Статьи по теме "Электрика и электроника"

Системы автоматического управления автомобилем

Стремительное развитие автомобильных электронных систем делает реальной идею беспилотного автомобиля. Многие автопроизводители и другие компании активно работают над созданием системы автоматического управления автомобилем. Задача решается по двум направлениям:

  • комплексная автоматизация автомобиля;
  • автоматизация отдельных режимов движения транспортного средства (парковка, движение в пробках, перемещение по автомагистрали).

Комплексный подход к созданию беспилотного автомобиля реализуют только две фирмы – могущественный Google и амбициозная российская компания РобоСиВи. В настоящее время разрабатываются и внедряются различные системы автоматической парковки, обеспечивающие параллельную и (или) перпендикулярную парковку автомобиля в автоматическом режиме. Парковочный автопилот имеют в активе BMW, Ford, Mercedes-Benz, Nissan, Opel, Toyota, Volkswagen.

Дальнейшее совершенствование системы адаптивного круиз-контроля позволяет реализовать автоматический режим движения автомобиля в пробках. В данном направлении работают Audi, Ford. Другим направлением является автоматизация движения автомобиля по автомагистрали. Разработки BMW, Cadillac основываются на существующих системах активной безопасности.

Система автоматического управления

В настоящее время система автоматического управления от Google реализована на шести опытных автомобилях Toyota Prius, Lexus RX 450h и Audi TT, которые проехали в беспилотном режиме свыше 450000 км. Для реализации функций автоматического управления система включает в себя следующие входные устройства: лидар, радары, видеокамера, датчик оценки положения, инерционный датчик движения, GPS приемник.

Лидар сканирует область вокруг автомобиля на расстоянии более 60 м и создает точную трехмерную картину его окружения. Лидар представляет собой вращающийся датчик на крыше автомобиля.

Радары помогают определить точное положение удаленных объектов. На автомобиле установлены четыре радара, три из которых расположены в передней части, а один радар – сзади.

Видеокамера определяет сигналы светофора и позволяет блоку управления распознавать движущиеся объекты, в т.ч. пешеходов и велосипедистов. Видеокамера располагается на лобовом стекле за зеркалом заднего вида.

Датчик оценки положения фиксирует движение автомобиля и помогает определить его точное местоположение на карте. Датчик оценки положения установлен на левом заднем колесе.

Инерционный датчик движения измеряет направление ускорения или замедления, продольный и поперечный крен кузова автомобиля, при его движении. Используется датчик системы курсовой устойчивости.

Сигналы от входных устройств передаются в электронный блок управления, где производится их обработка в соответствии с заложенной программой и формирование управляющих воздействий на исполнительные устройства. В качестве исполнительных устройств используются конструктивные элементы рулевого управления, тормозной системы, системы курсовой устойчивости,системы управления двигателем.

Российский автопилот

Проект по созданию российского автопилота стартовал в начале 2012 года по инициативе компании РобоСиВи. Система включает два основных блока – навигационный комплекс ГЛОНАСС и т.н. комплекс технического зрения. Что входит в комплекс технического зрения компания пока не раскрывает, говориться только о большом количестве датчиков.

В настоящее время производится тестирование системы на малогабаритной модели, в которой реализованы функции прокладки маршрута, трогания с места, маневрирования, торможения при возникновении препятствия (транспортное средство, люди). Несмотря на то, что российская компания работы начала значительно позже Google, она имеет все шансы добиться конкурентного преимущества за счет невысокой цены (предположительно в 50 раз дешевле Google) и универсальности.

Система Temporary Auto Pilot

В рамках проекта HAVit (Highly Automated Vehicles for Intelligent Transport – Высокоавтоматизированные автомобили для интеллектуального транспорта) в 2011 году была представлена полуавтоматическая система Temporary Auto PilotTAP(Временный автопилот). Система позволяет водителю в определенных условиях отдать управление автомобилем под контроль автоматики. По своей сути система является промежуточным этапом на пути к роботизированному автомобилю.

Система TAP объединяет в единое целое уже известные разработки Volkswagen: систему адаптивного круиз-контроля, систему помощи движению по полосе, систему распознавания дорожных знаков. В своей работе система Временного автопилотирования использует стандартные входные устройства перечисленных систем активной безопасности: лидар, радар, видеокамеру, ультразвуковые датчики.

Сигналы от входных устройств передаются в электронный блок управления, который с помощью исполнительных механизмов реализует следующие автоматические функции:

  • поддержание безопасного расстояния до впереди идущего автомобиля;
  • остановка и трогание с места;
  • движение по полосе;
  • распознавание знаков ограничения скорости и приведение скорости в соответствие с требованиями знака.

Система обеспечивает оптимальную степень автоматизации в зависимости от дорожной ситуации и состояния водителя, тем самым способствует безаварийному движению. Система работает на скорости до 130 км/ч. Система TAP полностью готова для внедрения на серийные автомобили.

Система Traffic Jam Assistant

Система Traffic Jam Assistant от Audi - первая серийная система автопилота для движения в пробках. Система автоматически поддерживает дистанцию до впереди идущей машины, тормозит, разгоняется, поворачивает, объезжает препятствия и даже уступает дорогу машинам экстренных служб. Конструктивно автопилот для пробок построен на основе адаптивного круиз-контроля и работает на скорости от 0 до 60 км/ч.

Система объединяет рад входных устройств: два радара, широкоугольную видеокамеру и восемь ультразвуковых датчиков. Радары сканируют определенные секторы на расстоянии 250 м. Видеокамера определяет дорожную разметку и различные препятствия. Ультразвуковые датчики контролируют пространство спереди, сзади и сбоку автомобиля. В любой момент работы системы водитель может взять управление автомобилем на себя.

Система Traffic Jam Assist

Систему автоматического движения в пробках готовит Ford и планирует ее использование на серийных автомобилях к 2017 году. Система Traffic Jam Assist включает радар и камеру, которые отслеживают движение соседних машин. Электронный блок управления выбирает нужную скорость и обеспечивает движение автомобиля в потоке.

Система ConnectedDrive Connect

Компания BMW работает над системой ConnectedDrive Connect (CDC), предназначенной для движения по автомагистрали. Система CDC включает ультразвуковой датчик, камеру, радары и лидар, сигналы от которых обрабатываются в электронном блоке управления. В результате воздействия на исполнительные механизмы различных систем автомобиля, изменяется его скорость и траектория движения. Помимо этого, система не превышает разрешенной на участке скорости, не производит обгон справа, а также возвращает автомобиль в свой ряд после обгона. В общем, в автопилоте реализован алгоритм идеального водителя. По заявлению компании система пока не готова к серийному применению.

Система Super Cruise

Система автоматического управления Super Cruise от Cadillac обеспечивает движение автомобиля по автомагистрали. Она позволяет осуществлять маневрирование, торможение, движение по полосе без участия водителя.

Система построена на ряде готовых решений компании:

  • адаптивном круиз-контроле;
  • системе автоматического экстренного торможения;
  • системе предупреждения о столкновении;
  • системе помощи движению по полосе;
  • системе помощи при перестроении;
  • системе активного головного света;
  • и др.

Текущее положение автомобиля оценивается с помощью входных устройств – радара, ультразвуковых датчиков, камеры и системы GPS. Разработчик отмечает, что эффективность работы системы зависит от внешних факторов – погода, наличие разметки.

Система SARTRE

Интересное решение автоматизации движения автомобиля предлагает компания Volvo. Система Safe Road Trains for the Environment (SARTRE) позволяет нескольким машинам двигаться по дороге в организованной колонне. Автомобили идут за головной машиной, в качестве которой выбирается грузовой автомобиль с водителем-профессионалом. Автомобили выстраиваются с дистанцией 6 м и полностью повторяют движение ведущего грузовика, что позволяет водителем отдохнуть, покушать, поговорить по телефону.

По желанию каждый из автомобилей в любой момент может покинуть группу. Для создания системы SARTRE используются наработки Volvo в области активной безопасности, в т.ч. адаптивный круиз-контроль. В настоящее время система находится в стадии испытаний.

Стеклоочистители

Стеклоочистители (обиходное название – «дворники») – система автомобиля, предназначенная для удаления влаги и грязи с автомобильных стекол. По своей сути стеклоочиститель относится к системам активной безопасности, т.к. обеспечивает видимость в любых условиях, тем самым предотвращает аварию.

Стеклоочистители устанавливаются на ветровом стекле, заднем стекле (кроме автомобилей с кузовом седан). На некоторых автомобилях применяются стеклоочистители фар. Для повышения эффективности очистки стеклоочиститель применяется совместно со стеклоомывателем.

Стеклоочиститель имеет следующее общее устройство:

Привод стеклоочистителей обеспечивает возвратно-поступательное движение щеток (щетки) по стеклу. Самым распространенным является электрический привод стеклоочистителей. Типовой электрический привод включает:

  • электродвигатель;
  • червячный редуктор;
  • трапецию;
  • поводки.

В приводе может применяться один (объединенный привод щеток индивидуальный привод щетки) или два (индивидуальный привод щеток) электродвигателя. Червячный редуктор увеличивает усилие от электродвигателя в несколько десятков раз. Трапеция представляет собой систему рычагов, преобразующих вращательное движение редуктора в возвратно-поступательное движение поводков. К поводкам крепятся щетки.

Различают несколько типов крепления щетки к поводку, обусловленных интересами разных производителей:

  • крючок (самый распространенный);
  • боковой штырь;
  • кнопка;
  • булавка;
  • боковое крепление;
  • боковой зажим;
  • штыковой замок;
  • и др.

Непосредственная очистка стекла от влаги и грязи производится с помощью щеток. Различают два типа щеток:

  • каркасные;
  • бескаркасные.

Каркасную щетку объединяет жесткий каркас, состоящий из шарнирно соединенных коромысел, и резиновую ленту специального профиля. Каркас обеспечивает равномерную передачу давления на стекло от поводка. Лента с каркасом соединяется с помощью зажимов.

Бескаркасная щетка представляет собой изогнутый пружинный стальной элемент, размещенный внутри резиновой ленты – щетки. Высокое качество очистки стекла в зимнее время обеспечивает бескаркасная щетка с подогревом, подключаемая посредством провода к прикуривателю автомобиля. Альтернативой данному решению является подогрев места установки каркасной щетки на стекле, предотвращающий замерзание и обледенение резиновой ленты.

На каркасной и бескаркасной щетки может устанавливатьсяспойлер, компенсирующий парусность щетки и увеличивающий прижимное усилие к стеклу.

Ветровое стекло может очищаться двумя или одной щетками. Движение двух щеток может быть попутным (tandem) или встречным (opposed). Одинарная щетка, в отличие от двойных щеток, имеет меньшую площадь очистки. Этого недостатка лишена конструкция стеклоочистителя Monoblade от Mercedes-Benz, которая обеспечивает движение щетки по периметру ветрового стекла.

Стеклоочиститель может иметь электрическое или электронное управление. Электрическое управление представляет собой электрическую цепь, включающую подрулевой переключатель и реле. Переключатель предусматривает несколько непрерывных (низкая и высокая скорость) и несколько прерывистых (дискретных) режимов.

Более совершенным является электронное управление стеклоочистителем, которое помимо традиционных режимов (непрерывное и прерывистое движение щеток) может обеспечивать ряд дополнительных функций:

  • автоматическое включение стеклоочистителя;
  • автоматическое изменение режимов движения щеток в зависимости от количества воды на стекле;
  • блокировка щеток при распознавании препятствия на стекле;
  • сервисное (для замены и очистки) и зимнее (предотвращает примерзание) положение щеток при выключенном двигателе;
  • отключение стеклоочистителя при открытом капоте автомобиля;
  • удаление щеток с поля зрения водителя после окончания очистки стекла;
  • дополнительная очистка стекла при окончании пользования стеклоомывателем (удаление подтеков).

Автоматическое регулирование работы стеклоочистителя производится с помощью датчика дождя. Датчик дождяустанавливается с внутренней стороны ветрового стекла рядом с зеркалом заднего вида. Конструктивно датчик объединен сдатчиком освещенности (находятся в одном корпусе).

Схема датчика дождя

Датчик дождя состоит из светодиода, фотодиода и оптического элемента. Свет от светодиода отражается от поверхности стекла, фокусируется оптическим элементом и воспринимается фотодиодом. При этом количества света, попадающего на фотодиод, изменяется в зависимости от количества воды на стекле. Изменяется и выходной сигнал фотодиода, который обрабатывается электронным блоком управления стеклоочистителя. Блок управления, в свою очередь, устанавливает определенный режим электродвигателя.

Таким образом, чем больше воды или грязи на ветровом стекле, тем интенсивнее работают щетки стеклоочистителя. Если с водой автоматика справляется успешно, то очистка грязи создает проблемы. Датчик дождя при этом отключается, а управление щетками производится вручную. Благо, что в конструкции предусмотрено принудительное отключение датчика дождя, изначально предусмотренное для помывки машины.

Электростеклоподъемники

Электрическим стеклоподъемником (электростеклоподъемником) называется стеклоподъемник, имеющий электрический привод. Электростеклоподъемники относятся к системам комфорта, т.к. обеспечивают дополнительные удобства водителю и пассажирам при подъеме (опускании) стекол боковых дверей. В настоящее время электростеклоподъемники почти полностью вытеснили механические стеклоподъемники, использующие ручной привод.

Электрический стеклоподъемник устанавливаются внутри корпуса двери, непосредственно на самом корпусе или на отдельном подрамнике. Электростеклоподъемник имеет следующее общееустройство:

Приводной механизм (мотор-редуктор) объединяет электрический двигатель, червячную передачу и зубчатую передачу, выполненный в виде единого блока. Он служит для создания усилия, необходимого для перемещения стекла. Применение в механизме червячной передачи обеспечивает защиту от несанкционированного открытия окна. В червячном редукторе передача вращения производится только в одном направлении – от червяка к колесу. При попытке вращения в противоположном направлении происходит блокировка передачи.

Механизм подъема производит непосредственное перемещение стекла. В зависимости от конструкции механизмов подъема различают следующие виды стеклоподъемников:

  • тросовый;
  • рычажный;
  • реечный.

В конструкции современных автомобилей наиболее востребованы тросовый и рычажный механизмы подъема.

Тросовый стеклоподъемник представляет собой гибкий элемент (трос, зубчатый ремень, цепь), натянутый между несколькими роликами внутри двери. Движение гибкому элементу передается через приводной барабан. При вращении барабана одна ветвь гибкого элемента наматывается, другая сматывается, а сам элемент получает поступательное движение. Гибкий элемент соединяется со стеклом с помощью пластины.

Рычажный стеклоподъемник объединяет рычаг, ползун, установленный на конце рычага, и пластину крепления стекла. Механизм подъема может иметь один или два рычага (для обеспечения равномерности перемещения). Вращение от приводного механизма передается на колесо с сектором, находящееся в зацеплении с рычагом и обеспечивающее его движение. Некоторые двухрычажные конструкции имеют два колеса.

Реечный механизм подъема состоит из неподвижной зубчатой рейки и направляющей пластины, соединенной со стеклом. На пластине также размещен приводной механизм, шестерня которого находится в зацеплении с зубчатой рейкой и обеспечивает перемещение стекла.

Перемещение стекла в заданном направлении обеспечиваютнаправляющие: желоба в рамках двери, специальные рельсы в корпусе двери.

Электрические стеклоподъемники могут иметь систему управления двух видов:

  • непосредственное управление;
  • электронное управление.

Непосредственное управление электростеклоподъемникомосуществляется с помощью трехпозиционного переключателя, включенного в цепь питания электродвигателя. При перемещении переключателя в первую позицию двигатель вращается в одну сторону, при перемещении во вторую позицию происходит смена полярности и соответственно изменение направления вращения двигателя. Ввиду травмоопасности данный вид стеклоподъемника имеет очень ограниченное применение.

Электронное управление стеклоподъемниками имеет более сложную конструкцию:

  • входные устройства;
  • электронный блок управления;
  • исполнительное устройство.

К входным устройствам относятся переключатель режимов работы, а также датчики положения стекла. В электронной системе управления применяются также трехпозиционные переключатели. На водительской двери (панели управления, центральной консоли) устанавливается блок переключателей, с помощью которого можно управлять стеклоподъемниками всех дверей. Там же может устанавливаться выключатель блокировки стеклоподъемников дверей.

В качестве датчиков положения стекла могут использоватьсядатчики Холла. Датчики устанавливаются на червячном колесе. В результате работы датчиков изменение магнитного потока, возникающее при вращении червячного колеса, преобразуется в импульсы напряжения на выходе датчика. Электронный блок управления учитывает:

  • число импульсов при определении величины подъема (опускания) стекла;
  • продолжительность импульсов при включении блокировки движения стекла;
  • сдвиг импульсов от двух датчиков при установлении направления движения.

Каждый стеклоподъемник имеет, как правило, свой электронный блок управления. Блок управления преобразует сигналы входящих устройств в управляющее воздействие на исполнительное устройство – электродвигатель постоянного тока. Все блоки связаны между собой через центральный блок управления системами комфорта.

Электронное управление обеспечивает значительное расширение функциональных возможностей электростеклоподъемников. Помимо традиционных функций подъема-опускания стекол, в работе стеклоподъемников могут быть реализованы следующие функции:

  • автоматическое открывание (закрывание) окна;
  • блокировка включения переключателей;
  • возможность работы после остановки двигателя;
  • реверсирование движения при встрече препятствия при закрывании окна;
  • внешнее управление стеклоподъемниками;
  • автоматическое опускание стекла при открывании безрамной двери.

Функция автоматического открывания и закрывания оконоснована на продолжительности нажатия переключателя. Кратковременное нажатие на переключатель инициирует подъем (опускание) стекла, продолжительное нажатие – автоматическое закрывание (открывание) окна.

Для обеспечения безопасности при перевозке детей предусмотренаблокировка электростеклоподъемников задних дверей с водительского места.

В программе электростеклоподъемников заложена возможность работы после остановки двигателя и выключения зажигания, что позволяет закрывать окна, не запуская двигатель повторно. Продолжительность работоспособного состояния стеклоподъемников после остановки двигателя может колебаться в зависимости от конструкции от нескольких секунд до нескольких минут.

Важной функцией, с точки зрения безопасности, является реверсирование движения стекла при встрече препятствия на подъеме. Данная функция реализуется путем контроля скорости вращения приводного механизма. Как только скорость механизма уменьшается (датчики Холла подают сигналы большей продолжительности), электронный блок управления меняет направление вращения электродвигателя на противоположное, а стекло начиняет двигаться вниз.

Достаточно редко применяется функция внешнего управления стеклоподъемниками, которое производится поворотом ключа зажигания, вставленного в замок двери. На некоторых моделях автомобилей предусмотрена возможность закрывания окон с помощью центрального замка с дистанционным управлением.

Для автомобилей-купе, оборудованных безрамными окнами, предусмотрена функция автоматического опускания стекла на несколько миллиметров, чем достигается беспрепятственное открывание двери.

Статьи по теме