Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные системы обеспечения безопасности автомобиля 9
1.1. Понятие о системе «водитель - автомобиль - дорога - среда» 9
1.2. Классификация дорожно-транспортных происшествий и их причины 12
1.3. Современные системы безопасности транспортных средств
1.3.1. Системы пассивной безопасности 16
1.3.2. Системы активной безопасности 25
1.4. Выводы 39
Глава 2. Система обнаружения подвижных объектов в «слепой» зоне боковых зеркал как составляющая активной безопасности автомобиля ... 40
2.1. Перспективные системы контроля «слепой» зоны 40
2.2. Принципы работы предлагаемой автоматической системы обнаружения подвижных объектов в «слепой» зоне боковых зеркал для управления автомобилем 48
2.3. Модуль обнаружения АТС в области «слепой» зоны 53
2.4. Модуль световой и вибро индикации 58
2.5. Модуль создания усилия на рулевом колесе 59
2.6. Выводы 61
Глава 3. Математическое моделирование управляемого движения автомобиля 63
3.1. Описание математической модели автомобиля 63
3.2. Автомобиль как объект управления 73
3.3. Оценка поведения автомобиля при работе автоматической системы обнаружения подвижных объектов в «слепой» зоне боковых зеркал автомобиля 92
3.4. Выводы 103
Глава 4. Разработка автоматической системы обнаружения подвижных объектов в «слепой» зоне боковых зеркал автомобиля 104
4.1. Методика установки сенсоров на автомобиль 104
4.2. Исследование датчика мониторинга «слепой» зоны 109
4.3. Проектирование блока автоматической системы обнаружения подвижных объектов в «слепой» зоне боковых зеркал автомобиля 114
4.4. Программирование управляющего блока 120
4.5. Выводы 128
Заключение 130
Список использованных источников
- Классификация дорожно-транспортных происшествий и их причины
- Принципы работы предлагаемой автоматической системы обнаружения подвижных объектов в «слепой» зоне боковых зеркал для управления автомобилем
- Автомобиль как объект управления
- Проектирование блока автоматической системы обнаружения подвижных объектов в «слепой» зоне боковых зеркал автомобиля
Классификация дорожно-транспортных происшествий и их причины
Современный автомобиль по своей природе представляет собой устройство повышенной опасности. Учитывая социальную значимость автомобиля и его потенциальную опасность при эксплуатации, производители оснащают свои автомобили средствами, способствующими его безопасной эксплуатации.
Безопасность основывается на взаимодействии элементов конструкции автомобиля и различных систем, сочетание которых позволяет определить, насколько безопасен автомобиль в целом в отличие от эффективности отдельно взятых компонентов и технологий. Главная цель - создание автомобиля, обеспечивающего универсальную защиту для людей различного роста и телосложения, учитывая вероятность самых разных ситуаций на дороге.
Системы безопасности транспортных средств подразделяются на пассивные и активные. Совокупность конструктивных элементов, применяемых для защиты пассажиров от травм при аварии, составляет систему пассивной безопасности автомобиля. Система должна обеспечивать защиту не только пассажиров и конкретного автомобиля, но и других участников дорожного движения.
Системы активной безопасности позволяют эффективно снизить вероятность столкновений на дорогах. Такие включают технологии, которые помогают водителю автомобиля избежать столкновения, поэтому активная безопасность представляет собой важную сферу для исследований и разработок
В самом общем виде, пассивная безопасность представляет собой совокупность узлов и механизмов, позволяющих сберечь жизнь пассажиров и водителя автомобиля при дорожно-транспортном происшествии.
Современная система пассивной безопасности автомобиля имеет электронное управление, обеспечивающее эффективное взаимодействие большинства компонентов. На рис. 1.4 показана упрощенная схема системы пассивной безопасности, где: 1. датчик удара фронтальной подушки безопасности водителя; 2. датчик удара фронтальной подушки безопасности переднего пассажира; 3. блок управления двигателем; 4. контрольная лампа подушки безопасности переднего пассажира; 5. контрольная лампа предупреждения о непристегнутых ремнях безопасности; 6. выключатель подушки безопасности переднего пассажира; 7. диагностический вывод; 8. межсетевой интерфейс; 9. пиропатрон подушки безопасности водителя; 10. пиропатрон подушки безопасности переднего пассажира; 11. блок управления системой пассивной безопасности; 12. датчик удара боковой подушки безопасности водителя; 13. пиропатрон боковой подушки безопасности водителя; 14. датчик положения сидения водителя; 15. датчик положения сидения переднего пассажира; 16. датчик занятости сидения переднего пассажира; 17. пиропатрон боковой подушки безопасности переднего пассажира; 18. датчик удара боковой подушки безопасности переднего пассажира; 19. выключатель замка ремня безопасности водителя; 20. выключатель замка ремня безопасности переднего пассажира; 21. пиропатрон натяжителя ремня безопасности водителя; 22. пиропатрон натяжителя ремня безопасности переднего пассажира; 23. ограничитель усилия натяжителя ремня безопасности водителя; 24. ограничитель усилия натяжителя ремня безопасности переднего пассажира; 25. пиропатрон головной подушки безопасности левый; 26. пиропатрон головной подушки безопасности правый; 27. датчик удара задний боковой подушки безопасности водителя; 28. датчик удара задний боковой подушки безопасности переднего пассажира; 29. пиропатрон аварийного размыкателя аккумуляторной батареи; 30. центральный блок управления системы комфорта [59].
Принципы работы предлагаемой автоматической системы обнаружения подвижных объектов в «слепой» зоне боковых зеркал для управления автомобилем
Для неуправляемой задней оси автомобиля KQ = 0. При качении эластичной шины скорость центра колеса в плоскости, параллельной дороге отклоняется от плоскости вращения колеса на некоторый угол 5, называемый углом увода колеса. Увод может быть вызван также установкой управляемых колес под углом к направлению движения (схождением) и с наклоном к вертикали (развалом). При поперечном крене автомобиля его колеса могут поворачиваться дополнительно на углы, обусловленные кинематикой подвески [7]:
У автомобиля с шинами, эластичными в поперечном направлении, траектория движения зависит не только от угла поворота управляемых колес, но и от углов увода. Автомобиль с эластичными шинами может под действием поперечной силы двигаться криволинейно, даже если управляемые колеса находятся в нейтральном положении.
Боковые силы на колесах определяются на основе гипотезы стационарного увода, согласно которой поперечная реакция дороги пропорциональна углу увода:
Для оценки поведения различных шин при малых углах увода используется коэффициент сопротивления боковому уводу К. Величина коэффициента сопротивления уводу в общем случае не является постоянной, а зависит от условий работы колеса. Исследованиям характеристик стационарного увода шин и влияния различных факторов на величину Ks посвящено большое количество работ. Вместе с тем область применения такого описания ограничена исследованиями установившегося движения автомобиля.
Коэффициент сопротивления уводу одного колеса для номинальной вертикальной нагрузки определяется по эмпирической формуле [7]: Kso = 780 2Bs +ds -Bs-(p».+ 98) -Ks (ЗЛО)
Для принятой модели автомобиля коэффициент сопротивления уводу Kso, вычисленный для заданного давления воздуха и нагрузки на ось, корректируется в зависимости от действующих продольных сил по формуле:
При качении колеса с уводом на его шину действует стабилизирующий момент шины. С возрастанием угла увода стабилизирующий момент шины вначале увеличивается, а затем, достигнув наибольшего значения, уменьшается. Такое поведение кривых объясняется тем, что возрастание угла увода связано, с одной стороны, с увеличением поперечной силы и ее момента, а с другой стороны - с увеличением силы сопротивления качению и поперечного смещения шины.
Для малых углов увода стабилизирующий момент шины пропорционален углу увода, т. е. можно записать
Движение автомобиля связано с перемещением частиц воздуха, на что расходуется часть мощности двигателя. Затраты мощности на преодоление сопротивления воздуха складываются из следующих составляющих: лобового сопротивления (около 55-60% всего сопротивления воздуха); сопротивления, создаваемого выступающими частями; сопротивления, возникающего при прохождении воздуха через радиатор и подкапотное пространство; трения наружных поверхностей о близлежащие слои воздуха; сопротивления, вызванного разностью давлений сверху и снизу автомобиля. Аэродинамические нагрузки на движущийся автомобиль: Qy- плечо, на котором действует боковая аэродинамическая сила, м. Реакции автомобиля характеризуют условия движения автомобиля во время вьшолнения маневра. Ими, в частности, являются угловая скорость поворота со, угол бокового увода 5 и угол крена кузова ф. Реакции автомобиля на поворот управляемых колес 9F можно определить, подставив выражения в формулах (3.21) - (3.22) в систему (3.3), и после соответствующей перегруппировки получим:
Если принять рулевое управление автомобиля абсолютно жестким, то могут быть получены реакции автомобиля на поворот руля, а не на поворот колес [7]: рк ру F (3.35) В случае установившегося криволинейного движения автомобиля со =8 = ф = ф = 0 и реакции автомобиля на управление равны: (0 = _L3—22 12—23_.e a .e Оценка движения автомобиля в нестационарных режимах может проводиться по его реакциям на типовое управляющее воздействие (ступенчатый или синусоидальный поворот руля) и тогда необходимо задавать в виде функции закон поворота руля, а затем решать систему уравнений (3.23), либо по его передаточным функциям, выраженным в частном случае в виде частотных характеристик, которые полностью описывают его свойства как объекта управления.
В состав вентильно-индукторного привода входят: вентильно-индукторный двигатель (ВИД), коммутатор (К), редуктор-расцепитель (Р/Р), контроллер и датчик тока (ДТ).
Универсальный контроллер предназначен для управления приводами переменного тока, в частности вентильными индукторными двигателями. Главная функция контроллера - реализация прямого цифрового управления силовой частью привода через интерфейс контроллера с инвертором. Контроллер управляет двигателем, анализируя информацию с датчика момента (ДМ), в виде уровня напряжения (U), датчика скорости автомобиля (ДСА, Vaem\ датчика частоты вращения (ДЧВ), в виде напряжения питания (Unum), и датчика тока. Момент (Мвод), прикладываемый водителем к рулевому колесу (РК) вместе с моментом колеса (Мкол), передается через рулевой вал в виде момента рулевого вала (Мрв) и через датчик момента на редуктор (Р), где складываясь с моментом компенсации (Мколт), развиваемый электроприводом (ВИП), поступает через детали рулевого привода (РП) на управляемые колеса [41].
Датчик скорости позволяет уменьшать воздействие момента компенсации с увеличением скорости автомобиля, что соответствует требованиям безопасности. Датчик тока сигнализирует о превышении допустимого значения тока в фазной (іф) обмотке вентильно-индукторного двигателя. Датчик частоты вращения двигателя автомобиля определяет работу всей системы электромеханического усилителя рулевого управления. В случае, когда двигатель запущен, система производит инициализацию и начинает работать.
Целью управления вентильно-индукторным двигателем (ВИД) является создание компенсирующего крутящего момента на рулевом валу, предназначенного для снижения усилия на рулевом колесе автомобиля при низких скоростях движения.
Автомобиль как объект управления
В основе блока лежит микроконтроллер с ядром AVR фирмы Atmel (табл. П.2 - П.З). Структура процессора AVR (рис. 4.14) представляется фирмой как «высокопроизводительная RISC - архитектура с пониженным энергопотреблением» Гарвардского типа. Одним из основных достоинств этого контроллера является быстрое выполнение команд - он выполняет команду за один такт. AVR имеет разносторонний по своим возможностям процессор и очень прост в программировании для разработчиков прикладных программ. AVR ядро объединяет богатую систему команд и 32 рабочих регистра общего назначения. Все 32 регистра непосредственно связаны с арифметико-логическим устройством (АЛУ), что позволяет получить доступ к двум независимым регистрам при выполнении одной команды. В результате эта архитектура позволяет обеспечить в десятки раз большую производительность, чем стандартная CISC архитектура [70,71].
Блок-схема AVR архитектуры 8-разрядного микроконтроллера Микроконтроллеры фирмы Atmel серии AVR поддерживаются различными программными и интегрированными средствами разработки, такими как компиляторы С, макроассемблеры, программные отладчики/симуляторы, внутрисхемные эмуляторы и ознакомительные наборы [15].
Среди микроконтроллеров AVR существует специально разработанная серия «Automotive» (табл. П.З), предназначенная для использования в составе АТС, среди таких контроллеров можно выделить следующие: ATmega48-15AZ, ATmega88-15AZ и ATmegal68-15AZ. Указанные микроконтроллеры разработаны и изготовлены в соответствии с требованиями международного стандарта ISOS-16 949 1-й класс. Качество и надежность ATmega48-15AZ, ATmega88-15AZ и ATmegal68 116 15AZ были проверены во время их сертификации по стандарту AEC-Q100 [55,56].
Совмещая 8 разрядную RISC архитектуру с внутрисистемно перепрограммируемой флэш-памятью в монолитном чипе, Atmel ATmega88 является мощным микроконтроллером, который обеспечивает высокую гибкость и экономичное решение для многих встраиваемых систем.
ATmega88 предоставляет следующие возможности: 8 КБ внутрисистемно программируемой флэш-памяти, 512 Б EEPROM5, 1 КБ SRAM6, 23 линии Вв/Выв общего назначения, 32 рабочих регистра общего назначения, три гибких Таймера/Счетчика с режимами сравнения, внутренние и внешние прерывания, последовательный программируемый USART, байт-ориентированный двухпроводной последовательный интерфейс, 6-й канальный 10-и битный АЦП (8 каналов в корпусах TQFP и QFN), программируемый сторожевой таймер с внутренним генератором, пять программно выбираемых режимов экономии энергии. Режим ожидания останавливает процессор, позволяя SRAM, таймерам/счетчикам, порту SPI и системе прерываний функционировать. Режим пониженного энергопотребления сохраняет содержимое регистров, но останавливает генератор, отключая все остальные функции чипа до следующего прерывания или аппаратного сброса. В режиме сохранения энергии продолжает работать асинхронный таймер позволяя пользователю поддерживать базовый таймер пока устройство находится в состоянии сна. В режиме подавления шума АЦП останавливается процессор и все модули Вв/Выв, кроме асинхронного таймера и АЦП, чтобы минимизировать шум от переключений во время преобразования АЦП. В режиме ожидания работает кристалл/резонатор (генератор) в то время как устройство находится в режиме сна. Это позволяет осуществить очень быстрый запуск в сочетании с низким энергопотреблением.
Микроконтроллер изготавливается с использованием энергонезависимой памяти высокой плотности. Флэш-память программ может быть перепрограммирована внутрисистемно через последовательный интерфейс SPI, с помощью обычного энергонезависимого программатора памяти, или с помощью внутрисистемного загрузчика, работающего в ядре AVR. Внутрисистемный загрузчик может использовать любой интерфейс для загрузки прикладной программы в прикладную флэш-память. Программное обеспечение в секции загрузки флэш-памяти будет продолжать работать, пока секция прикладной флэш-памяти обновляется.
В схеме, представленной на рис. 4.15 использовано два микроконтроллера (Ш и U2). Микроконтроллер Ш отвечает за мониторинг «слепых» зон, а микроконтроллер U2 отвечает за корректировку скорости. Микроконтроллер U1 передает управляющий сигнал с линии РВЗ на линию внешних прерываний PD2 микроконтроллера U2. Таким образом обеспечивается непрерывный контроль и, в случае необходимости, преобразование сигнала скорости.
Поскольку напряжение бортовой сети автомобиля составляет 12 В, а напряжение питания микроконтроллера не превышает 5,5 В, то для питания схемы используется микросхема-стабилизатор напряжения L78L05 производства фирмы ST Microelectronics (рис. 4.16) [14]. Стабилизатор напряжения подключается к выводам VCC и GND микроконтроллеров.
Проектирование блока автоматической системы обнаружения подвижных объектов в «слепой» зоне боковых зеркал автомобиля
Поскольку аналоговый информационный выходной сигнал датчиков LV-MAXSONAR не превышает 5В, то линии опроса правого и левого каналов напрямую заведены на входы АЦП микроконтроллера Ш (рис. 4.16). Основываясь на сигналах с этих линий и выбранном режиме работы, который устанавливается переключателем, контроллер вырабатывает управляющие сигналы на правый и левый индикаторы, вибропривод и микроконтроллер U2.
В обычном режиме система опрашивает оба контура одновременно и выдает соответствующие управляющие сигналы на правый и левый индикаторы. В случае выбора режима работы системы по указателю поворота контроллер дополнительно считывает положение переключателя поворота и переходит в режим опроса соответствующего датчика. Сигнал переключателей указателей поворота поступает на микроконтроллер через стабилизаторы напряжения L78L05, поскольку напряжение на переключателе достигает 12В.
При включении автоматической системы обнаружения подвижных объектов в «слепой» зоне боковых зеркал автомобиля контроллер считывает сигнал датчика скорости и без изменения передает его на ЭМУР.
В режиме постоянной работы производится опрос сразу двух контуров системы и в соответствии с этим вырабатываются управляющие сигналы на индикаторы, вибропривод и модуль создания усилия на рулевом колесе [29]. При этом контроллер считывает сигнал датчика скорости автомобиля и при необходимости корректирует его с целью изменения момента компенсации ЭМУР, как описано в разделе 3.2.
При включении режима работы по указателю поворота выполняются те же действия, что и в случае постоянной работы, но опрос конкретного контура активируется включением указателя поворота. Для этого после определения включения данного режима необходимо производить опрос состояния переключения указателей поворота.
На основании описанного выше механизма работы сформирован упрощенный алгоритм работы всей системы, представленный на рис. 4.17:
Упрощенный алгоритм работы автоматической системы обнаружения подвижных объектов в «слепой» зоне боковых зеркал для управления автомобилем Существует широкий выбор программ, предназначенных для программирования микроконтроллеров AVR, таких как AVR Studio, Algorithm Builder, PonyProg, IcProg, AVReAl, WinAVR и другие [72].
AVR Studio - это бесплатный пакет, разработанный фирмой Atmel, он объединяет в себе текстовый редактор, ассемблер и симулятор, позволяющий отследить выполнение программы. Пакет AVR Studio также используется совместно с аппаратными средствами отладки [19].
WinAVR - бесплатный компилятор с языков программирования различных уровней. Входящая в состав пакета WinAVR мощная утилита AVRDUDE может использоваться через командную строку, чтобы читать или записать все типы памяти кристалла, или при помощи графического интерфейса. Использование AVRDUDE из командной строки удобно для полного программирования всей памяти кристалла, в то время как графический интерфейс полезен для исследования содержания памяти, изменения отдельных байтов EEPROM, fuse и lock битов и т.д [73].
Первоначальный код утилиты AVRDUDE был написан Брайеном Дином (Brian S. Dean) и имел название avrprog. Сама утилита avrprog входит в состав официального, бесплатно распространяемого пакета AVR Studio.
Algorithm Builder - графическая среда для разработки программного обеспечения для микроконтроллеров с архитектурой AVR фирмы Atmel [74]. В отличие от классического ассемблера программа вводится в виде алгоритма с древовидными ветвлениями и отображается на плоскости, в двух измерениях. Сеть условных и безусловных переходов отображается графически, в удобной векторной форме. Коды программ (листинг П.4 -П.5) в среде Algorithm Builder для микроконтроллера, отвечающего за мониторинг «слепой» зоны, и микроконтроллера, отвечающего за корректировку скорости, представлены на рис. 4.18 и рис. 4.19 соответственно.
Для того чтобы запрограммировать («прошить») микроконтроллер помимо среды программирования необходим программатор. Программатор представляет собой программно-аппаратный комплекс, состоящий непосредственно из устройства, связывающего микроконтроллер с компьютером, и программы, которая этим устройством управляет. Программатор заносит подготовленную для микроконтроллера программу в его память.
Наиболее распространенным способом программирования для AVR является внутрисхемное программирование (функция ISP - in-circuit serial programming) через коммуникационный интерфейс SPI (рис. 4.20). Этой возможностью обладают все микроконтроллеры AVR, кроме Tinyll и Tiny28. Данный режим удобен тем, что позволяет программировать микроконтроллер AVR, расположенный в готовом устройстве, то есть не нужно вытаскивать микроконтроллер из платы каждый раз, когда необходимо его перепрограммировать [75].
MOSI (Master Out, Slave In - вход ведомого, выход ведущего) - линия передачи данных от программатора (ведущий) к программируемому микроконтроллеру (ведомый). Во время каждого импульса на линии SCK передается один бит от программатора к программируемому микроконтроллеру по линии MOSI.
MISO (Master In, Slave Out - выход ведомого, вход ведущего) - линия передачи данных от программируемого микроконтроллера (ведомый) к программатору (ведущий). По каждому импульсу на линии SCK передается один бит от микроконтроллера к программатору по линии MISO.
Для обеспечения нормальной связи по трем SPI линиям необходимо соединить общую землю (GND) на программаторе и программируемом устройстве.
Для входа и нахождения в режиме последовательного программирования используется линия сброса (RESET). Она должна удерживаться в активном состоянии (низкий уровень) во время программирования AVR. Также при стирании микросхемы на линии RESET должен быть сформирован импульс в конце цикла стирания. Кроме того, может использоваться вывод контроллера XTAL1 для тактирования контроллера программатором при отсутствии кварцевого резонатора. При программировании AVR программатор всегда функционирует как ведущее устройство, а микроконтроллер как ведомое. Один из самых простых программаторов, представленный на рис. 4.22, состоит из 25-контактного разъема для параллельного (LPT) порта, 4 резисторов (150 Ом) и соединительного кабеля.
