Elektronicki sustavi u automobilu

VELEUČILIŠTE U ŠIBENIKU

SEMINARSKI RAD

Šibenik , 10.01.2013

VELEČILIŠTE U ŠIBENIKU

ELEKTRONIČKI SUSTAVI U AUTOMOBILIMA SEMINARSKI RAD

STUDENTI: ANTE BARIĆ,ANTONIO MIJOČ BROJ INDEKSA: 125351031,12514 1031 MENTOR: Mr.sc. DANIJEL MILETA dipl.ing

Šibenik 10.01.2013 2

Sadržaj

1. Uvod........................................................................................................................................4 2. Umrežavanje u automobilima.................................................................................................5 3. ABS (Anti-lock Braking System)...........................................................................................8 4. ESC (Electronic Stability Control).......................................................................................10 5. ACC (Adaptive Cruise Control)...........................................................................................12 6. LDWS (Lane Departure Warning Systems).........................................................................14 7. Zaključak...............................................................................................................................16 Literatura..................................................................................................................................17

3

1. Uvod

Zadnja četiri desetljeća je obilježio nagli porast broja i složenosti elektroničnih sustava u automobilima. Elektronika danas ima veliku važnost u autoindustriji. Udio elektronike

u

današnjim

automobilima

čini

čak

23%

ukupne

proizvodne

cijene.Analitičari procjenuju da više od 80% inovacija u automobilskoj industriji je na elektroničnim sustavima.Sa porastom broja elektroničkih sustava u automobilima rastu i zahtjevi na strukturnu izgradnju jer u prosječnom automobilu više od 4 kilometra raznih vodova. Njome se kontrolira doslovno svaki proces koji se odvija u automobilima, od upravljanja, ubrzavanja, kočenja, održavanja stabilnosti, različitih upozorenja, do sustava za zabavu. U ovom radu biti će opisan način umrežavanja u automobilima, te neki od najvažnijih inteligentnih sustava koji se koriste u autoindustriji danas.

4

2. Umrežavanje u automobilima

U automobilima se može povezati elektronička oprema na sličan način kao što se može umrežiti više računala, primjerice LAN-om. Na taj način dolazi do mogućnosti izmjene podataka među elektroničkim sustavima, te aplikacijama koje se izvode. Nekada su se žicama spajale sve komponente, međutim, s porastom broja komponenti nastao je problem prevelike mase vozila, te zauzimanje prostora i smanjenje pouzdanosti. Ožičenje je tako postalo presloženo, a samim time i najskuplja komponenta u vozilima.

Problem presloženog ožičenja uklonio se na način da se današnje mreže u automobilima temelje na serijskim protokolima. Motorola je 1998. godine smanjila masu ukupnog ožičenja za 15 kilograma u onda novoj klasi BMW-a na način da je razvila kompletnu automobilsku mrežu temeljenu na LAN-u.

Controller Area Network (CAN) je serijski protokol razvijen od strane Bocha u ranim osamdesetima. Definira standard za efikasnu i pouzdanu komunikaciju između senzora, pokretača, kontrolera i ostalih čvorova u realnom vremenu. CAN je u stvari standard u velikom broju ugrađenih umreženih kontrolnih sustava. Rani razvoj CAN-a bio je usmjeren uglavnom na automobilsku industriju, a danas se, osim u vozilima, primijenjuje i u ostalim proizvodima kao što su proizvodna mašinerija, medicinska oprema, zgrade, strojevi za tkanje i sl.

U automobilskoj industriji, ugrađena kontrola je napredovala od samostalnih sustava do integriranih i umreženih kontrolnih sustava. Umrežavanjem elektromehaničkih podsustava postalo je moguće izmjeniti funkcionalnosti i hardver, što je omogućilo ponovno korištenje i dodalo je određene nove mogućnosti. ECU (Electronic Control Unit – elektronska kontrolna jedinica) u vozilima kontrolira motor, turbo (ako postoji), hladnjak i sl., ali također i CAN komunikaciju. Kombinirajući mrežne i mehatroničke module postalo je moguće reducirati ožičenje i broj konektora, što je olakšalo proizvodnju i povaćalo pouzdanost. Uvođenje mreža u 5

vozila također je omogućilo efikasnije dijagnosticiranje i koordinaciju operacija za odvojene podsustave.

Automobil može imati dvije ili više CAN mreža koje rade na različitim brzinama, te se tu može napraviti sljedeća podjela: •

niskobrzinski CAN (ili low-speed CAN) – radi na manje od 125 Kbps. Koristi se za rad elektronike koja kontrolira sustave za komfor, kao što je upravljanje prozorima ili namještanje sjedala. Većinu vremena provodi u mirovanju, a aktivira se na korisnikov zahtjev. U slučaju kada vozilo ne radi, low-speed CAN se isključuje, te tako štedi akumulator vozila.

•

visokobrzinski CAN (high-speed CAN) – radi na brzinama i do 1 Mbps, ali zbog visoke cijene koriste se dvostruko sporije mreže. Ovakav sustav koristi se za upravljanje radom kritičnih sustav, kao npr. tempomatom, ABS-om, radom motora, te sličnih sustava gdje veliku važnost ima brzina odziva.

Postoje i razni drugi načini povezivanja. Osim žičnim vezama, sustav može biti povezan i bežičnim vezama, od kojih su najpoznatije Bluetooth, Domestic Data Bus (D2B), Time-triggered protocol (TTC), Mobile Media Link (MML), FlexRay, Time Division Multiple Access (TDMA) i sl. S obzirom da svaki od ovih protokola ima određene prednosti i mane, te su kompleksni i skupi, ne koriste se masovno u automobilima. Za brži prijenos podataka koristi se FlexRay protokol kod naprednijih sustava, kao što je X-by-wire sustav.

X-by-wire ima široku primjenu, ne samo u autoindustiji, već i u svim ostalim vrstama transporta. Ovakav sustav zamjenjuje postojeće mehaničke i hidrauličke veze se elektroničkim u potpunosti, čime dolazi do smanjenja mase, te rasta pouzdanosti. Kod automobila „x“ označava naredbenu akciju, kao što je ubrzavanje, kočenje i upravljanje. Veliki broj modernih automobila opremljen je drive-by-wire sustavom i kombiniran je s mehaničkom podrškom. U budućnosti će se mehanika u 6

potpunosti zamijeniti sa elektroničkim rješenjima. Razlozi za ovaj razvoj su višestruki. Iz razloga što hidraulički sustavi više neće biti potrebni u budućnosti, te će elektronički uređaji biti sve manjih dimenzija, gustoća smještaja tih uređaja biti će veća. Proizvođači se nadaju da će smanjiti proizvodne troškove koristeći nove uređaje. Drugi glavni razlog za razvijanje novih rješenja jest taj da će biti integrirane nove funkcije. Primjerice, ACC (ili Adaptive Cruise Control) koji regulira brzinu auta na način da ubrzava i usporava, te održava razmak s vozilom ispred, još uvijek se ugrađuje u automobile višeg cjenovnog ranga.

Kod automobila razlikujemo brake-by-wire (kočenje preko žice), steer-by-wire (upravljanje preko žice), throttle-by-wire (ubrzavanje preko žice) i slične sustave. Tako npr. papučica gasa i kočnice, ili upravljač, nema nikakvu mehaničku vezu sa sustavima kojima upravlja. Ovo može biti i nedostatak, jer primjerice vozač na upravljaču nema nikakav osjećaj o povratnoj reakciji sa kolnika, što se donekle rješava ugradnjom elektro motora u upravljač.

7

3. ABS (Anti-lock Braking System)

ABS (Anti-lock braking system) je elektronički sustav ugrađen u gotovo sva novija vozila, uključujući i motore. Funkcija ABS sustava je u osnovi sprječavanje blokiranja kotača, što povećava stabilnost vozila te mu omogućava kraći zaustavni put (put kočenja) na vlažnim i skliskim kolnicima. Ipak, na “mekanim” površinama kao što su pijesak ili kolnik prekriven snijegom, ABS značajno produčuje zaustavni put, ali time poboljšava upravljivost (kontrolu) nad vozilom. Time je ABS jedan od najvažnijih sigurnosnih sustava u automobilu, koji spašava stotine tisuća vozača svakodnevno. Od početnih ABS sustava koji su se ugrađivali u vozila, današnji su mnogo, mnogo napredniji. Moderni ABS sustavi kontroliraju i raspodjelu (ravnotežu) kočenja između prednjih i stražnjih kotača. Sustav se sastoji od sljedećih (osnovnih) komponenti: •

Senzori za mjerenje brzine kotača

•

Pumpa (hidraulični motor)

•

Ventili

•

Kontroler (brzo računalo koje koordinira cijelim procesom)

Prilikom kočenja aktivira se hidraulični sustav koji potiskuje oblogu kočnice prema diskovima, te na taj način vozilo usporava. Ukoliko jedan kotač usporava brže od ostalih, što je uglavnom rezultat blokiranja kotača, sustav automatski preko ventila popušta pritisak kočenja na tom kotaču. Uloga pumpe je da povrati potreban pritisak kočenja. ABS sustav reagira nevjerojatno brzo, mjereći brzine pojedinih kotača i nekoliko puta u sekundi. ABS se može aktivirati na prednjim, ili na svim kotačima, ovisno koji automobil vozite.

8

ABS Vam omogućava intenzivno kočenje, a pritom i upravljanje vozilom. Kod naglog kočenja, prilikom blokiranja kotača ABS će otpustiti pritisak kočenja na kotaču koji se blokira. Nakon toga će se pritisak postupno povećati dok se ne dođe do granice blokiranja kotača. ABS održava pritisak kočenja upravo na toj granici, jer je to najbrži način zaustavljanja vozila. Takve izmjene (kočenje/popuštanje/kočenje) se događaju i do 20 puta u sekundi, puno brže nego li to mogu i najiskusniji vozači.

Slika 1. Elementi ABS sustava

9

4. ESC (Electronic Stability Control)

ESC je elektronski sustav za poboljšanje dinamičke stabilnosti i upravljivosti, koji kočenjem pojedinim kotačima sprečava zanošenje i ispravlja putanju već zanesenog automobila. Početkom 1995. (tadašnji) Daimler-Benz izazvao je pravu senzaciju sustavom ESC. Po prvi je put u automobil ugrañen sustav koji u kritičnoj situaciji uspostavlja 'prinudnu upravu' nad vozačem. Electronic Stability Control (engl. program elektronske kontrole) uveo je revoluciju u postupak upravljanja. Mehanika upravljača i ovjesa te brojna elektronska logistika za sprečavanje blokiranja kočenih i otežavanje proklizavanja pogonskih kotača osiguravaju optimalne uvjete za upravljanje, ali ne mogu djelovati samostalno. ESC je prva aktivna potpora upravljanju automobila, koja vozaču omogućuje da u slučaju gubitka kontrole lakše doñe na željenu putanju. Danas svi automobili, od kompaktne klase na više, barem u dopunskoj opremi imaju ESC. 'Ideja' koju koristi ESC je genijalna, ali ne i nova. Putanja se ispravlja kočenjem pojedinih kotača, a na tom principu već gotovo cijelo stoljeće funkcionira upravljački sustav gusjeničara - kad se želi skrenuti desno zakoči se (blokira) desna gusjenica, i obrnuto. Kod automobila imamo četiri kotača, što omogućuje dobru kontrolu nad upravljanjem ESC sustavom upravlja 'pametna' elektronika, na temelju informacija koje mjere odgovarajući senzori: zakrenutost upravljača, brzina vrtnje svakog kotača, uzdužna i bočna brzina automobila, uzdužno i bočno ubrzanje automobila, a najvažnija je brzina vrtnje automobila oko vertikalne osi (yaw rate). Na temelju tih informacija precizno se proračunava položaj vozila u odnosu na željenu putanju te se aktivira povremeno kočenje pojedinih kotača.

10

Slika 2. Proklizavanje preko prednjeg i zadnjeg kraja

11

5. ACC (Adaptive Cruise Control)

Adaptive Cruise Control, odnosno prilagodljiva kontrola krstarenja je ekstenzija standardne kontrole krstarenja, odnosno tempomata. Vozilo opremljeno ACC-om ima radar ili neki drugi senzor koji mjeri udaljenost do vozila koje se nalazi ispred njega na cesti. U slučaju da nema vozila ispred, ACC vozila putuju pri brzini koju je odredio vozač, kao i vozila sa tempomatom. Međutim, u slučaju da radar detektira vozilo ispred nas, ACC sustav odlučuje dali naše vozilo može nastaviti sigurno putovati pri željenoj brzini. Ako je vozilo ispred našeg preblizu ili putuje manjom brzinom, ACC prebacuje sa kontrole brzine na kontrolu udaljenosti. Pri kontroli udaljenosti ACC kontrolira i gas i kočnice kako bi održalo željenu udaljenost od vozila ispred.

ACC sustav je autonoman, odnosno ne zavisi od bežične komunikacije ili interakcije sa okolnim vozilima. Koristi samo vlastite senzore (kao npr. radar) kako bi izvršilo zadatak održavanja željene udaljenosti od vozila ispred.

Slika 3. Način rada ACC-a

12

ACC sustav pruža vozaču ugodu i jednostavnost zato jer, za razliku od običnog tempomata, preuzima i kočenje i ubrzavanje kod prisutnosti drugih vozila. ACC sustavi mogu pridonijeti povećanoj sigurnosti na autocestama. Ovo je iz razloga što statistika pokazuje da je preko 90% nesreća na autocestama izazvano ljudskom pogreškom, samo mali postotak nesreća se događa zbog kvara ili vremenskih uvjeta. S obzirom da ACC potencijalno smanjuje napor vozača i djelomično zamjenjuje operacije vozača sa automatiziranim operacijama, očekuje se da će ACC dovesti do smanjenja broja nesreća.

13

6. LDWS (Lane Departure Warning Systems)

LDWS je još jedan inteligentan sustav koji pomaže u vožnji. Glavna zadaća mu je detektiranje nepoželjnih prelazaka preko crta koje označavaju pojedine trake i to kod brzina većih od 80 km/h. Sustav se uključuje kada vozilo prijeđe crtu. Rad sustava je slijedeći. Ako vozač prijeđe preko crte na cesti, a da nije uključio pokazivač smjera sustav automatski obavještava vozača vibriranjem sjedala. Postoje dva vibrirajuća motora ugrađena u vozačevo sjedalo. Jedan se nalazi na lijevoj, a drugi na desnoj strani. To omogućuje paljenje odgovarajućeg motora ovisno sa koje je strane vozač prešao crtu. Sustav se aktivira pritiskom na gumb smješten na kontrolnoj ploči vozila i ostaje uključen sve dok vozilo radi. Da bi detektirao nepoželjne prijelaze crte LDWS koristi šest infracrvenih senzora. Senzori su smješteni u prednji odbojnik vozila i to po tri komada sa svake strane. Svaki od njih ima crvenu emitirajuću diodu i detektirajuću ćeliju. Prijelaz preko crte se detektira promjenom izmeñu reflektirane i primljene zrake. Infinity je razvio svoj sustav koji ne koristi infracrvene senzore već kameru smještenu u putničkoj kabini koja gleda na cestu kroz prednje staklo vozila. Senzor može detektirati kako bijele, tako i privremene žute, crvene i plave oznake korištene u nekim Europskim zemljama. Također sustav identificira pune i isprekidane linije i ostale cestovne oznake kao što su strjelice za pokazivanje smjera, ali ne i nestandardne simbole LDWS ne čini nikakvu automatiziranu akciju da bi se izbjegao izlazak s kolničke trake ili da preuzme kontrolu na vozilu, stoga vozač ostaje odgovoran za sigurnosne operacije upravljanja vozilom. Kada vozilo putuje u centru kolničke trake, nalazi se u „no warning zone“ (zone bez upozorenja) i sustav ne izdaje nikakvo upozorenje. Kako vozilo odstupa od zone bez upozorenja, sustav izračunava vrijeme potrebno da vozilo izađe iz kolničke trake. Također, izračunava liniju najranijeg i najkasnijeg upozorenja (slika 5) . Linija najranijeg upozorenja je unutar ruba kolničke trake, dok je linija najkasnijeg upozorenja izvan granica kolničke trake. Zona upozorenja je zona između linija najranijeg i najkasnijeg upozorenja, te svaki put kada vozilo prijeđe iz zone u bez upozorenja u zonu upozorenja, LDWS obavještava da vozilo izlazi iz kolničke trake. 14

Slika 4. Prikaz granica zona upozorenja LDWS sustava

LDWS može biti direktno instaliran nakon kupnje vozila kod automehaničara, a neki su postavljeni odmah pri izradi vozila. Kako tehnologija napreduje, ovom sustavu dodavat će se nove značajke i komponente.

15

7. Zaključak S obzirom da elektronika ima veliku važnost u autoindustriji, te se njome danas kontroliraju svi procesi koji se odvijaju u automobilima, potrebno je bilo osmisliti način umrežavanja u automobilima. Tako se danas, umjesto klasičnog ožičenja, sustavi u vozilima umrežavaju serijski, poput računala. Jedan od takvih sustava je Controller Area Network (CAN), razvijen od strane Bocha, te je standard za komunikaciju između sustava u automobilima.

Osim ožičenja, u autoindustiji bilo je potrebno i minimizirati hidrauličke i mehaničke sustave, čime se dodatno smanjuje masa i povećava pouzdanost. Jedno od takvih rješenja jest x-by-wire, odnosno „upravljanje žicom“, gdje ne postoji mehanička ni hidraulička veza između upravljačkih kontrola i sustava kojima one upravljaju.

U automobilima se koriste mnogi inteligentni sustavi. Tako je ABS, jedan od najvažnijih, sustav zadužen za sigurnije kočenje tako što će održati stabilnost automobila i pri jakim kočenjima, te kočenjima na skliskim površinama. Sustavi poput ESC-a osiguravaju stabilnost automobila pri većim brzinama i pokušajima naglih promjena smjera. ACC sustav olakšava vozaču upravljanje na brzim cestama i autocestama tako što održava željenu brzinu i sigurnu udaljenost sa vozilom koje se nalazi ispred. Jedan od interesntnijih novih sustava je i LDWS, koji prati putanju vozila unutar kolničkih traka te upozorava vozača u slučaju da vozilo napušta traku.

16

Literatura 1) Knjige 1. Bradley, D i Russel, D.W.: Mechatronics in Action, Case Studies in Mechatronich – Appcilations and Education, Springer, London, 2010. 2. Rajamani, R,: Vechile Dynamics and Control, University of Minnesota, Minnesota, 2006.

2) Ostali izvori Internet: 1. http://www.iihs.org/research/qanda/esc.html, 2. www.google.com/url? sa=t&source=web&cd=7&ved=0CFcQFjAG&url=http%3A%2F %2Fciteseerx.ist.psu.edu%2Fviewdoc%2Fdownload%3Fdoi %3D10.1.1.98.5846%26rep%3Drep1%26type%3Dpdf&rct=j&q=controlled area network&ei=0EXfTaudNoPMswbewYHGBQ&usg=AFQjCNGm2AAu2ES1 kkUcb6PqEurWcsqo0Q. 3. http://osg.informatik.tu-chemnitz.de/lehre/old/ws0809/sem/online/x-bywire.pdf, 4. ,http://www.fmcsa.dot.gov/facts-research/researchtechnology/report/lane-departure-warning-systems.htm 5. http://www.petabrzina.com/abs-sustav-protiv-blokiranja-kotaca

17