Sistem de asistare pentru pastrarea benzii de circulatie


Acest sistem detecteaza marcajele benzii pe drum si actioneaza direct asupra directiei de deplasare a autovehiculului cu scopul de al mentine intre marcajele benzii pe care circula. Cand sistemul detecteaza o deplasare a autovehiculului in afara marcajelor benzii, avertizeaza soferul atat vizual cat si acustic, in timp ce un motor electric actioneaza direct asupra directiei cu scopul de a preveni parasirea benzii.
Componentele sistemului
Componentele sistemului
Sistemul este compus din patru elemente: 
– unitate electronica de control al directiei,
– senzorul vizual,
– motorul electric,
– unitatea electronica de control al motorului electric.
Senzorul vizual are rolul de a detecta forma si pozitia marcajelor benzii pe care se circula. Unitatea electronica de control a directiei calculeaza, pe baza informatiilor primite de la senzorul vizual, momentul necesar redresarii autovehiculului, iar apoi sa trimita semnale de comanda catre unitatea electronica de control a motorului electric. Deasemenea unitatea electronica de control a directiei determina daca este nevoie ca soferul sa fie avertizat acustic si vizual.
Senzor vizual
Senzor vizual
Senzorului vizual ii este atasata o camera care fotografiaza marcajele benzii. Pe baza fotografiilor, senzorul calculeaza pozitia si forma marcajelor si trimite informatii catre unitatea electronica de control a directiei. Senzorul regleaza camera de fotografiat astfel ca procesul de recunoastere a marcajelor sa fie cat mai usor si precis.

Arhitectura unei retele de senzori


O retea de senzori ad-hoc este o colectie de noduri senzor ce formeaza o retea temporara care furnizeaza informatii fara sa fie nevoie sa o administram si fara a-i oferi drept suport servicii.
Cu alte cuvinte, nu este o structura fixa. In general nodurile senzor folosesc dispozitive emitatoare-receptoare wireless de radio-frecventa, pe post de interfata de retea, iar comunicatia intre noduri este realizata folosind legaturi wireless multi-hop. Fiecare nod din retea se comporta ca un router, rutand pachete pentru nodurile vecine. Asemanator cu retelele ad-hoc, trebuie sa faca fata la schimbari frecvente de topologie. Aceasta se intampla deoarece nodurile senzor sunt predispuse esecurilor si de asemenea noduri noi se pot alatura retelei si astfel se poate compensa aparitia nodurilor defecte si se poate chiar maximiza eficienta retelei. Datorita acestor caracteristici o problema esentiala in proiectarea unei retele de senzori este dezvoltarea unei structuri de senzori cu posibilitati de auto-organizare si cu protocale de rutare dinamice care sa gaseasca rutele cele mai eficiente pentru comunicarea intre nodurilel retelei.
Pentru senzorii mici, conceputi pentru a se coordona in scopul realizarii unei detectii considerabile, cu consum de energie mic, acestia trebuie sa lucreze in grup (cluster). In fiecare grup, un nod este desemnat ca fiind conducatorul grupului pentru a se ocupa de administrarea celorlalte noduri ale grupului.
Nivele de arhitectura in retelele de senzori
Nivele de arhitectura in retelele de senzori
Avantajele organizarii de/pe grupuri:
– gruparea le permite senzorilor posibilitatea de a-si coordona in mod eficient interactiunile locale pentru realizarea/atingerea unui obiectiv global.
– scalabilitatea.
– creste robustetea retelei.
– utilizare mai eficienta a resurselor.
– consum mai mic de energie.
Serviciile din nivelul de servicii includ, printre altele, protocoale de rutare, distribuirea si acumularea datelor. Nivelul fizic se refera in mod fizic la nodurile retelei, care pot fi noduri fiu, noduri conducatoare de grup, noduri parinte (noduri conectate la doua sau mai multe noduri conducatoare de grup). Mesajele din retea sunt modelate virtual la nivelul de date.
Atunci cand se produce/sesizeaza un eveniment, nodurile sink emit o cerere de tip broadcast, fie intregii retele, fie spre o regiune anume a retelei, in functie de tipul cererii. Cand nodurile (senzorii) – apropiate de evenimentul/obiectul ce trebuie detectat – detecteaza spre exemplu o schimbare de temperatura, pozitie, viteza etc., fac un broadcast cu aceste date catre toate nodurile vecine. Sarcina conducatorilor de grup este de a procesa si a acumula informatie si apoi sa faca un broadcast catre nivelele superioare prin intermediul nodurilor vecine. Deoarece nodurile conducator de grup primesc numeroase informatii de la nodurile din grup acestea trebuie sa proceseze si sa filtreze aceste informatii.
In retelele de senzori pentru a compensa limitarile hardware in ceea ce priveste memoria disponibila, bateria si puterea de calcul, aplicatiile cu retele de senzori dispun de un numar mare de senzori in zona de interes. Acesti senzori colaboreaza intre ei comportandu-se ca o mare retea wireless ad-hoc. Distanta mica dintre noduri ajuta, de asemenea, la economiserea energiei – informatia strabate distante mai mici.

Sistemul de siguranta Pre-Crash


Sistemul de siguranta Pre-Crash identifica obstacole care nu pot fi evitate si cu fractiuni de secunda inainte de coliziune actioneaza automat centurile de siguranta si sistemul de franare pentru a reduce viteza vehiculului.

Sistemul de siguranta Pre Crash
Sistemul de siguranta Pre Crash

Sistemul este alcătuit din trei componente:
– radarul.
– unitatea electronica de control a sistemului Pre-Crash.
– unitatea electronica de control a centurilor de siguranta.

Radar
Radar

Radarul are rolul de a detecta vehiculele si obstacolele din fata. Unitatea electronica de control a sistemului Pre-Crash are rolul de a determina daca vehiculul va lovi obstacolul si apoi de a trimite semnale referitoare la distanta si viteza relativa a obstacolului catre unitatea electronica de control a centurilor de siguranta si catre sistemul de franare. Unitatea electronica de control a centurilor de siguranta are rolul de a tensiona centurile in functie de semnalele primite de le unitatea de control Pre-Crash.

Sistemul de franare electromecanic (brake by wire)


Sistemul de franare electromecanic inlocuieste sistemul conventional de franare hidraulic eliminand problemele de constructie, intretinere si protectia mediului, asociate cu sistemul de franare hidraulic. Deoarece nu exista un sistem de rezerva hidraulic functionarea corecta a sistemului de franare electromecanic este critica, fiind nevoie si de o sursa de energie fiabila.

Sistemul de franare electromecanic se bazeaza pe controlul electronic al unui motor electric, incorporat in etrier, care actioneaza asupra placutelor de frana. Controlul electronic al etrierului este realizat cu ajutorul unor semnale transmise de catre un senzor incorporat in pedala de frana. Microcontrolere la fiecare roata sunt conectate la un microcontroler central care poate intrerupe semnalul dintre pedala si etrier. Forta de franare necesara la cele patru roti este calculata pe baza informatiilor primite de la diferiti senzori asociati cu sistemul de franare. Unitatea electronica de control primeste informatii de la senzori de viteza, montati la fiecare roata, si pe baza acestor informatii calculeaza coretia fortei de franare pe care apoi o aplica sistemului de franare. Acest sistem inbunatateste eficienta franarii cat si stabilitatea autovehiculului.

etrier actionat electromecanic
etrier actionat electromecanic

Conectarea circuitelor


Pentru o iluminare avantajoasa (maxima si sigura) lampile sunt conectate in paralel. Acest aranjament ofera mai multe cai de curent astfel incat intreruperea unui circuit va afecta numai ramura respectiva, celelalte ramuri functionand normal. Majoritatea autovehiculelor folosesc un sistem de iluminat cu cale de intoarcere pe la “masa” (rol de borna negativa) si necesita mai putine cabluri electrice fata de cazul cand se foloseste un sistem cu doua cabluri izolate. Acest sistem foloseste caroseria autovehiculului pe post de “masa”. In acest caz trebuiesc realizate conexiuni bune intre cabluri si caroserie.

Schemele circuitelor de iluminare sunt trasate fie in forma pozitionala fie in forma compacta. Prima schema arata pozitia relativa a fiecarei componente in cadrul autovehiculului. Aceasta schema este dificil de citit in localizarea diferitelor conexiuni sau componente si mai dificila in a urmari o anumita portiune de circuit. Pentru a usura aceasta problema anumiti fabricanti de autovehicule folosesc scheme speciale pentru a reprezenta anumite parti din circuit.

Circuitul paralel are lampi controlate de 3 intrerupatoare:

Intrerupatorul 1 – comanda lampile de pozitie si cele din spate si asigura alimentarea cu energie.

Intrerupatorul 2 – comandă farurile si alimenteaza cu energie.

Intrerupatorul 3 – distribuie curentul la faruri fie la becul de faza lunga fie la cel de faza scurta.

Intrerupatorul pentru lampile de semnalizare-fata – acest intrerupator permite soferului sa semnalizeze celorlalti soferi in timpul zilei fara sa foloseasca intrerupatoarele principale pentru faruri. Actioneaza la atingere si semnalizeaza cat este actionat, revenirea se face cu arc.

Lampi de faza lunga. Exista semanlizarea aprinderii lampilor la bord. Este indicat ca farurile sa nu fie folosite atunci cand motorul si autovehiculul sunt oprite. Acest lucru este realizat prin folosirea intrerupatorului de aprindere pentru alimentarea farurilor. Adesea lampile sunt alimentate printr-un releu pentru a reduce curentul de sarcina de pe intrerupator.

Lampile auxiliare de faza scurta. Aceste lampi pentru distanta mare sunt folosite cand farurile sunt comutate pe faza lunga, dar ele trebuiesc observate cand celelalte vehicule se apropie. Aceasta este obtinuta prin conectarea lampilor auxiliare la ramura pentru faza lunga . Cum puterea consumata de aceste lampi este considerabila incarcarea cumutatoarelor de lumini este redusa prin folosirea unui releu care controleaza aceste lampi.

Lampi de ceata-fata. Pe timp de ceata farurile provoaca orbirea soferului datorita reflectiei luminii. Aceste lampi pot fi folosite in locul farurilor si trebuiesc conectate la circuitul de alimentare al lampilor de pozitie.

Lampi de ceata-spate. Sunt lampi de veghe de intensitate mare si se folosesc in conditii de vizibilitate redusa. Pentru a preveni folosirea abuziva a acestora alimentarea se face fie de la faza scurta fie de la lampile de ceata din fata . Exista un martor de bord care va indica functionarea acestora.

Indicator de avarie. Multi fabricanti monteaza un sistem de avertizare pentru a informa soferul daca luminile functioneaza corect. Adesea indicatorul din bord are forma unei harti schematice a luminilor de pe autovehicul care va indica pozitia si functionarea lor corecta. Suplimentar acestui indicator se monteaza un modul care sesizeaza daca o portiune de circuit absoarbe curentul corespunzator. Cand un circuit este intrerupt modulul aprinde un indicator din bord care corespunde circuitului defect. Pentru a permite modulului sa supravegheze intregul sistem de iluminat fiecare circuit trebuie sa treaca prin modul, ceea ce duce la complicarea sistemului si creste numarul de cabluri necesare. Majoritatea afisajelor grafice sunt proiectate sa lumineze complet pentru cateva secunde dupa aprindere, timp in care modulul testeaza daca sistemul de iluminat functioneaza corect.

Alte tipuri de senzori


Exista si alte categorii de senzori care permit caracterizarea starii de functio­nare a autovehiculului, fara a interveni direct in procesul de reglare, ci doar ca furnizori de marimi necesare corectiilor sau avertizarii unor pericole potentiale. Vom ingloba in aceasta categorie senzori care indica presiunea de ulei, presiunea in pneuri, temperatura in incinta automobilului. Exista de asemenea o serie de marimi care se determina prin masurare indirecta. Astfel, cuplul motor, desi poate fi masurat direct, se ia de regula in consideratie in functie de presiunea in galeria de admisie. Pe de alta parte, cunoscand cu­plul motor si turatia motorului se poate calcula puterea utila a motorului, parametru im­portant in caracterizarea eficientei exploatarii motorului. Exista unele firme (si numarul lor este in crestere) care utilizeaza senzori de “soc” care permit masurarea gradientului de crestere a presiunii in cilindru in timpul combustiei, pentru a evita aparitia unor detonatii atunci cand apare o combinatie nefavorabila de presiune ridicata si avans excesiv. Senzo­rii de “soc” se realizeaza de regula pe principiul traductoarelor de acceleratie, folosind elemente sensibile megnetostrictive sau piezoelectrice care supuse la efort produc o vari­atie de semnal electric (prin modificarea campului magnetic, respectiv al celui electrosta­tic). Tot in categoria senzorilor cu aplicatii particulare sunt senzorii care masoara pozitia clapetei obturatoare, realizati de regula cu elemente sensibile rezistive, in montaj poten­tiometric. Asa cum se poate observa, majoritatea acestor senzori sesizeaza marimi de tipul celor analizate (presiune, pozitie) si nu necesita explicatii suplimentare privind mo­dul de functionare.

Exista de asemenea o serie de senzori care permit localizarea vehiculului in miscare in raport cu alte vehicule sau cu repere fixe situate pe artera de circulatie. Dintre acestea, cei mai utilizati sunt cei de viteza de deplasare si de evaluare a distantei pana la un obsta­col (fix sau mobil).

Senzori pentru compozitia gazelor evacuate


Cunoasterea concentratiei diferitelor componente chimice in gazele esapate este din ce in ce mai importanta, dat fiind presiunile antipoluante tot mai accentuate si legislatia care a devenit foarte severa in ce priveste noxele. Exista, nu­meroase solutii de conducere optimala in sensul minimizarii noxelor, dar majoritatea sunt bazate pe controlul unui singur parametru: continutul de oxigen din gazele evacuate in at­mosfera. Un continut cat mai sarac in oxigen in gazele arse dovedeste o ardere mai com­pleta si o utilizare optima a combustibilului. Deoarece arderea cea mai buna se ob­tine atunci cand se asigura un raport stoichiometric intre aer si combustibil si intrucat uzual se noteaza cu lambda parametrul care caracterizeaza acest raport (lambda > 1 – aer in exces, lambda < 1 combustibil in exces), senzorul ce determina continutul de oxigen in gazele evacuate se numeste sonda lambda. Cel mai utilizat senzor de acest tip se bazeaza pe utilizarea unor oxizi metalici activi, cei mai frecvent folositi fiind dioxidul de zirconiu (ZrO2), respectiv de titaniu (TiO2).

In principiu, senzorul consta dintr-o placheta de oxid activ plasata intre doi electrozi de platina. Unul din electrozi este plasat in contact cu aerul atmosferic, celalalt in contact cu gazele esapate prin intermediul unei pelicule protectoare poroase. Principiul de func­tionare se bazeaza pe proprietatea ZrO2 de a atrage ionii negativi si va deveni mai negativ decat cel in contact cu gazele arse. Diferenta de potential este cu atat mai mare cu cat ar­derea este mai completa. Singurul dezavantaj al acestui tip de senzor, dar de care trebuie sa se tina foarte bine seama, este prezenta fenomenului de histerezis, accentuat si de tem­peratura cu care sunt esapate gazele arse.

Senzori de debit


Senzorii de debit se folosesc pentru dozarea principalelor componente ale amestecului combustibil: aer, respectiv carburant. Desi diferite sisteme de control propun fie dozaj fix de aer si variabil de combustibil, fie dozaj fix de combustibil si variabil de aer, din punc­tul de vedere al senzorilor este preferabila ultima varianta, in sensul ca pentru debitul de aer se pot propune traductoare mai simple, mai robuste si cu performante bune. Dintre acestea cel mai bine cotat la acest moment este debimetrul cu “fir cald”. “Firul cald” este un element rezistiv (poate fi si pelicula metalica depusa pe un substrat izolant) prin care circula un curent ce il mentine la o temperatura constanta intr-un mediu fara variatii de curent atmosferic. Plasat intr-un flux de aer, senzorul isi modifica rezistenta, care scade prin racire cu cat debitul de aer este mai pronuntat. De regula, senzorul se plaseaza in bratul unei punti Wheatstone avand in celelalte brate rezistente fixe, tensiunea de dezechilibru fiind proportionala (din pacate neliniar) cu debitul.

Pentru a nu complica circuitul de adaptare, se recomanda utilizarea unui convertor tensiune frecventa care sa ofere la iesire un tren de impulsuri ce urmeaza sa fie preluat de o schema similara, iar neliniaritatea sa fie rezolvata prin prelucrare numerica adecvata de calculatorul de bord.

Este evident ca solutia “firului clad” nu este posibila intr-un mediu inflamabil si deci nu poate fi utilizata pentru masurarea debitului de benzina. Daca totusi se doreste masurarea debitului de combustibil, se pot folosi traductoare bazate pe principiul modifi­carii sectiunii de scurgere, prin utilizarea de diafragme asociate cu un traductor de presi­u­ne diferentiala. Solutia este mai complicata si are si dezavantajul ca poate duce la erori da­torita impuritatilor ce pot obtura partial sectiunea de scurgere.

Senzori de pozitie unghiulara si de turatie


Pozitia arborelui motor este unul dintre parametrii esentiali in conducerea procesului de combustie, de regula ca principal reper pentru stabilirea secventelor temporale de coman­da. De obicei pozitia unghiulara de referinta (0 grade) este punctul mort superior (PMS). Deoarece un ciclu complet de la admisie pana la evacuarea gazelor arse dureaza doua ro­tatii complete, unghiul arborelui mort, are o variatie de la zero la 360 grade pentru un ciclu motor complet. Desi masurarea pozitiei arborelui motor este mai exacta, evitandu-se eroarea suplimentara datorata sistemului de reductie, multi constructori prefera sa plaseze senzorul de pozitie unghiulara in distribuitor pentru a masura pozitia axului cu came.

Exista foarte multe solutii pentru masurarea pozitiei unghiulare, dar toate folosesc un principiu comun: sesizarea pozitiei unui element constructiv particular, pe care il vom numi insert (cama, pastila magnetica, gaura, dinte, canelura etc.) amplasat pe un disc care se roteste solidar cu axul a carui pozitie unghiulara se doreste a fi masurata. Trecerea re­pe­tata a insertului (pot fi dispuse mai multe pe disc) conduce la aparitia unui tren de im­pulsuri care poate fi prelucrat direct numeric. In functie de natura acestui insert particular se utilizeaza diferite elemente sensibile, dintre care mentionam:
– bobina cu miez feromagnetic, a carei reluctanta se modifica la modificarea intre­fierului produsa de prezenta insertului, variatia de reluctanta este apoi preluata de un circuit adaptor.
– senzor de tip Hall care ofera la iesire un semnal electric in tensiune atunci cand in dreptul sau ajunge un insert de tip magnet permanent care duce la modificarea campului magnetic local.
– senzor de tip fotoelectric (fotodioda, fototranzistor) care sesizeaza intreruperea (sau refacerea) fluxului luminos al unei surse optice (de obicei LED) provocata de prezenta insertului. In toate aceste situatii este posibila fie contorizarea mai multor impulsuri, pe o pe­rioada fixata de timp, pentru a obtine un numar proportional cu turatia (o turatie mai mare duce la numararea de mai multe impulsuri in acelasi interval), fie masurarea intervalului dintre doua impulsuri, care ar putea reprezenta chiar pozitia arborelui in raport cu cea de referinta.

Continutul numaratorului este transferat si memorat intr-un registru tam­pon, de unde datele pot fi preluate fie de calculatorul de proces care asigura conducerea automobilului, fie de un dispozitiv de afisare pentru a le transpune sub forma de indicatii pe consola operator. In aceasta ultima situatie este necesara scalarea prealabila a datelor pentru a fi reprezentate in unitati de masura uzuabile (rot/s sau rot/min). Scalarea este o operatie care de regula se face software, in calculatorul de bord, dar exista posibilitatea de a calibra in mod corespunzator impulsurile de referinta pentru ca sa se obtina exprima­rea numarului de impulsuri in unitatea de masura dorita.

Senzori pentru presiune


In mod curent parametrul de presiune cel mai des masurat este presiunea de aer in galeria de admisie, sesizata de regula cu ajutorul unui senzor de presiune absoluta in galerie. Se stie ca presiunea din galerie depinde de starea de functionare a motorului si de pozitia clapetei de admisie. Motorul actioneaza ca o pompa de aer. Cand motorul nu functionea­za, presiunea din galerie este aceeasi cu presiunea atmosferica. Din contra, cand motorul functioneaza, daca clapeta ar fi inchisa etans, in galerie am avea vid (presiune absoluta zero). In realitate, inchiderea clapetei nu este niciodata completa, asa ca presiunea din gale­rie variaza de la valori de ordinul de mm coloana apa (cu clapeta inchisa) pana la valori apro­piate de presiunea atmosferica (cu clapeta deschisa). Presiunea in galerie este in plus un parametru care variaza foarte rapid, cu frecventa.

Pentru realizarea functiilor de reglare este insa necesara doar valoarea medie a aces­tei presiuni, stiut fiind si faptul ca si cuplul motor este proportional cu aceasta valoare medie. Din acest motiv primele solutii de masurare a presiunii in galerie se bazau pe ca­mere de tip aneroid realizate prin asocierea a doua membrane intre care s-a creat vid si incapsularea acestei camere, accesul aerului fiind permis printr-un tub de diametru foarte mic, pentru a nu sesiza fluctuatiile rapide. Deplasarea camerei aneroid este preluata de un traductor de deplasare inductiv de tip transformator diferential liniar variabil, alimentat in curent alternativ. Un astfel de traductor consta din doua bobine cu miez antrenat prin cre­s­terea presiunii. In repaos, cele doua bobine au aceeasi inductanta. Prin deplasarea celor doua inductante intr-o punte (care joaca rol de adaptor), se obtine la iesire o tensiune de iesire care depinde cvasilinear de valoarea medie a presiunii din galerie.

In ultima perioada traductoarele cu senzor de tip membrana metalica au fost inlocu­ite cu traductoare avand senzori piezorezistivi, dispusi pe o membrana de siliciu ca în fi­gura. Schema propusa contine patru senzori conectati intr-o punte rezistiva, avand mai multe avantaje: miniaturizare, posibilitatea de integrare si a elementului de conditio­nare semnal, anularea erorilor de temperatura specifice puntilor rezistive prin utilizarea de patru brate active, posibilitatea de crestere a sensibilitatii prin utilizarea de senzori in antifaza (doi senzori plasati in brate neadiacente isi cresc rezistenta cu presiunea, ceilalti doi senzori isi scad rezistenta la cresterea presiunii).

Desi solutia cu senzori de presiune integrati in capsule de siliciu este cea mai per­formanta, se mai intalnesc si alte solutii tehnice. Dintre acestea vom mai mentiona doar utilizarea unui traductor diferential cu element sensibil capacitiv si circuit de conditionare de tip circuit oscilant la rezonanta, care asigura o buna linearitate, poate fi realizat la di­mensiuni reduse si este robust, dar are dezavantajul utilizarii unor circuite de preluare a semnalului util cu impedanta foarte inalta.