自動車用ビジョンシステムの死角
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最新の車両を製造するメーカーは、ファミリーカーであれ商用輸送車であれ、道路の安全性を向上させるために自動車システムを導入しています。これらの先進運転支援システム（ADAS）は、アンチロック・ブレーキシステムのような既知の機能と車載インテリジェンスを組み合わせ、運転者の能力を高めるもので、その普及が進んでいます。アダプティブ・クルーズ・コントロール、車線逸脱警報、歩行者検知といった機能は、もはや高級車ブランドだけの専売特許ではなく、一般市場にも浸透してきました。
ADASは完全自動運転車への足がかりともなっていますが、安全性は依然として主要な懸念事項です。カメラはADAS技術の導入において中核的な役割を担っています。これらの視覚システムは単に画像を捉えるだけでなく、継続的な視覚情報の流れを提供することで、車載システムが周囲を認識し、理解し、反応することを可能にします。
自動車用ビジョンシステムの安全面における重要性は、単純なシナリオからも明らかです。時速約96.56キロメートル（60マイル）で走行中の車両が交差点に差し掛かった際、歩行者が道路を横断し始めます。 理想的な状況では、前方カメラがこの動きを検知し、車載ADASがカメラの出力情報を受け取ります。これによりブレーキ制御が作動し、事故を回避します。高速走行時において、データがわずか1ミリ秒でも破損すると、制動距離が数メートルも失われます。この数メートルの差が、安全に停止できるか、悲惨な衝突事故に至るかの分かれ目となるのです。
このシナリオにおける潜在的なデータ破損は、カメラ自体の故障によるものではありません。むしろ、カメラとプロセッサ間の接続に問題が生じているためです。 振動や衝撃から電磁干渉に至るまで、様々な環境条件が伝送の途絶を引き起こす可能性があります。自動車環境は、極端な温度変化や絶え間ない機械的ストレスにさらされる、世界で最も過酷な環境の一つです。設計者は、こうした厳しい条件に対応した設計を行い、重要な瞬間にデータが失われることがないよう確保しなければなりません。堅牢なコネクタは、ビジョンシステムの設計を成功させる上で不可欠です。
本ブログでは、自動車用ビジョンシステムの安全性を確保する上で信頼性の高い同軸コネクタが果たす役割について考察し、堅牢な接続性がADAS（先進運転支援システム）および自動運転車の性能を支える基盤となる点を強調しています。
前例のないデータ
現代のビジョンシステムは、絶え間なく膨大な量のデータを受信しています。このデータ量は、現在のカメラ技術によってさらに増大するため、より大きな技術的課題となっています。 コンパクトな800万画素カメラでも、最大60フレーム毎秒での動作が可能です。信号を圧縮した場合でも、このようなカメラからの出力は約7ギガビット毎秒（Gbps）に達します。この数値は急速に増加します。現代の車両には、完全なパノラマ映像を提供するために、約10台のこのようなカメラが搭載される可能性があるためです。[1] 極端なケースでは、この数値はさらに高くなります。したがって、ADAS機能は毎秒数十ギガビットに及ぶ連続的なデータフローを処理しなければなりません。
最新の完全自律走行プロトタイプのデータ要件はさらに高くなっています。視覚システムにレーダーやLiDARシステムを組み合わせることで、企業向けネットワークに匹敵する、あるいはそれを超えるデータレートが生み出されます。自動車エッジコンピューティングコンソーシアム（AECC）の推定によれば、こうした車両は1時間あたり0.4テラバイトから5テラバイトのセンサーデータを生成します。[2] これらのカメラによるデータ需要の増加は、車載アーキテクチャと広範な自動車インフラの両方に影響を及ぼしています。車両とあらゆるものとの通信（V2X）システムが安全性を高めるために情報を共有するためです。
車載の知覚システムが効果的に機能するためには、超低遅延かつ誤差をほぼ許容しない設計とされています。わずか数フレームの乱れでも物体認識モデルに影響を及ぼす可能性があります。先述のシナリオで示された通り、知覚処理におけるわずかな遅延すら許容されません。そのため、エンジニアは視覚データ伝送を単なるIT問題ではなく、重大な安全課題として扱う必要があるのです。
同軸ケーブル：安全の基盤
同軸接続は、ADASおよび自動車用カメラシステムの安全機能において、今や極めて重要な役割を担っています。ツイストペア方式とは異なり、同軸ケーブルは数メートルという距離において、リピーターを必要とせずにマルチギガビットのデータレートを確実に伝送することが可能です。カメラが車両の周囲にますます多く設置され、中央処理装置（CPU）から遠く離れた位置に配置されるようになる中で、この能力は不可欠となっています。
同軸技術は帯域幅以外にも多くの利点を提供します。多くの自動車設計では、映像データと電力の両方を同一ケーブルで伝送するファントム電源方式が採用されています。車両設計者は機能追加のプレッシャーに常に直面しており、同軸ケーブルによる電力供給は、ビジョンシステムに必要な性能を維持しつつ、重量とコストの両方を削減します。 同軸ケーブルは電磁妨害（EMI）に対する優れた耐性も備えています。これは、大電流や高周波が不要な影響を及ぼす可能性のある電気駆動システム、DC/DCコンバーター、高周波アンテナの導入に伴い、さらに重要性を増しています。
同軸技術は、自動車用ビジョンシステムにおいて実績のあるソリューションです。高い帯域幅と電力供給能力、電磁干渉耐性を兼ね備え、低遅延を維持しつつ信号の完全性を保ちます。ただし、より大きなリスクはケーブル自体ではなく、その終端部となるコネクタにあります。
弱点
不適切なコネクタの選択は、信頼性の高い映像伝送とデータ破損の分かれ目となります。インピーダンスの不整合、挿入損失、反射の影響を考慮すると、慎重な設計が不可欠です。車両環境は精密機器にとって過酷な場所であり、シールドが不十分なコネクタは弱点となり、干渉が重要なデータストリームに誤りを生じさせる原因となります。
自動車環境は、コネクタの安全な動作に直接的な物理的影響を及ぼします。コネクタが受ける継続的な振動は、フリッティング腐食による長期的な損傷を引き起こす可能性があります。これらの微小な動きは性能を著しく低下させ、極端な場合には断続的な、あるいは恒久的な開回路を引き起こす恐れがあります。
機械的応力もコネクタの性能に影響を及ぼします。自動車用コネクタは、-40℃から+125℃という極端な温度環境下でも耐えうる必要があり、同時に塵や湿気、汚染物質に対する密封性も求められます。長年にわたる振動や絶え間ない温度サイクルにさらされても、コネクタは性能を維持しなければなりません。こうした機械的、環境的、電磁的な課題が相まって、コネクタは自動車用ビジョンシステムにおいて最も重要かつ脆弱な部品となっています。
自動車向けカメラ接続ソリューション
TE Connectivity（TE）は、過酷な環境下での通信課題解決において数十年にわたる豊富な経験を有しています。TEの同軸製品群はその深い専門性を反映したものです。車両の自動運転レベルが向上するにつれ、コネクタの性能はより重要になっています。TEの自動車用コネクタは、自動車環境で一般的な振動、熱、電磁干渉（EMI）に耐えながら、必要な帯域幅を提供できるよう設計されています。
今日の進化を続けるビジョンシステム向けに、TEのカメラソリューション（FAKRA、MATE-AX、高性能カメラコネクタを含む）は、堅牢なカメラ接続ソリューションの幅広いラインナップを提供しています。
TEのFAKRAコネクタは、堅牢で標準化されたインターフェースとマルチギガビット性能を実現する能力により、業界全体で広く採用されています。TEの幅広いFAKRAコネクタ製品群は、安全性が極めて重要なビジョンシステムに必要なシールド機能を提供します。高いデータ帯域幅とコンパクトな設計ソリューションを必要とするアプリケーションには、MATE-AX小型同軸コネクタがこの機能を拡張します。 最大9GHzまで対応するMATE-AXは、高い耐振動性を実現するよう設計されており、実績あるAMPSEAL 16コネクタシステムの一部としてIP67/IP69Kの密封が可能です。 RTK031およびRG174ケーブルとの互換性を考慮した50オームの特性インピーダンスを備えたMATE-AXコネクタシステムは、カメラ用途に加え、テレメトリー、アンテナ、ECU、V2Xシステムなど幅広い分野で利用できます。
まとめ
自動車用ビジョンシステムは、単なる高解像度センサや高性能プロセッサ以上のものです。これらは重要ではありますが、安全な通信リンクによって接続されなければ、ADASが約束する安全性を実現することはできません。自動車環境は、機器やインフラに並外れた負荷をかける、厳しい課題の組み合わせを提示しています。
同軸ケーブルとそれを接続するコネクタは小型ですが、その役割は非常に重要です。カメラが捉えた各画素が、完全な状態で正確なタイミングで届くかどうかを決定します。ミリ秒が数メートルに相当する状況では、この信頼性が人命を救うことさえあります。信頼性の高いコネクタの設計は、センサやプロセッサ、アルゴリズムの設計と同様に極めて重要です。
出典
[1]https://www.edge-ai-vision.com/2020/05/how-many-cameras-do-we-need-29-says-waymo/
[2]https://www.nadimhossain.com/posts/7-hard-things-about-product-management-for-autonomous-vehicles-1/
著者
David Pikeは、インターコネクト業界全体で、その情熱と全体的なオタク気質でよく知られています。オンライン上の名前は「コネクタオタク」です。
著者について
TE Connectivityは、より安全で持続可能、生産的でつながった未来を創るグローバル産業技術リーダーです。過酷な環境下でも実績のある幅広い接続技術とセンサソリューションにより、輸送、産業アプリケーション、医療技術、エネルギー、データ通信、そして家庭における進歩を支えています。約140カ国のお客様と協働する約80,000名の従業員（うち7,500名以上のエンジニアを含む）を擁するTEは、あらゆる接続が重要であることを確約します。