Aumentando la percepción del vehículo: el proyecto INPERCEPT

Vehículos definidos por software

Entre las medidas incluidas en la propuesta del Reglamento para Ley Europea de Chips (Chips Act), la UE busca crear bloques de software estandarizados y establecer interfaces que permitan desacoplar las funciones del software del hardware subyacente, para reducir la dependencia de proveedores específicos, asegurar el cumplimiento de las normativas aplicables y facilitar la integración de hardware de alto rendimiento en los diferentes sectores industriales (robótica, automoción, aeroespacial, ferrocarril, manufactura, etc.). 

En este contexto, surgen diferentes iniciativas complementarias para reforzar la soberanía y el liderazgo de la UE en la cadena de valor del automóvil, abordando, por un lado, una plataforma abierta de hardware para automóviles y, por otro, un ecosistema abierto para desarrollar los Vehículos Definidos por Software (SDV: Software Defined Vehicle) [1].  

La industria automotriz está apostando decididamente por este nuevo paradigma, reconociendo el potencial transformador del SDV. Empresas líderes como Tesla, Volkswagen y General Motors están invirtiendo fuertemente en plataformas y tecnologías que permiten una mayor integración de software en sus vehículos. Este cambio de enfoque promete no solo mejorar la experiencia del usuario, sino también ofrecer nuevas oportunidades de negocio y avances en la seguridad y eficiencia vehicular. 

Entre los múltiples beneficios de la arquitectura SDV destacan: 

• Las actualizaciones en el aire (Over-the-Air Updates; OTA), es decir, la capacidad del automóvil para reconfigurarse descargando software desde la red capaz de alterar el modo de operación del hardware que lleva embebido. Se aumenta así la flexibilidad y las posibilidades de personalización del vehículo, pudiendo incluso activar nuevas funcionalidades bajo demanda (por ejemplo, mejoras en los sistemas de conducción asistida; ADAS), aumentar la inteligencia de los algoritmos que procesan los datos captados por los sensores del vehículo u optimizar el rendimiento gracias al análisis de los datos operacionales. 

• La conducción colaborativa, potenciando la conexión entre vehículos y con la infraestructura (Vehicle-to-Vehicle: V2V, Vehicle to Infrastruture: V2I, Vehicle to Everything: V2X). Disponer de una arquitectura SDV permite adaptar el funcionamiento del hardware del vehículo a las actualizaciones y mejores de los servicios de conexión con otros elementos del entorno. 

En definitiva, este nuevo paradigma promete no solo mejorar la experiencia del usuario, sino también ofrecer nuevas oportunidades de negocio y avances en la seguridad y eficiencia vehicular. 

Aunque la arquitectura SDV ofrece importantes beneficios, debe también afrontar múltiples desafíos. En primer lugar, la seguridad es un aspecto crucial, ya que es necesario asegurar que los sistemas de software sean robustos frente a ciberataques, protegiendo así la integridad y funcionamiento del vehículo. Además, la interoperabilidad se presenta como un reto clave, dado que es fundamental garantizar que los diferentes componentes de software y hardware, provenientes de diversos proveedores, funcionen de manera conjunta y sin inconvenientes. Por último, el cumplimiento de las regulaciones y normativas es otro desafío importante, ya que estas varían considerablemente entre diferentes regiones y mercados, abarcando aspectos de seguridad y emisiones que deben ser respetados para asegurar la viabilidad y aceptación de estos vehículos en el ámbito global. 

En los siguientes apartados se comparan las arquitecturas clásicas con las propuestas de SDV y se detalla cómo esta arquitectura puede facilitar la conducción colaborativa gracias a las comunicaciones V2X para concluir detallando la forma en que se ha desplegado dicha arquitectura en el proyecto INPERCEPT y los resultados obtenidos en las simulaciones y pruebas de campo realizadas aplicando este paradigma a diferentes casos de uso de conducción colaborativa. 

Arquitecturas Tradicionales de la Electrónica de un vehículo 

Desde el advenimiento de la primera Unidad de Control Electrónico (ECU) en la década de 1970, estas unidades han sido el pilar fundamental de la arquitectura distribuida predominante en la industria automotriz. En ésta, cada ECU realiza una función específica dentro del vehículo, como el control de frenos, el control del motor, la elevación de vidrios y las luces, entre otros (ver Figura 1).

 

Actualmente, un vehículo puede contar con más de 100 ECU, reflejando la tendencia de añadir una nueva unidad ECU por cada nueva funcionalidad requerida en el vehículo. 

Sin embargo, el aumento de la complejidad en los vehículos, con cada vez más avances tecnológicos y posibilidades en materia de seguridad, confort, entretenimiento a bordo, etc., hace que esta arquitectura tradicional presente varios desafíos para la industria automotriz: 

• Aumento del cableado: Cada nueva ECU requiere la adición de cableado de datos y alimentación, lo que incrementa el peso y el espacio físico necesario dentro del vehículo. 

• Componentes electrónicos obsoletos: Los microcontroladores de las ECU suelen basarse en tecnologías más antiguas en la fabricación del silicio, como los 90 nm. 

• Limitaciones de velocidad: Se utilizan buses de datos antiguos, con velocidades limitadas (8-10 Mbps) o Ethernet con velocidades limitadas. 

• Rigidez funcional: Las ECU están diseñadas y programadas para un único propósito, sin posibilidad de reprogramación o reutilización para nuevas funciones. 

• Heterogeneidad de proveedores: Cada ECU suele provenir de un proveedor diferente, lo que causa una gran heterogeneidad en la integración. Además, estas unidades suelen ser “cajas negras” con una arquitectura cerrada, lo que limita la escalabilidad y evolución del vehículo. 

• Dependencia de proveedores: La dependencia existente con determinadas ECU pone en riesgo el tiempo de llegada al mercado debido a problemas de fabricación con ciertos proveedores. 

Estas limitaciones,  que se acentúan con el aumento de la complejidad de las funcionalidades de los nuevos vehículos, hacen que la arquitectura electrónica tradicional se vuelva menos viable tanto desde el punto de vista tecnológico como del económico. 

Arquitectura SDV (Software Defined Vehicle) 

La tecnología y la ciencia avanzan rápidamente en prácticamente todos los ámbitos, y el mundo de la automoción no es la excepción. Nuevos enfoques han irrumpido en la arquitectura tradicional, obligando a una industria históricamente centrada en la integración y la ingeniería de hardware o elementos mecánicos, a transformarse en una industria más alineada con el entorno tecnológico de IT y el uso de inteligencia artificial. 

Esta transformación está causando una disrupción en el mercado automotriz y el surgimiento de nuevos actores con enfoques innovadores. Esto incluye el uso de nuevas fuentes de energía que son más compatibles con una creciente conciencia ecológica respecto al uso de recursos y las repercusiones ambientales. Además, los procesos de producción se están volviendo más ágiles, contrastando con el enfoque automotriz tradicional que requería años para lanzar nuevos productos al mercado. 

A su vez, hay una clara tendencia hacia un mundo hiperconectado, donde los vehículos se perciben como un escalón más en la digitalización de nuestro entorno. Esto conlleva y requiere el uso de nuevas tecnologías que la arquitectura tradicional no puede manejar debido a las limitaciones en capacidades de comunicaciones y procesamiento, necesarias para la digitalización del sector. 

Adicionalmente, el sector de la automoción está fuertemente comprometido con aspectos de seguridad, con el fin de proteger a conductores y usuarios, tanto activos como pasivos. Esto ha llevado a la incorporación de una nueva hornada de elementos o funciones de seguridad que mejoran o incluso reemplazan las funciones de conductores y usuarios, como son los sistemas ADAS o los vehículos autónomos de diversos niveles. 

Los nuevos Vehículos Definidos por Software (SDV), vienen a paliar estas limitaciones gracias a: 

Una Arquitectura Centralizada:  

• Simplificación del diseño: La arquitectura SDV reduce la complejidad del hardware. 

• Unidad central potente y/o agrupaciones zonales: utiliza un menor número de unidades de procesamiento, pero más potentes lo que las permite controlar diversas funciones del automóvil simultáneamente y centralizar la conectividad tanto interna como externa, reduciendo así el número de ECU y buses de datos instalados en el automóvil. 

Una Arquitectura Conectada: 

• Conectividad para actualizaciones (OTA): Permite actualizar funcionalidades o corregir errores rápidamente a través de actualizaciones de software mediante comunicaciones avanzadas como, por ejemplo, 5G. 

• Ampliación de la conectividad: Permite la comunicación con otros vehículos o infraestructuras usando nuevos protocolos como V2X, incrementando la seguridad y el conocimiento del entorno. 

• Gestión remota: Capacidad para manejar y supervisar flotas de vehículos o vehículos específicos a distancia. 

La coexistencia de ambas aproximaciones ofrece, entre otros, los siguientes beneficios: 

• Ecosistema abierto: Soporta múltiples proveedores con sus soluciones, en lugar de arquitecturas cerradas. 

• Alta capacidad computacional: puede manejar diversas cargas funcionales del sector automoción. 

• Aceleración IA: Capacidad de procesado algoritmos de inteligencia artificial embebidos o incluso distribuidos en la red (Egde o Cloud). 

• Modificable: Permite agregar características específicas. 

• Eficiencia y escalabilidad: Rompe las limitaciones de la arquitectura distribuida tradicional basada en microcontroladores, habilitando diseños más eficientes, escalables e innovadores. 

En la Figura 2 se presenta un ejemplo de arquitectura SDV. En el centro, un módulo central (Central Compute) gestiona todas las operaciones, conectado a través de un “Ethernet Switch” que distribuye datos entre los distintos sistemas del vehículo. Estos sistemas incluyen la conectividad, la autonomía de nivel 4, la batería y el tren motriz eléctrico. Por otro lado, etiquetados con una ‘Z’, se encuentran las zonas de control distribuidas por el vehículo. 

Por otro lado, en la Figura 3 se muestra una previsión de mercado de la transición de la arquitectura tradicional hacia una nueva arquitectura definida por software. 

V2X y la conducción cooperativa

La conducción cooperativa, habilitada por la comunicación V2X, abre nuevas posibilidades para mejorar la seguridad y eficiencia en la carretera. En lugar de depender únicamente de los sensores a bordo del vehículo, como cámaras o radares, V2X permite que los vehículos intercambien información con otros vehículos cercanos y con la infraestructura inteligente, desplegada en intersecciones y otros puntos de la vía con alto riesgo de colisión. Este flujo de información adicional amplía el rango de percepción de los vehículos, facilitando una toma de decisiones más segura y eficiente. 

Gracias a la conducción cooperativa, los vehículos pueden anticipar situaciones de riesgo que, de otro modo, quedarían fuera de su campo de visión. Por ejemplo, un vehículo puede recibir información sobre la presencia de peatones en una intersección antes de girar, o sobre un coche que se aproxima desde una dirección oculta en un cruce. También se pueden anticipar riesgos para la seguridad de la conducción. Por ejemplo, en Wuxi (China) se han hecho ensayos en el área metropolitana en los que si los sensores de un vehículo detectan defectos en la calzada (por ejemplo, una superficie resbaladiza) envían esta información a un servidor central, que la transmite a otros vehículos. Además, la infraestructura vial conectada puede informar a los vehículos de condiciones del tráfico, estado de los semáforos, accidentes o peligros en la vía en tiempo real.  

Entre las aplicaciones prácticas de esta tecnología se incluyen la detección de peatones antes de maniobras críticas como giros o estacionamientos, lo que reduce el riesgo de accidentes en entornos urbanos. Asimismo, en intersecciones complejas, V2X permite la percepción anticipada del tráfico, ayudando a evitar colisiones. 

Arquitectura InPercept: extendiendo Capacidades del vehículo 

El proyecto INPERCEPT busca explotar las características de una arquitectura SDV para incorporar al vehículo sensores avanzados y conectividad V2X que le permitan operar de una manera más segura y eficiente. 

Para ello se ha diseñado una arquitectura SDV apoyada en una unidad central de procesamiento, una unidad de control telemática (TCU) para comunicaciones V2X y unidades electrónicas más pequeñas para el control de movimiento del vehículo, como se muestra en la Figura 4. 

Una de las funciones de la Unidad Central es integrar, sincronizar y analizar en tiempo real los datos heterogéneos, tanto en formato como en frecuencia de publicación, proporcionados por los diferentes sensores instalados en el vehículo (cámaras, LIDAR y radar) mediante algoritmos de Inteligencia Artificial capaces de fusionar estos datos para ofrecer al vehículo una percepción más precisa del entorno. De especial relevancia es la capacidad de esta arquitectura para garantizar la baja latencia en la comunicación entre los sensores, la Unidad Central que los procesa, la Unidad de Control Telemática que ofrecen al exterior la percepción del vehículo y las Unidades de Control de los elementos mecánico. 

Garantizar este trasiego de información en tiempo real permite al vehículo enviar dicha información al exterior para ser explotada por otros vehículos de su entorno, ofreciendo así funciones avanzadas de conducción cooperativa. 

Estas funciones se han validado en diferentes experimentaciones, conectando vehículos comerciales modificados para incorporar capacidad V2X con REMOTIS, una plataforma para experimentar con nuevas tecnologías del automóvil desarrollada íntegramente por Capgemini. La comunicación entre estos vehículos permite aumentar el rango de percepción de cada uno de ellos con los datos proporcionados por el otro, mejorando la seguridad en la conducción.  

En la siguiente imagen se observa una de las pruebas de frenado de emergencia realizadas. La prueba consistió en hacer circular el vehículo de Capgemini (visible en el fondo de la imagen) de forma autónoma para comprobar que se activan el frenado hasta detener el vehículo ante la proximidad de un peatón ubicado fuera de su campo de visión con intención de cruzar por delante. Esto fue posible debido a que la posición del peatón era detectada por uno de los vehículos y transmitida mediante V2X al de Capgemini. 

En la Figura 5 se muestra otra de las pruebas de percepción colaborativa realizadas. Ambos vehículos, el de Capgemini (en el fondo de la imagen) y el del partner (parte frontal izquierda de la imagen), detectaron y recibieron el vehículo negro estacionado que aparece en el centro de la imagen. 

Es importante destacar que la implementación de los microservicios V2X desarrollados es viable en los vehículos manuales (no autónomos) y conectados que están actualmente disponibles en el mercado, sin necesidad de esperar al despliegue generalizado de automóviles autónomos. Su implementación aumentaría la seguridad en la carretera, especialmente en situaciones de baja visibilidad, donde un peatón o vehículo podría no ser visto por el conductor o los sensores del vehículo, pero sí detectado por una RSU (Roadside Unit) instalada en la infraestructura vial o por otro vehículo.  

 

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Referencias 

[1] https://digital-strategy.ec.europa.eu/en/library/concept-paper-open-european-software-defined-vehicle-platform 

[2] https://www.intel.com/content/dam/www/central-libraries/us/en/documents/2024-04/automotive-sdv-solution-brief.pdf

[3] The Next step in E/E architectures. Whitepaper Bosch Group

Este proyecto ha sido subvencionado por el CDTI, cofinanciado con fondos Europeos del Mecanismo de Recuperación y Resiliencia y apoyado por el Ministerio de Ciencia e Innovación. Este proyecto tiene número de expediente PTAS-20211011