Procesamiento de señales en tiempo real para seguridad automotriz

p-07Sin adentrarnos mucho en el exaltadísimo mundo del automóvil, los principios básicos de sus movimientos de traslación vienen dados por un motor que convierte explosiones internas en un movimiento circular gracias al árbol de transmisión. Con dicho movimiento ya en las ruedas y gracias a la fuerza de rozamiento creada por el neumático y el asfalto, este se transmite al suelo y es capaz de iniciar la marcha. Además, para poder cambiar de dirección hay varios sistemas, el más común es que las ruedas directrices sean las delanteras (aunque también pueden serlo las cuatro en algunos vehículos) y con ellas originar ese cambio.

Así como se tiene un sistema para el cambio directriz, se tienen otros sistemas en el automóvil que permiten las tomas de decisiones internas para realizar las tareas adecuadamente con los mínimos errores de forma un tanto autónoma en tiempo real, para lo cual se debe entender que el punto clave está en el sistema de adquisición de datos y el procesamiento de señales en tiempo real.

Por lo cual se comentará sobre dicho sistema partiendo de que, la principal tarea de un Sistema de Adquisición de Datos (en inglés, Data Acquisition System, DAQ) es tomar una señal analógica, convertirla a formato digital y posteriormente enviarla a una computadora para realizar el monitoreo en tiempo real [1]. El término “tiempo real” se refiere a los sistemas en los que en los que “la corrección del sistema depende no solo del resultado lógico de computación, sino del momento en que se producen los resultados” [3].

Esencialmente, la DAQ es un proceso que toma datos de diferentes dispositivos y, a través del procesamiento digital de señales (en inglés, DSP), analiza, almacena y muestra los datos de forma precisa con el uso de varios equipos interconectados. Existen muchas ventajas al usar técnicas digitales para el procesamiento de señales en lugar de usar dispositivos analógicos tradicionales [2]:

Flexibilidad: Las funciones de un sistema DSP se pueden modificar y actualizar fácilmente con un software que implemente las aplicaciones específicas.

Reproducibilidad: El rendimiento de un sistema DSP puede ser repetido específicamente de una unidad a otra.

Confiabilidad: La memoria y la lógica del hardware DSP no se deteriora con el tiempo.

Complejidad: DSP permite implementar aplicaciones sofisticadas como el reconocimiento de voz y la compresión de imágenes con dispositivos portátiles livianos y de baja potencia.

Se han llevado a cabo muchas investigaciones para desarrollar algoritmos DSP y sistemas para aplicaciones del mundo real. En los últimos años, el rápido avance en las tecnologías digitales ha respaldado la implementación de sofisticados algoritmos DSP para aplicaciones en tiempo real. El DSP ahora se usa no solo en áreas donde se usaron métodos analógicos anteriormente, sino también en áreas donde la aplicación de técnicas analógicas es muy difícil o imposible. Se presentan varias aplicaciones populares del mundo real en el procesamiento de señales que han jugado un papel importante en la realización de los sistemas. Estas aplicaciones DSP incluyen la detección de multifrecuencias de tono dual, cancelación adaptativa de eco, técnicas de codificación de voz, técnicas de mejora de voz, procesamiento de señales de audio, técnicas de codificación de canales y procesamiento de imágenes [2].

 

Sistemas automotrices en tiempo real

En muchos sistemas ciberfísicos que soportan aplicaciones en tiempo real, las garantías temporales son muy importantes. Los sistemas automotrices son un ejemplo de ello, en estos sistemas se estudian soluciones de arquitecturas distribuidas en sistemas automotrices en tiempo real, se analizan componentes específicos en la unidad de control del motor y control de crucero adaptativo y además se analiza la planificación de tareas adaptativas de velocidad variable [4].

 

Planificación en tiempo real en CAN

Controller Area Network (CAN) es un bus de comunicación de datos en serie que se usa comúnmente en los sistemas automotrices actuales. Debido a su estructura física relativamente simple, CAN comenzó a ser adoptado como la principal solución automotriz de la electrónica a bordo. Para 2004, ya habían más de 50 familias de diferentes microprocesadores con capacidad CAN en un chip y se había convertido en un elemento obligatorio para todos los automóviles y camionetas.

Los nodos en una red CAN se comunican entre sí a través de cuatro tipos de frames: frames de datos, frames de solicitud de transmisión remota, frame de sobrecarga y frame de error. La programación se centra principalmente en el frame de datos.

 

Sistemas automotrices distribuidos en tiempo real

La literatura reporta que en sistemas automotrices distribuidos se aplican dos modelos de activación, el modelo de activación periódica y el modelo de activación basado en los datos, lo cual proporciona garantías de latencias de extremo a extremo para cargas de trabajo en tiempo real.

 

Técnicas de planeación en tiempo real en sistemas automotrices

Los sistemas multinúcleo y multiprocesadores en tiempo real son comúnmente utilizados en los sistemas automotrices para proporcionar un control de seguridad avanzado y ofrecer una experiencia cómoda para los clientes. La arquitectura de sistemas abiertos automotrices (por sus siglas en inglés Autosar, sugiere la planeación de prioridad estática. Sin embargo, existen dos limitaciones de dicha implementación. Una es la falta de garantía en las restricciones de tiempo de prioridad más baja y el problema de compartir recursos, lo cual se encuentra dentro de los problemas abiertos en investigación.

Un panorama general del procesamiento de las señales en tiempo en el sector automotriz viene de la mano con el Internet de las Cosas, representado en la siguiente figura:

En resumen

Los sistemas de procesamiento de señales en tiempo real procesan actualmente 250 variables que llegan a la Unidad Central de Procesamiento, presentando vulnerabilidad en seguridad al momento de transmitir información entre los dispositivos, generalmente en el medio de transmisión. El uso de técnicas de procesamiento de señal en el diseño e implementación de aplicaciones criptográficas y de seguridad es el comienzo de nuevas maneras de diseñar de manera segura para protección de los usuarios.

 

Referencias

 

[1] Khan J., Shankar B., Khatri P. “Review Paper: Real Time Based Data Acquisition System.”, International Journal on Recent and Innovation Trends in Computing and Communication., (2016).

 

[2] Sen M Kuo, Bob H Lee, Wenshun Tian “Real-Time Digital Signal Processing, Implementations and Applications.”, John Wiley & Sons Ltd., (2006).

 

[3] Reekie, H. J “Realtime Signal Processing – Dataflow, Visual, and Functional Programming.”, Citeseer., (1995).

 

[4] Selman, S., & Paramesran, R. “Comparative analysis of methods used in the design of DTMF tone detectors.”, In Telecommunications and Malaysia International Conference on Communications, IEEE International Conference., (2007).

 

[5] S. Kikuchi, H. Kitano, J. Matsuda & Paramesran, R. “A study on digital pushbutton signaling receiver.”, Review of Electr. Commun. Lab., (1979).

 

 

* amedina@inaoep.mx