Характеристика и принцип работы основных элементов бортовой информационно–управляющей системы автомобиля

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Разнообразные вычислительные устройства успешно используются практически во всех технически сложных изделиях с целью упрощения организации интерфейса. В этом смысле не являются исключением изделия транспортных отраслей: автомобильной, железнодорожной, аэрокосмической, морской и других. Современные образцы оказываются насыщенными различными вычислительными устройствами, в том числе объединёнными в единый комплекс. Подобное объединение вычислительных устройств отдельного объекта в единый программно-аппаратный комплекс часто называют бортовой информационно-управляющей системой (БИУС).

БИУС -- вид автоматизированной системы управления, предназначенной для автоматизации рабочих процессов управления, диагностики, сбора, обработки и отображения информации на транспортных средствах. БИУС облегчает управление и упрощает эксплуатацию сложных систем, выполняя за водителя часть функций.

Чаще всего БИУС представляет собой распределённую вычислительную сеть для жёстких условий эксплуатации (широкий температурный диапазон, вибрация, удары и другие воздействия), объединяющую центральный процессорный блок и периферийные контроллеры различных агрегатов автомобиля: ДВС, АБС, управление КПП, предпусковым подогревателем, управление подкачкой колёс и т. д. В качестве физической среды передачи информации в БИУС наиболее широко используется CAN в виде дифференциальной витой пары. Это обусловлено фактическим доминированием в настоящее время данного стандарта промышленной сети в автомобильной технике.

Цель работы: Исследовать особенности различных архитектур, применяемых в БИУС.

Задачи:

- Изучить виды и типы архитектур БИУС, определить их особенности.

- Исследовать влияние особенностей различных архитектур на потребительские свойства.

- Определить пригодность той или иной архитектуры к соответствующим задачам.

- Определить перспективные направления развития БИУС.

1. Особенности различных типов архитектур БИУС

1.1 Элементы системы

«Бортовая информационно-управляющая система (БИУС) транспортного средства (ТС) - это комплекс автоматической оценки состояния автомобиля и его агрегатов, оценки параметров движения, для информирования водителя об этих состояниях и выработки управляющий воздействий на исполнительные механизмы автомобиля в процессе выполнения различных задач.

Принцип работы БИУС - сигналы с датчиков, установленных на ТС, поступают в вычислитель, который формирует заключение и выдает его в виде информации п состоянии контролируемого объекта водителю и автоматическим исполнительным системам.

По своей структуре бортовая информационно-вычислительная система должна состоять из:

1) датчиков, воспроизводящих диагностическую информацию от объекта диагностирования;

2) преобразователей, принимающих сигналы от датчиков и преобразующих их в вид, удобный для дальнейшей обработки;

3) устройств пбрабптки информации, которые проводят оценку полученных данных диагностирования по заданной программе и выдают конечные результаты в виде электронных сигналов;

4) устройств выдачи информации, фиксирующих результаты диагностирования на носителе информации».

«Для оценки состояния и поведения транспортного комплекса используется информация, получаемая датчиков, аналоговых и импульсных типов, имеющих различные диапазоны измерения. Многие датчики имеют нелинейную характеристику. Также используются дискретные датчики, чаще всего релейного типа. Для подключения датчиков к микропроцессорам/контроллерам, выполняющим сбор и обработку информации с датчиков, а так же формирующие информационные сообщения и управляющие воздействия на исполнительные механизмы, необходимо выполнить обработку сигналов. К обработке сигнала относится нормирование сигнала, т.е. приведение его к определенному значению, фильтрация, линеаризация, аналогово-цифровое преобразование и другие виды обработки.

Из анализа возможных схем построения БИУС можно сделать вывод о целесообразности использования мехатронных модулей (ММ). Каждый ММ выполняется в виде законченного модуля, содержащего непосредственно первичный преобразователь (датчик), устройство преобразования сигналов и вычислитель. Для управления исполнительными устройствами так же создается модуль, в состав которого входит вычислитель, усилитель-преобразователь и исполнительный механизм.

Структурные схемы ММ показаны на рисунке 1.1. Каждый модуль выполняется в виде специализированного контроллера, который содержит вычислительное устройство и преобразователь.

Рисунок 1.1 - Мехатрпнные модули

При использовании дискретных датчиков не требуется сложных преобразований, и поэтому, рационально их подключить к ММ, который физически расположен ближе к дискретному датчику. Это потребует использование контроллера с несколькими входами».

В общем случае все ММ автомобиля по функциональному назначению могут быть отнесены к следующим основным группам:

- системы управления двигателем;

- системы управления трансмиссией и агрегатами;

- системы управления ходовой частью, в том числе и тормозными системами;

- системы управления оборудованием кабины;

- системы диагностики/самодиагностики узлов агрегатов автомобиля.

Использование концепции ММ позволяет в значительной степени абстрагироваться в процессе проектирования сложного объекта (БИУС) от исполнительной и информационных частей (считая, что они компонуются из готовых блоков - мехатрпнных модулей), а сосредоточить основное внимание на разработке компьютерного управления.

1.2 Структурная и логическая организация БИУС

«Транспортные средства нуждаются в целом комплексе систем управления, который обеспечивает надежность эксплуатации, безопасность движения и т.д. Использование датчиков и различных исполнительных механизмов, распределенных по автомобилю, в совокупности с бортовыми микропроцессорами и контроллерами, объединенных в многоуровневую систему управления, может решить многие проблем оптимизации и адаптации режимов функционирования важнейших агрегатов автомобиля».

Обобщенная структурная схема информационно-управляющей системы, реализующей многоуровневое управление, приведена на рисунке 1.2. Распределение функций управления по уровням (сценарий, ситуационный, локальный) возможно осуществить c помощью программы.



Рисунок 1.2 - Обобщенная структурная схема БИУС

С учетом большого объема данных, передаваемых через CAN-интерфейс автомобиля в реальном времени, требований высокой надежности и безопасности функционирования очевидно необходимо использование совокупности шин данных (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 - Архитектура сетевого интерфейса БИУС

На рисунке 1.3 применены следующие обозначения: ЦБУ - центральный блок управления, БАФ - блок (библиотека) автомобильных функций; Бди - ММи - мехатронные модули измерительной/диагностирующей системы; ММдв - мехатронные модули двигателя; ММд R - мехатронные модули системы диагностики; ММа N, F - модули агрегатов автомобиля; ММ п/с Р - модули подсистем автомобиля; ММт I, L - мехатронные модули тормозной системы; ММ торм сист - головной ММ тормозной системы; ММ АКПП - модуль автоматической коробки переключения передач.

«Логически организация БИУС автомобиля может быть различной. Но, очевидно, что структура с центральной (однопроцессорной) организацией вряд ли возможна из-за большой сложности системы, многофункциональности, повышенных требований по надежности функционирования, требований к быстродействию и т.д.

Использование в БИУС иерархической организации, когда в систему входит один центральный процессор и ряд подчиненных к нему процессоров, дает целый ряд преимуществ: распараллеливание решения задач управления позволяет существенно повысить быстродействие; обеспечивают возможность управления сложными объектами (агрегатами автомобиля) в режиме реального времени; обеспечивает более высокую надежность системы.

Но вместе с этим, усложняется процедура решения задач управления: возникают сложности распределения общей задачи на ряд отдельных подзадач, сложности увязки этих подзадач между собой; сложности создания алгоритмического и программного обеспечения такой иерархической системы управления.

Развитие компьютерных и сетевых технологий позволяет в настоящее время перейти к созданию децентрализованных распределенных систем компьютерного управления, которые представляю собой множество полностью равноправных процессоров, объединенных в единую систему управления с помощью сетевого канала связи.

Такая организация БИУС имеет ряд преимуществ: отсутствует центральный процессор, выход которого из строя приводит к отказу всей информационно-управляющей системы; отказ любого процессора не приводит к катастрофическим последствиям - задачи, решаемые отказавшим процессором, могут быть перераспределены/размещены на работоспособных процессорах. Таким образом, помимо параллельности решения задачи управления, такая БИУС будет обладать высокой надежностью. Обмен информацией между отдельными подсистемами БИУС, датчиками и исполнительными механизмами может осуществляться по стандартным сетевым протоколам обмена».

1.3 Структурная схема БИУС

«Для оценки состояния и поведения транспортного средства используется информация, получаемая со следующих датчиков, расположенных на машине:

- датчики давления измеряют давление масла в КПП, ДВС, гидросистеме, пневмосистеме;

- датчики температуры для измерения температуры охлаждающей жидкости ДВС, масла в ДВС, охлаждающей жидкости в компрессоре, масла в гидросистеме.

Перечисленные датчики являются аналоговыми и имеют различные диапазоны измерения. Многие датчики имеют нелинейную характеристику. Используются дискретные датчики, работающие в качестве сигнализаторов, например, сигнализатор критической температуры охлаждающей жидкости, аварийного давления масла и другие, концевые выключатели главного фрикциона, горного тормоза, вентилятора. Еще один тип датчиков - импульсные датчики, формирующие последовательность импульсов, например для контроля пройденного пути.

В качестве БИУС используется бортовой компьютер (вычислитель), выполняющий сбор и обработку информации с датчиков, а также формирующий информационные сообщения и управляющие воздействия на исполнительные механизмы. Для подключения датчиков к вычислителю необходимо выполнить обработку сигналов. К обработке сигналов относятся нормирование сигнала (усиление), т.е. приведение его к определенному значению, фильтрация, линеаризация, аналого-цифровое преобразование и другие виды обработки».

Структурная схема БИУС приведена на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4

Приведенная система обладает недостатком - вычислитель слишком перегружен, так как очень много времени тратиться на формирование информационных сообщений, что может привести к потере информации с датчиков в критических ситуациях. Поэтому предлагается разделить функции сбора и обработки информации с датчиков и формирования информационных сообщений на два вычислителя.

«Структурная схема БИУС, содержащая систему сбора и обработки информации и систему отображения информации, приведена на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 - БИУС с двумя вычислителями

Такой подход к построению бортовой информационно-управляющей системы также имеет недостатки, относящиеся к топологии системы.

Многочисленные датчики расположены на машине в различных точках. Это приводит к сложной организации разводки кабельного оборудования. Многие датчики имеют слабый сигнал, и при прокладке кабеля на большое расстояние происходит ослабление сигнала и засорение его помехами, наводками. Кроме того, система имеет невысокую надежность. При обрыве кабеля информация с датчика полностью теряется или вычислитель может понять отсутствующий сигнал за исправный, что приводит к аварийным ситуациям.

Для решения такой задачи предлагается другой подход к построению БИУС. Каждый датчик выполняется в виде законченного мехатронного модуля, содержащего непосредственно первичный преобразователь (датчик), устройство преобразования сигнала и вычислитель. В классе мехатронных устройств - так называемые МЕМCы. МЭМС - микроэлектромеханические системы -- устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты. Для управления исполнительными устройствами также создается модуль, в состав которого входит вычислитель, усилитель-преобразователь и исполнительный механизм.

Структурные схемы модулей показаны на рисунке 1.6. Каждый модуль выполняется в виде контроллера, который содержит вычислительное устройство и преобразователь».

Рисунок 1.6 - Модули преобразователей

«Для связи модулей преобразователей с главным бортовым компьютером каждый модуль должен иметь последовательный интерфейс связи, например RS-485, USB или CAN. CAN-интерфейс постепенно становится стандартом для распределенных систем управления на транспорте, в автомобильной технике и робототехнике. Можно также использовать интерфейс SERCOS, разработанный для цифровых следящих приводов и представляющий собой локальную кольцевую оптоволоконную сеть.

Структурная схема информационно-управляющей системы, построенной с использованием автономных модулей, приведена на рисунке 1.7. Все модули объединены в бортовую двухпроводную или однопроводную сеть. Дублирование линий связи позволяет повысить надежность такой системы».

Такой подход может привести к существенному удорожанию информационно-управляющей системы. Этого не происходит, так как каждый вычислитель предназначен для выполнения узкоспециализированных задач и выполняется на недорогих контроллерах.

Рисунок 1.7 - БИУС на автономных модулях

«Еще одним видом организации БИУС является использование программируемых логических интегральных схем - ПЛИС.

ПЛИС представляет собой микросхему, содержащую множество несоединённых логических вентилей И/ИЛИ, которые с помощью специальных программных средств могут быть настроены и электрически сконфигурированы для выполнения специфических аппаратных функций.

Устройства на базе ПЛИС обладают реконфигурируемой цифровой архитектурой, включающей в себя матрицу конфигурируемых логических блоков, окруженных периферийными блоками ввода/вывода. В пределах матрицы ПЛИС возможна произвольная маршрутизация сигналов посредством управления программируемыми переключателями и коммутирующими линиями. Цепи ПЛИС представляют собой реконфигурируемую счетную машину, осуществляющую параллельную обработку данных и исполняющую приложения на аппаратном уровне микросхемы. Можно разработать на базе ПЛИС свои собственные схемы управления и сбора данных с тактированием и синхронизацией процессов с точностью до 25 нс. Благодаря возможности параллельной обработки данных, заложенной в ПЛИС, добавление новых вычислений в программу, исполняемую на микросхеме, не приводит к уменьшению скорости исполнения приложений.

Реконфигурируемая ПЛИС в сочетании с процессором реального времени, а вместе это - Compact RIO, позволяют создавать автономные встраиваемые и распределенные приложения, а также промышленные модули ввода/вывода со встроенным согласованием сигналов, возможностью прямого подключения датчиков и поддержкой горячего подключения.

ПЛИС обладает встроенными механизмами передачи данных во встроенный процессор реального времени для их последующего анализа, обработки и сохранения, а также для связи с внешними устройствами. При этом каждый из модулей ввода/вывода содержит в себе встроенные разъемы, систему согласования сигналов, цепи преобразования (такие как ЦАП и АЦП), также изоляционные барьеры. Поддержка расширенного диапазона напряжений и различных промышленных типов сигналов позволяет напрямую подключить к модулям датчики и управляемые устройства.

Благодаря своей невысокой стоимости, надежности и пригодности для использования в широком классе встраиваемых контрольно-измерительных приложений, Compact RIO может применяться практически во всех отраслях промышленности. Так, на базе систем Compact RIO решаются такие задачи, как групповое управление, дискретное управление, управление движением, бортовые измерения, мониторинг состояния машин, быстрое прототипирование управляющих систем, промышленные системы управления и сбора данных, распределенные системы управления и сбора данных, мобильный/портативный анализ шумов, вибраций и т.д.

В частности, ориентированная на создание пользовательских приложений технология RIO позволяет, например, создать аппаратную систему управления шаговым или сервоприводом, используя ПЛИС для расшифровки сигналов с тахометра или с квадратурного энкодера с целью проведения измерений координаты и скорости.

Появление устройств с поддержкой реконфигурируемого ввода/вывода существенно расширяет возможности технологии приборов. Для программирования устройств с технологией RIO применяется программная среда LabVIEW, которая позволяет разрабатывать аппаратную часть контрольно-измерительных систем, идеально настроенных для решения специфических задач.

К информационным и вычислительным ресурсам системы диагностики и контроля предъявляется ряд требований. Основной задачей всех измерительных систем является измерение и/или генерация реальных физических сигналов. В процессе сбора данных физические величины, такие, как напряжение, ток, давление и температура преобразуют в цифровой формат и вводят их в компьютер. Распространенные методы сбора данных реализуются с помощью встраиваемых в компьютер устройств и автономных измерительных приборов, приборов, поддерживающих интерфейс GPIB, систем стандарта PXI (расширение PCI для измерительной техники) и приборов с портом RS-232.

GPIB (General Purpose Interface Bus) - стандартная шина, предназначенная для управления электронными измерительными приборами с помощью компьютера. Ее также называют IEEE 488, поскольку ее характеристики определяются стандартами ANSI/IEEE 488-1978, 488.1-1987, 488.2-1992. Максимальное расстояние между любыми двумя приборами - 4 м, среднее расстояние между приборами по всей шине - 2 м. Максимальная (общая) длина кабеля - 20 м. К каждой шине подключается максимум 15 приборов, причем не менее двух третей из них должны быть включены».

Прежде чем компьютерная измерительная система сможет измерить некоторую физическую величину, например, температуру, физический сигнал с помощью датчика или измерительного преобразователя должен быть преобразован в электрический - ток или напряжение. Под преобразованием сигналов следует понимать процесс предварительной обработки сигналов с целью улучшения точности измерений, качества изоляции цепей (развязки), фильтрации и т.д.

Чтобы измерять сигналы с датчиков, необходимо преобразовать их в форму, которую может воспринять устройство аналого-цифрового преобразования. Например, у большинства термопар выходное напряжение очень мало и соизмеримо с шумом. Следовательно, перед оцифровкой такого сигнала его необходимо усилить. К другим разновидностям преобразования сигналов относятся линеаризация, возбуждение датчика, развязка.

На рисунке 1.8 показаны некоторые распространенные типы датчиков и сигналов и требуемые для них виды преобразования.

Таким образом, наиболее целесообразно строить информационно-управляющую систему на основе автономных модулей. В качестве измерительных устройств текущих параметров следует применять интеллектуальные датчики (МЭМСы).



Рисунок 1.8 - Типы датчиков и сигналов и виды преобразования

Бортовая сеть должна быть в варианте одно или двухпроводной или на оптоволоконной линии передачи. Учитывая специфику транспортного средства в части характера выполняемых работ и безопасности экипажа, линия связи должна быть резервирована (в простейшем варианте дублирование по бортам).

1.4 Классификация (типы) бортовых систем автотранспортного средства

Системы управления автомобилем:

1) Подсистема получения информации:

- от датчиков автотранспортного средства (закрытые);

- от датчиков и внешних источников «автомобиль - инфраструктура», «автомобиль - автомобиль»;

2) Подсистема обработки информации;

3) Подсистема автоматического управления автомобилем.

Системы информации водителя:

1) Подсистема получения информации:

- от датчиков автотранспортного средства (закрытые);

- от датчиков и внешних источников «автомобиль-инфраструктура», «автомобиль-автомобиль»;

2) Подсистема обработки информации;

3) Подсистема отображения информации для водителя.

Бортовые системы интеллектуального транспортного средства.

Системы управления автомобилем:

* Антиблокировочная система тормозов -- ABS (Anti-lock Braking System): Система повышает устойчивость автомобиля при торможении, обеспечивая возможность изменения траектории при торможении и в некоторых случаях уменьшая тормозной путь. Может служить источником информации о скорости автомобиля, состоянии дорожного покрытия.

* Противобуксовочная система -- ASR (Automatic/Anti Slip Regulation), ATC (Automatic Traction Control), ETS (Electronic Traction Control) или DTC (Dynamic Traction Control): Улучшает процесс движения на скользких дорогах, значительно снижая пробуксовывание колес. Может служить источником информации о состоянии дорожного покрытия.

* Система стабилизации движения (система поддержания курсовой устойчивости) -- ESP (Electronic Stability Program), ESC (Electronic Stability Control), DSM (Dynamic Stability Management) или VSA (Vehicle Stability Assist), VSC (Vehicle Stability Control): Повышает курсовую устойчивость автомобиля, предотвращает занос автомобиля.

* Система помощи при экстренном торможении - BA (Brake Assist), BAS (Brake Assist System) или EBA (Electronic Brake Assist или Emergency Braking Assistant): Уменьшает тормозной путь автомобиля путем автоматического повышения давления в тормозном приводе при быстром (экстренном) нажатии на тормозную педаль. Проводятся работы по использованию системы ВА в интел- лектуальных системах управления транспортом (для предотвращения проезда линии «Стоп»). Развитием системы ВА является система PBA (Predictive Brake Assist). В этой системе используется локатор, оценивающий расстояние до препятствия и скорость сближения с ним, для расчета эффективности торможения с целью снижения вероятности наезда движущегося сзади транспорта.

* Круиз контроль: Система поддержания заданного режима движения.

* Адаптивный круиз-контроль -- ACC (Adaptive Cruise Control): Система поддерживает заданную скорость и может автоматически её корректировать, поддерживая надлежащее расстояние между ТС. Для работы системы используются локационные датчики.

* Системы предотвращения столкновений автомобилей -- СПСА: В системах используются радио или оптические локаторы, сканирующие пространство перед автомобилем. В простейших системах, при нарушении дистанции безопасности между движущимися ТС, водитель предупреждается световым/звуковым сигналом. В более сложных системах автоматически осуществляется торможение. Разрабатываются системы предупреждения не только фронтальных столкновений, но и боковых столкновений. Дальнейшим развитием СПСА является система Stop&Go, обеспечивающая безопасное движение с автоматическим торможением и ускорением в транспортном потоке. Системы СПСА сегодня являются «закрытыми», но в будущем могут стать «открытыми», т.е. использующими информацию от навигационных систем и дорожно-транспортной инфраструктуры.

* Система торможения «по проводам» -- BBW (Brake by Wire): Перспективная тормозная система, в которой управление торможением осуществляется электроникой (по проводам), а силовая, исполнительная часть может быть гидравлической, пневматической или электрической.

* Система активного рулевого управления -- AFS (Active Front Steering): Система корректирует управляющие воздействия водителя, улучшая управляемость и устойчивость автомобиля. Может использоваться в системе автоматической парковки транспортного средства.

* Активная подвеска автомобиля.

* Система предотвращения опрокидывания.

* Автоматическая система управления стеклоочистителями: Система получает информацию от оптического датчика, определяющего наличие и размер капель на ветровом стекле, включает и регулирует скорость стеклоочистителя.

* Автоматическая система управления световыми приборами: Световой датчик определяет освещенность вокруг ТС и автоматически включает световые приборы. Некоторые системы управляют переключением фар, для снижения ослепления водителей встречного транспорта.

Системы информирования водителя.

* Система информирования о техническом состоянии автомобиля: Следит за техническим состоянием автомобиля, в том числе осуществляет мониторинг давления в шинах. Система может быть как «закрытой» - информирует только водителя, так и «открытой» - передает информацию в сервисный центр.

* Система адаптивного освещения: Обеспечивает лучшее освещение дороги при проезде поворотов, поворачивая фары автомобиля в соответствии с поворотом объекты в видимые водителем изображения, повышая безопасность движения в условиях плохой видимости.

* Система предупреждения о пересечении дорожной разметки: Система предупреждает водителя о непроизвольном выходе с заданной полосы движения.

* Система предупреждения о возможности опрокидывания -- RSC (Roll Stability Control).

* Система мониторинга «слепой зоны»: Система информирует чводителя световым или звуковым сигналом, или изображением на видеомониторе о нахождении рядом с транспортным средством других участников движения, которые могут создать помеху при перестроении на другую полосу движения.

* Система распознавания дорожных знаков: Видеосистема отслеживает дорожные знаки и воспроизводит их на мониторе (приборном щитке) или проецирует на лобовое стекло.

* Системы обнаружения препятствий при движении задним ходом: Эти системы обнаруживают препятствия (ультразвуком, радаром или инфракрасным излучением) при движении транспортного средства назад и, когда препятствие идентифицировано, информируют об этом водителя.

* Мониторинг состояния водителя: Система отслеживает управляющие реакции водителя, состояние его глаз и др. и предупреждает его звуковым (голосовым) сигналом для повышения его внимания.

* Системы обнаружения невидимых препятствий: К таким системам относятся различные устройства (с локационными датчиками различных типов, сканирующими пространство вокруг автомобиля), информирующие водителя о наличии препятствий. К этим системам также относятся системы ночного видения, которые используют инфракрасные излучатели и преобразуют невидимые на дороге объекты в видимые водителем изображения, повышая безопасность движения в условиях плохой видимости.

* Системы информирования о препятствиях впереди.

* Навигационные системы: Системы, в том числе активные, использующие информацию от датчиков внутри автомобиля, в случаях проезда автомобиля в тоннелях и других местах, где пропадает сигнал от спутников.

* Системы информации о состоянии дорожного движения: Системы предупреждают водителя о наличии заторов на дорогах, информируют об оптимальной скорости движения с целью проезда на разрешающий сигнал светофора и др.

* Системы информации о метеоусловиях.

* Система предупреждения о наличии пешеходов на проезжей части.

* Система предупреждения о наличии знака (линии) «Стоп».

Система сбора и передачи информации.

* «Черный ящик».

* Тахограф.

* Система передачи об аварии «e-Call»: Система передает сигнал о ДТП по команде водителя или автоматически при срабатывании систем пассивной безопасности.

* Система электронной идентификации автомобиля (груза).

* Система предоставления данных об автомобиле для сервисных станций.

* Система позиционирования транспортного средства (передатчик местонахождения).

Отдельные системы АТС могут быть одновременно и «закрытыми» и «открытыми», т.е. информация от них может быть использована как внутри АТС, так и быть передана в инфраструктуру и другим участникам движения.

На рисунке 1.9 представлена блок-схема классификации бортовых систем интеллектуального автотранспортного средства.

«Логически организация БИУС автомобиля может быть различной. Но, очевидно, что структура с центральной (однопроцессорной) организацией вряд ли возможна из-за большой сложности системы, многофункциональности, повышенных требований по надежности функционирования, требований к быстродействию и т.д.

Использование в БИУС иерархической организации, когда в систему входит один центральный процессор и ряд подчиненных к нему процессоров, дает целый ряд преимуществ: распараллеливание решения задач управления позволяет существенно повысить быстродействие; обеспечивают возможность управления сложными объектами (агрегатами автомобиля) в режиме реального времени; обеспечивает более высокую надежность системы.

Но вместе с этим, усложняется процедура решения задач управления: возникают сложности распределения общей задачи на ряд отдельных подзадач, сложности увязки этих подзадач между собой; сложности создания алгоритмического и программного обеспечения такой иерархической системы управления.

Развитие компьютерных и сетевых технологий позволяет в настоящее время перейти к созданию децентрализованных распределенных систем компьютерного управления, которые представляю собой множество полностью равноправных процессоров, объединенных в единую систему управления с помощью сетевого канала связи.

Такая организация БИУС имеет ряд преимуществ: отсутствует центральный процессор, выход которого из строя приводит к отказу всей информационно-управляющей системы; отказ любого процессора не приводит к катастрофическим последствиям - задачи, решаемые отказавшим процессором, могут быть перераспределены/размещены на работоспособных процессорах. Таким образом, помимо параллельности решения задачи управления, такая БИУС будет обладать высокой надежностью. Обмен информацией между отдельными подсистемами БИУС, датчиками и исполнительными механизмами может осуществляться по стандартным сетевым протоколам обмена».

1.5 Структурная схема БИУС

«Для оценки состояния и поведения транспортного средства используется информация, получаемая со следующих датчиков, расположенных на машине:

- датчики давления измеряют давление масла в КПП, ДВС, гидросистеме, пневмосистеме;

- датчики температуры для измерения температуры охлаждающей жидкости ДВС, масла в ДВС, охлаждающей жидкости в компрессоре, масла в гидросистеме.

Перечисленные датчики являются аналоговыми и имеют различные диапазоны измерения. Многие датчики имеют нелинейную характеристику. Используются дискретные датчики, работающие в качестве сигнализаторов, например, сигнализатор критической температуры охлаждающей жидкости, аварийного давления масла и другие, концевые выключатели главного фрикциона, горного тормоза, вентилятора. Еще один тип датчиков - импульсные датчики, формирующие последовательность импульсов, например для контроля пройденного пути.

В качестве БИУС используется бортовой компьютер (вычислитель), выполняющий сбор и обработку информации с датчиков, а также формирующий информационные сообщения и управляющие воздействия на исполнительные механизмы. Для подключения датчиков к вычислителю необходимо выполнить обработку сигналов. К обработке сигналов относятся нормирование сигнала (усиление), т.е. приведение его к определенному значению, фильтрация, линеаризация, аналого-цифровое преобразование и другие виды обработки»

Рисунок 1.9 - Классификации бортовых систем интеллектуального автотранспортного средства

2. Виды БИУС, классификиция, примеры

Классификация современных ботовых электронных систем автомобилей

Классификация современных бортовых электронных систем автомобилей (рисунок 2.1) включает в себя:

- ЭСУА - электронные системы управления автомобилем;

- ЭСУД - электронные системы управления двигателем;

- СБСА - специализированные бортовые системы автомобиля;

- ЛВС - локальные вычислительные сети.

- Системы активной безопасности и другие.

Рисунок 2.1

Электронные системы управления автомобилем подразделяются на два типа: обеспечивающие безопасность при движении автомобиля и улучшающие управляемость и эргономичность автомобиля. Например, система курсовой устойчивости предотвращает увод автомобиля в неуправляемый занос, а автоматическая коробка перемены передач облегчает управление автомобилем.

Электронные системы управления двигателем включают в себя системы впрыска, зажигания и пуска двигателя и другие приборы электрооборудования автомобиля, обеспечивающие надежную работу двигателя и его высокий КПД. Специализированные бортовые системы автомобиля включают в себя различные системы отображения информации, необходимой для водителя; системы, повышающие комфортабельность автомобиля; системы навигации; противоугонные устройства.

Локальные вычислительные сети являются мультиплексными системами передачи информации на основе технологии CAN. Они позволяют значительно уменьшить число проводов, контактов и звеньев связи на автомобиле.

2.2 Электронные системы управления автомобилем

Антиблокировочная тормозная система автомобиля

Структурная схема антиблокировочной тормозной системы с обратной связью представлена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Антиблокировочная тормозная система (ABS) с обратной связью: 1 - главный тормозной цилиндр; 2 - модулятор давления; 3 - колесный тормозной цилиндр; 4 - датчик скорости колеса; 5 - входной усилитель ABS; 6 - блок вычислений ABS; 7 - блок управления ABS; 8 - блок контроля исправности ABS

Электронный блок управления (ЭБУ) собран на базе интегральных микросхем с применением цифровой технологии. Он состоит из четырех блоков и семи микросхем:

- входной усилитель ABS для формирования и усиления сигналов датчика скорости колеса;

- блок вычислений ABS для выполнения логических операций, сравнения угловых скоростей колес, определения пробуксовки ко лес, их замедления и для формирования команд исполнительному механизму;

- блок управления ABS, представляющий собой усилитель мощности для привода электромагнитных клапанов в модуляторе давления;

- блок контроля исправности ABS. При возникновении неисправности этот блок отключает антиблокировочную систему. При этом основная тормозная система (без регулировки) остается в рабочем состоянии.

Противобуксовочная система автомобиля.

Противобуксовочная система (англ. Anti-Slip Regulation, ASR) - это электрогидравлическая система автомобиля, предназначенная для предотвращения потери тяги посредством контроля за пробуксовкой ведущих колес. Иногда эту систему называют системой управления силой тяги. Во время ускорения автомобиля, когда излишний крутящий момент приводит к быстрому повышению частоты вращения одного или обоих ведущих колес, противобуксовочная система поддерживает проскальзывание ведущих колес в пределах допустимого уровня, выполняя следующие функции:

- регулирование силы тяги;

- поддержание курсовой устойчивости автомобиля.

Противобуксовочная система с замкнутой обратной связью (рисунок 2.3) объединяется с блоком управления антиблокировочной системы для совместного использования ее компонентов, включающих датчики частоты вращения колес и клапаны управления давлением.



Рисунок 2.3 - Принципиальная схема противобуксовочной системы автомобиля: 1 - главный тормозной цилиндр; 2 - модулятор давления ABS/ASR; 3 - электронный блок управления ABS/ASR; 4 - электронный блок управления тягой двигателя; 5 - датчик положения дроссельной заслонки; 6 - датчик положения педали акселератора; 7 - датчики угловой скорости колес; 8 - колесные тормозные цилиндры

Существует несколько вариантов противобуксовочных систем: управление двигателем, управление двигателем - тормозами, управление двигателем с блокировкой дифференциала. Первый вариант управления не использует тормоза и не требует модификации антиблокировочной тормозной системы. Для повышения быстродействия системы при резком ускорении не только прикрывается дроссельная заслонка, но и уменьшается угол опережения зажигания и количество впрыскиваемого топлива. Данные меры способствуют увеличению устойчивости движения автомобиля. Вместе с этой системой может применяться устройство блокировки дифференциала, что также увеличивает устойчивость автомобиля при ускорении. Подобная система управления тяговым усилием используется на автомобилях с задними ведущими колесами.

Во втором случае блок электронного управления используется антиблокировочной тормозной системой в качестве элемента системы управления тяговым усилием. Механическая связь между педалью управления подачей топлива и дроссельной заслонкой заменяется электронной. Педаль управления подачей топлива воз действует на потенциометр, который посылает сигнал о ее положении в ЭБУ. Датчики угловых скоростей колес позволяют обнаружить пробуксовку ведущих колес. При возникновении пробуксовки ЭБУ посылает сигнал для закрытия дроссельной заслонки. В том случае, если пробуксовка начинается только у одного колеса, оно притормаживается антиблокировочной тормозной системой и одновременно прикрывается дроссельная заслонка. Эффективными являются применение блокируемого дифференциала и при необходимости притормаживание обоих ведущих колес. Этот способ требует наличия дополнительной гидравлической системы, кроме ABS. «Бортовая информационно-управляющая система (БИУС) транспортного средства (ТС) - это комплекс автоматической оценки состояния автомобиля и его агрегатов, оценки параметров движения, для информирования водителя об этих состояниях и выработки управляющий воздействий на исполнительные механизмы автомобиля в процессе выполнения различных задач. Принцип работы БИУС - сигналы с датчиков, установленных на ТС, поступают в вычислитель, который формирует заключение и выдает его в виде информации п состоянии контролируемого объекта водителю и автоматическим исполнительным системам. По своей структуре бортовая информационно-вычислительная система должна состоять из:

1) датчиков, воспроизводящих диагностическую информацию от объекта диагностирования;

2) преобразователей, принимающих сигналы от датчиков и преобразующих их в вид, удобный для дальнейшей обработки;

3) устройств пбрабптки информации, которые проводят оценку полученных данных диагностирования по заданной программе и выдают конечные результаты в виде электронных сигналов;

4) устройств выдачи информации, фиксирующих результаты диагностирования на носителе информации.

Блок-схема вариантов противобуксовочной системы (рисунок 2.4).



Рисунок 2.4

Система управления курсовой устойчивостью автомобиля.

Система управления курсовой устойчивостью автомобиля (англ. Vehicle Dinamic Control, VDC) представляет собой систему с обрат ной связью, которая позволяет сохранить курсовую устойчивость во время движения автомобиля. Она объединена с тормозной системой и силовой передачей. Система VDC упреждает опережение или запаздывание поворота автомобиля во время управления им. Преимущества ABS и ASR развиваются системой VDC за счет повышения активной безопасности движения во время управления автомобилем по следующим пунктам:

- обеспечение водителя активной помощью даже в критических динамических ситуациях;

- увеличение курсовой устойчивости автомобиля даже при пре дельно сложных условиях дорожного движения для всех режимов эксплуатации, таких как полное или частичное торможение, движение накатом, разгон, торможение двигателем, изменение нагрузок;

- повышение устойчивости движения даже во время экстремальных маневров управления (аварийная ситуация);

- улучшение управляемости при предельно сложных условиях дорожного движения;

- лучшее использование потенциала сцепления между шинами и дорожным покрытием в зависимости от условий движения по сравнению с ABS и ASR.

На характеристику рулевого управления автомобиля можно повлиять посредством скольжения шин. В системе VDC эта характеристика шин используется в целях внедрения сервоуправления.

Система VDC управляет не только скоростью вокруг вертикальной оси, но и курсовым углом. VDC не ограничивается ре жимами работы систем ABS и ASR, но также распространяется на режим движения автомобиля накатом и приводится в действие во время частичного торможения на пределе возможности управления автомобилем. Управление автомобилем на пределе физических возможностей должно учитывать три степени свободы автомобиля на плоскости дороги (продольная и поперечная составляющие движения и поворот относительно вертикальной оси). Первоначально необходимо определить, как правильно должен вести себя автомобиль в соответствии с действиями водителя (номинальное поведение) и как он фактически себя ведет на дороге (действительное поведение). В целях минимизации разницы между номинальным и действительным поведением, силы действия на шину должны управляться исполнительными механизмами.

На рисунке 2.5 показана структура управления курсовой устойчивостью автомобиля, состоящая из главного контроллера VDC и контроллеров скольжения. С помощью главного контроллера вводится значение номинальной величины проскальзывания XN для контроллера скольжения. Следящий блок определяет переменную контролируемого состояния (курсовой угол автомобиля).

Рисунок 2.5 - Принципиальная схема системы управления курсовой устойчивостью автомобиля: 1 - датчики скорости вращения колес; 2 - датчик давления в тормозной системе; 3 - датчик положения рулевого колеса; 4 - датчик угловой скорости относительно вертикальной оси; 5 - датчик поперечного ускорения; 6 - модулятор давления; 7 - электронный блок управления тягой двигателя; 8 - сигналы датчиков для VDC; лN - номинальное проскальзывание шины

«Оцениваются сигналы от датчика положения рулевого колеса, датчика давления в тормозной системе и органов управления работой двигателя. Помимо скорости движения автомобиля вычисляются также необходимые характеристики коэффициентов сцепления между шинами и дорожным покрытием. Эти параметры оцениваются на основе сигналов, получаемых от датчиков скорости вращения колес, поперечного ускорения, угловой скорости относительно вертикальной оси и давления в тормозной системе. Затем рассчитывается момент относительно вертикальной оси, который нужен для приближенного приведения параметров действительно го состояния к параметрам требуемого состояния. В целях получения требуемого момента рыскания необходимо, чтобы изменения в величинах относительного скольжения колес определялись посредством контроллера VDC. Затем эти величины устанавливаются с использованием контроллеров скольжения и тягового усилия с помощью исполнительного механизма гидравлической тормозной системы (модулятора давления) и электронного блока управления тягой двигателя. В данной системе применяется метод последовательных приближений компонентов ABS и ASR. Гидравлический модулятор с расширенными функциями ASR допускает высокий уровень динамического торможения всех колес при любых существующих температурах и в то же время надежно поддерживает необходимое разделение тормозных контуров. Необходимый крутящий момент двигателя может быть установлен посредством управления работой двигателя через интерфейс CAN. Далее рассмотрим, как ведет себя автомобиль во время работы ПЗС. ПЗС реагирует на критические ситуации, если известно, куда намерен ехать водитель и куда на самом деле едет автомобиль. Ответ на первый вопрос система получает от датчиков, определяющих угол поворота рулевого колеса и угловые скорости колес автомобиля. Ответ на другой вопрос можно получить, измерив угол поворота автомобиля вокруг вертикальной оси и величину его поперечного ускорения. Если от датчиков поступают разные ответы на упомянутые выше вопросы, то есть возможность возникновения критической ситуации, при которой необходимо вмешательство ПЗС. Критическая ситуация может проявляться в двух вариантах поведения автомобиля: недостаточная и избыточная поворачиваемость автомобиля. В случае недостаточной поворачиваемости автомобиля ПЗС дозированно подтормаживает заднее колесо на внутренней стороне поворота, а также воздействует на системы управления работой двигателя и АКП (если автомобиль оборудован автоматической трансмиссией). В результате добавления к сумме сил тормоз ной силы, приложенной к упомянутому выше колесу, вектор результирующей силы, действующей на автомобиль, поворачивается в сторону поворота и возвращает машину на заданную траекторию движения, предотвращая выезд за пределы проезжей части и обеспечивая тем самым вписываемость в поворот. В случае избыточной поворачиваемости автомобиля ПЗС дозированно подтормаживает переднее колесо на внешней стороне поворота и воздействует на системы управления работой двигателя и АКП (если автомобиль оборудован автоматической трансмиссией). Вследствие чего вектор результирующей силы, действующей на автомобиль, поворачивается наружу поворота, предотвращая тем самым занос автомобиля и следующее за ним неуправляемое вращение вокруг вертикальной оси. Еще одной распространенной ситуацией, в которой требуется вмешательство ПЗС, является объезд неожиданно возникшего на дороге препятствия. В случае, если автомобиль не оборудован ПЗС, события часто развиваются по следующему сценарию. Чтобы избежать столкновения с неожиданно возникшим препятствием, водитель резко поворачивает влево, а затем, чтобы возвратиться на ранее занимаемую полосу, вправо. В результате автомобиль резко поворачивается и возникает занос задних колес, переходящий в неуправляемое вращение автомобиля вокруг вертикальной оси. Развитие ситуации в случае с автомобилем, оборудованным ПЗС, выглядит несколько иначе. Водитель пытается объехать препятствие, как и в первом случае. По сигналам датчиков ПЗС распознает возникший неустойчивый режим движения автомобиля, производит необходимые вычисления и (в качестве контрмеры) подтормаживает левое заднее колесо, способствуя тем самым по вороту автомобиля. При этом сила бокового увода передних колес сохраняется. Пока машина движется по дуге влево, водитель начинает поворачивать рулевое колесо вправо. Чтобы способствовать повороту автомобиля вправо, ПЗС ппдтормаживает правое перед нее колесо. Задние колеса при этом вращаются свободно, благодаря чему оптимизируется действующая на них боковая сила увода. Предпринятая водителем смена полосы движения может вызвать резкий поворот автомобиля вокруг вертикальной оси. Чтобы предотвратить занос задних колес, подтормаживается левое переднее колесо. В особо критических ситуациях это торможение должно быть очень интенсивным, чтобы ограничить нарастание боковой силы увода, действующей на передние колеса. Рекомендуется выключать ПЗС при «раскачке» автомобиля, застрявшего в глубоком снегу или рыхлом грунте, езде с цепями противоскольжения и проверке автомобиля на динамометрическом стенде. Отключение ПЗС осуществляется нажатием кнопочного выключателя на панели приборов, включение - повторным нажатием на указанную клавишу. При запуске двигателя ПЗС находится в рабочем режиме».

Система автоматического управления трансмиссией автомобиля.

«Система автоматического управления трансмиссией автомобиля реализуется благодаря появлению на автомобилях автоматических коробок перемены передач (АКПП). АКПП обеспечивают бесступенчатое регулирование крутящего момента, подводимого к колесам автомобиля. Большинство АКПП состоят из гидротрансформатора, планетарных редукторов, фрикционных и обгонных муфт и соединительных валов и барабанов. Также иногда применяется тормозная лента, затормаживающая один из барабанов относительно корпуса АКПП при включении той или иной передачи. Устройство управления АКПП - это набор золотников, управляющих потоками масла к поршням тормозных лент и фрикционных муфт. Положения золотников задаются как вручную - механически рукояткой селектора, так и автоматически. Автоматика может быть гидравлической или электронной. Гидравлическая автоматика реагирует на изменение давления масла от центробежного регулятора, соединенного с выходным валом АКПП, а также от нажатой водителем педали газа, получая информацию о скорости автомобиля и положении педали газа, на основании которой переключаются золотники. Электронная автоматика предполагает использование соленоидов, перемещающих золотники. Кабели от соленоидов выходят из АКПП и идут к расположенному вне АКПП блоку управления, иногда объединенному с блоком управления впрыском топлива и зажиганием (рисунок 2.6)».

Рисунок 2.6 - Управление автоматической коробкой перемены передач

Система автоматического управления подвеской автомобиля.

«Система автоматического управления подвеской позволяет повысить не только комфортабельность салона автомобиля для водителя и пассажиров, но и безопасность движения. Это достигается за счет введения в подвеску исполнительных механизмов, управляемых с помощью электронных устройств, которые изменяют жесткость упругих элементов и сопротивление амортизаторов, что способно уменьшить крен кузова на повороте и его продольный наклон при разгоне и торможении. Разработаны также устройства, обеспечивающие горизонтальное положение кузова при движении по неровным дорогам. Рассмотрим принцип регулирования сопротивления амортизатора, жесткости подвески и высоты кузова на примере одного колеса (рисунок 2.7).



Рисунок 2.7 - Схема автоматического регулирования подвески: 1 - датчик скорости; 2 - датчик ускорения; 3 - датчик угловой скорости относительно вертикальной оси; 4 - датчик положения кузова автомобиля; 5 - фильтр; 6 - компрессор с приводом; 7 - влагоотделитель; 8 - электромагнитный клапан; 9 - амортизатор; 10, 11 - пневмокамеры; 12 - электродвигатель; 13 - кузов

Упругий элемент расположен между кузовом автомобиля и нижним рычагом подвески. Параллельно пружине подвески установлена основная пневмокамера, внутри которой (иногда вне ее) находится амортизатор. В кузове, выше основной пневмокамеры, расположена вспомогательная камера. Обе камеры соединены между собой перепускным клапаном, проходное сечение которого регулируется электромагнитным клапаном. Этот клапан связан с компрессором подпитки камер воздухом через влагоотделитель. Атмосферный воздух поступает в компрессор через фильтр. Регулирование жесткости подвески достигается изменением производительности перепускного клапана, а изменение высоты кузова осуществляется подкачиванием пневмокамеры от компрессора или выпуском воздуха из нее в атмосферу, что позволяет растягивать или сжимать основную пневмокамеру. Сопротивление амортизаторов регулируется изменением проходного сечения перепускных отверстий в поршне. Для этого в поршень вмонтирован поворотный золотник. Золотник поворачивается стержнем, соединенным с электродвигателем. ЭБУ дает команду электродвигателю повернуть золотник на необходимый угол, тем самым изменяя сопротивление амортизаторов».

2.3 Специализированные бортовые системы автомобиля

Специализированные бортовые системы автомобиля очень разнообразны. Автопроизводители стремятся оснастить автомобиль как можно большим количеством систем, повышающим его комфортабельность, эргономичность, управляемость, информативность и безопасность. Рассмотрим некоторые из них.

Электронные противоугонные системы автомобиля.

«Противоугонные системы являются стандартным оборудованием на большинстве новых автомобилей и могут устанавливаться на выпущенные ранее. Промышленность производит много различных противоугонных систем, их цена, как правило, связана с предлагаемым уровнем защиты. Противоугонные системы должны быть эффективными, надежными, иметь длительный срок службы, устойчивыми к внешним воздействиям, например к радиопомехам. Установка такой системы не должна ухудшать безопасность автомобиля.