave:
Fault Tolerant Design, Fail-operational, Functional Safety, Steering angle sensor, Steer by Wire

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