Тема: Принцип действия автоматизированных систем управления автомобилем
Исполнитель - Шилова Алёна Александровна, гр. 541-об
Научный руководитель - Русинов Владислав Леонидович, СКБ "Промышленная робототехника и автоматизация"
Цель: Изучить принципы действия автоматизированных систем и подсистем в автомобилях. Схемы установок и взаимодействие между датчиками.
Актуальность:Внедрение автоматизированных систем в управление автомобилем способствует повышению безопасности дорожного движения, повышению топливной эффективности и помощи водителю транспортного средства.
Содержание:1. Состав автоматизированной системы управления
2. Краткое описание каждой подсистемы
3. Структурная схема всей системы
4. Применение систем
Введение:Общество автомобильных инженеров (SAE International) классифицирует автопилоты на
б уровней автономности:
Уровень 0: управление полностью предоставлено водителю. В машине может
быть только круиз-контроль.
Уровень 1: в машине присутствует адаптивный круиз-контроль, благодаря которому
автомобиль может удерживать безопасную дистанцию до автомобиля спереди, менять скорость, самостоятельно останавливаться и начинать движение, а также распознавать препятствия сзади и предупреждать водителя об этом.
Уровень 2: машина полностью контролируется автопилотом, происходит удержание автомобиля в пределах разметки на полосе, однако водителю надо
держать руки на рулевом колесе и следить за приборами освещения.
Уровень 3: автопилот полностью контролирует автомобиль, все системы, водитель может не держать руки на руле, но обязан быть предельно внимательным.
Уровень 4: автопилот четвертого уровня способен доехать по заданному маршруту без вмешательства человека, но только в идеальных условиях. Для функционирования такой системы автомобилю необходимы 3D- карты местности.
Уровень 5: на данный момент этот уровень подразумевает тестовые автомобили, у которых нет внешних узлов управления. Они передвигаются на относительно малой скорости в чертах мегаполисов и занимаются доставкой.
На современном рынке автомобилестроения лидерами по производству машин с системами автоматизированого управления являются следующие
компании:
1. Tesla Motors
2. Waymo
3. Honda
1.Состав автоматизированной системы АСУ состоит из трех основных компонентов и строится по стандартному принципу кибернетики.
1.1. Первым компонентом является
сенсорная система автомобиля. Датчики собирают информацию о параметрах состояния системы, а также за изменением условий окружающей среды.
К датчикам контроля окружающей среды относятся:Радары- излучают радиоволны и принимают из отражение от объектов, определяют скорость движения. Используются в основном для адаптивного круиз-контроля, а также для контроля слепых зон автомобиля.
Принцип работы радара:
Радар фирмы Continental ARS4-В работает на больших расстояниях (до 250м) и на малых (до 70м) одновременно. Предназначается для экстренной помощи при торможении, для адаптивного круиз-контроля, для предупреждения о возможных столкновениях. ARS4-B включает в себя набор микросхем c частотой 77 ГГц и 32-разрядный микроконтроллер от компании NXP Semiconductors.
Waymo - дочерняя компания Alphabet. В настоящее время занимается разработкой беспилотных автомобилей для Google, обладающих 4 уровнем автопилота, согласно SAE. Помимо радаров, камер и ультразвуковых датчиков, как в автомобилях Tesla, компания Waymo решила внедрить в свои автомобили такую технологию, как «LIDAR».
Лидары(LiDAR) - принцип действия схож на радары, но используются лазерный луч, а не радиоволны. Позволяет с высокой точностью опознавать силуэты пешеходов, бордюров и тд.
Принцип работы технологии «LIDAR»:
Lidar (Light Detection and Ranging) - это дальномер оптического диапазона, он получает и обрабатывает информацию об удаленных объектах с помощью оптических систем, использующих явления рассевания и поглощения света, следовательно, расстояние до объекта рассчитывается с помощью скорости света (299 782 458 м/с). Системы способны генерировать около 1 млн импульсов в секунду. Каждый из данных импульсов в следствие отражения преобразовывается в 3D-пространство, которое представляется из себя набор точек. Все сводится к тому, что Lidar создает объемную карту местности вокруг автомобиля. Как правило, его устанавливают на крышу транспортного средства.
Видеокамеры заднего и переднего вида применяются в системах распознания знаков, людей, других объектов, помогают при парковке.
Датчики состояния автомобиля следят за состоянием автомобиля изнутри, контролируют обстановку в салоне и обеспечивают работу ABS, ESP, климат-контроля и управления двигателем.
Датчики ABS(скорости вращения колес) являются основным источником данных о скорости автомобиля. Система ESP используют информацию, чтобы контролировать скорость вращения колес и выявлять пробуксовку.
Инерциальный измерительный блок - "черный ящик" автомобиля, регистрирующий параметры движения, позволяет определять ускорение, угловую скорость и ориентацию объекта в пространстве. Включат в себя акселерометры (продольное и поперечное ускорение), гироскопы (угловая скорость вращения автомобиля вокруг вертикальной оси), магнитометры(помогают устранить ошибки гироскопа).
Датчик положения рулевого колеса - определяет угол поворота руля водителем. Система ESP сравнивает данные с фактическим поведением автомобиля от блока IMU.
Датчик климат-контроля - термисторы(температуры наружного воздуха, в салоне), датчики влажности, датчики дождя (часто интегрированы вместе с датчиками влажности).
Позиционирование (ГЛОНАСС/GPS) - определение положения автомобиля в пространстве.
1.2.Второй компонент - электронные блоки управленияБлок управления двигателем(Engine Control Unit, ECU)-контролирует работу двигателя, управляет режимами топливного впрыска,
заживание и другими параметрами работы мотора.
Модуль управления трансмиссией(Transmission Control Unit, TCU)-контролирует переключение передач и другие параметры работы
трансмиссии.
Тормозной модуль(Brake Control Module, BCM)-следит за работой тормозной системы и антиблокировочной системы
Блок управления подсветкой(Suspension Control Module, SCM) - контролирует работу системы подвески, регулирует жесткость
амортизаторов и другие параметры.
Модуль управления системой климат-контроля(Climate Control Module, CCM) -обеспечивает Функционание системы кондиционирования воздуха и отопления . Рассмотрим на примере схемы блока управления системой климат-контроля машины Audi TT:
Модуль бортовой электроники(Body Control Module, CCM) -важный узел для электрических систем автомобиля, включая систему
зажигания, сигнализации, стеклоподъемников, замков и других.
Исполнительные устройстваЭто третий компонент системы, реализующий управляющие воздействия:
Электромотор рулевого управления: Обеспечивает поворот колес без участия водителя (или с коррекцией) в системах удержания полосы.
Электронная дроссельная заслонка: Позволяет автоматически регулировать подачу топлива (разгон, торможение двигателем).
Актуаторы тормозной системы: Создают давление в тормозных магистралях для экстренного торможения или удержания дистанции.
Исполнительные механизмы трансмиссии: Автоматическое переключение передач.
Краткое описание каждой подсистемыВ рамках автоматизированной системы управления автомобилем можно выделить следующие ключевые подсистемы:
Адаптивный круиз-контроль (ACC): Поддерживает заданную скорость и безопасную дистанцию до впереди идущего транспорта с помощью радаров и камер.
Система удержания в полосе (LKA / LKAS): Использует видеокамеры для распознавания разметки и корректирует рулевое управление, чтобы автомобиль не покидал свою полосу движения.
Система автоматического экстренного торможения (AEB): При обнаружении препятствия (автомобиль, пешеход) подает сигнал водителю, а при отсутствии реакции самостоятельно инициирует торможение.
Система мониторинга «слепых» зон (BSM): Контролирует пространство сзади и сбоку автомобиля, предупреждая водителя о наличии объектов в зоне, невидимой в зеркала заднего вида.
Система распознавания дорожных знаков (TSR): Считывает информацию о знаках ограничения скорости, обгона и выводит ее на приборную панель, может корректировать работу ACC.
Система стабилизации (ESP): В критических ситуациях принудительно подтормаживает отдельные колеса и снижает тягу двигателя для предотвращения заноса или сноса.
3. Структурная схема всей системы:
для наглядного примера взаимосвязи между всеми системами в автомобиле, рассмотрим существующие блоки управления:
система MOTOR
4.Применение системАвтоматизированные системы управления автомобилем находят широкое применение в различных сферах:
Личный транспорт: Современные автомобили премиум- и масс-сегмента оснащаются системами уровня L2 (Tesla Autopilot, Ford BlueCruise, Mercedes Drive Pilot), что значительно снижает утомляемость водителя в длительных поездках и в пробках.
Каршеринг и такси: Компании (Waymo, Cruise, Яндекс.Такси) активно тестируют беспилотные такси (L4) в ограниченных зонах мегаполисов, позволяя круглосуточно оказывать услуги перевозки без участия водителя.
Логистика и коммерческий транспорт: Грузовые автомобили с системами автопилотирования используются на магистральных трассах для оптимизации расхода топлива и повышения безопасности. Беспилотные «шаттлы» и роботы-доставщики (автомобили L4-L5) занимаются доставкой товаров по заданным маршрутам.
Сельское хозяйство и спецтехника: Автоматизированные системы управления движением (автопилоты) применяются в тракторах и комбайнах для повышения точности обработки полей.
Вывод:Большое количество факторов препятствует технологическому развитию таких систем и внедрению их в повседневную жизнь из-за чего на данный момент масштабно используются в современной автомобильной индустрии только автопилоты 0,1 и 2 уровней. Однако, инженеры делают большие шаги для перехода на 5 уровень автоматизации. Так, например, в 2021 году «Tesla Motors» анонсировала проект «Dojo», который будет использовать искусственный интеллект в рамках автоматизированого управления автомобилем. Этим шагом «Tesla» хочет достичь 5 уровня автоматизации. Однако эти транспортные средства пока что не могут перевозить людей по дорогам общего пользования, они лишь занимаются доставкой по специально выделенным для этого маршрутам и пока что они находятся на стадии тестирования.
