Sadraj

1. Uvod........................................................................................................................................2 2. Umreavanje u automobilima.................................................................................................2 3. ABS (Anti-lock Braking System)...........................................................................................5 3.1. Hidraulini kontrolni ventili.............................................................................................5 3.2. Senzor brzine vrtnje kotaa..............................................................................................6 3.3. ECU (elektronika kontrolna jedinica)............................................................................6 4. ESC (Electronic Stability Control).........................................................................................8 5. ACC (Adaptive Cruise Control).............................................................................................9 6. LDWS (Lane Departure Warning Systems).........................................................................10 7. Zakljuak...............................................................................................................................12 Literatura..................................................................................................................................13 Popis slika................................................................................................................................14

1. Uvod

Elektronika danas ima veliku vanost u autoindustriji. Njome se kontrolira doslovno svaki proces koji se odvija u automobilima, od upravljanja, ubrzavanja, koenja, odravanja stabilnosti, razliitih upozorenja, do sustava za zabavu.

ak jedna etvrtina ukupne proizvodne cijene u automobila nosi elektronika, a sa porastom broja elektronikih sustava dolazi do porasta zahtjeva na strukturnu izgradnju.

U ovom radu biti e opisan nain umreavanja u automobilima, te neki od najvanijih inteligentnih sustava koji se koriste u autoindustriji danas.

2. Umreavanje u automobilima

U automobilima se moe povezati elektronika oprema na slian nain kao to se moe umreiti vie raunala, primjerice LAN-om. Na taj nain dolazi do mogunosti izmjene podataka meu elektronikim sustavima, te aplikacijama koje se izvode. Nekada su se icama spajale sve komponente, meutim, s porastom broja komponenti nastao je problem prevelike mase vozila, te zauzimanje prostora i smanjenje pouzdanosti. Oienje je tako postalo presloeno, a samim time i najskuplja komponenta u vozilima.

Problem presloenog oienja uklonio se na nain da se dananje mree u automobilima temelje na serijskim protokolima. Motorola je 1998. godine smanjila masu ukupnog oienja za 15 kilograma u onda novoj klasi BMW-a na nain da je razvila kompletnu automobilsku mreu temeljenu na LAN-u.

2

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

U automobilskoj industriji, ugraena kontrola je napredovala od samostalnih sustava do integriranih i umreenih kontrolnih sustava. Umreavanjem elektromehanikih podsustava postalo je mogue izmjeniti funkcionalnosti i hardver, to je omoguilo ponovno koritenje i dodalo je odreene nove mogunosti. ECU (Electronic Control Unit elektronska kontrolna jedinica) u vozilima kontrolira motor, turbo (ako postoji), hladnjak i sl., ali takoer i CAN komunikaciju. Kombinirajui mrene i mehatronike module postalo je mogue reducirati oienje i broj konektora, to je olakalo proizvodnju i povaalo pouzdanost. Uvoenje mrea u vozila takoer je omoguilo efikasnije dijagnosticiranje i koordinaciju operacija za odvojene podsustave.

Automobil moe imati dvije ili vie CAN mrea koje rade na razliitim brzinama, te se tu moe napraviti sljedea podjela: niskobrzinski CAN (ili low-speed CAN) radi na manje od 125 Kbps. Koristi se za rad elektronike koja kontrolira sustave za komfor, kao to je upravljanje prozorima ili namjetanje sjedala. Veinu vremena provodi u mirovanju, a aktivira se na korisnikov zahtjev. U sluaju kada vozilo ne radi, low-speed CAN se iskljuuje, te tako tedi akumulator vozila. visokobrzinski CAN (high-speed CAN) radi na brzinama i do 1 Mbps, ali zbog visoke cijene koriste se dvostruko sporije mree. Ovakav sustav koristi se za upravljanje radom kritinih sustav, kao npr. tempomatom, ABS-om, radom motora, te slinih sustava gdje veliku vanost ima brzina odziva. 3

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

X-by-wire ima iroku primjenu, ne samo u autoindustiji, ve i u svim ostalim vrstama transporta. Ovakav sustav zamjenjuje postojee mehanike i hidraulike veze se elektronikim u potpunosti, ime dolazi do smanjenja mase, te rasta pouzdanosti. Kod automobila x oznaava naredbenu akciju, kao to je ubrzavanje, koenje i upravljanje. Veliki broj modernih automobila opremljen je drive-by-wire sustavom i kombiniran je s mehanikom podrkom. U budunosti e se mehanika u potpunosti zamijeniti sa elektronikim rjeenjima. Razlozi za ovaj razvoj su viestruki. Iz razloga to hidrauliki sustavi vie nee biti potrebni u budunosti, te e elektroniki ureaji biti sve manjih dimenzija, gustoa smjetaja tih ureaja biti e vea. Proizvoai se nadaju da e smanjiti proizvodne trokove koristei nove ureaje. Drugi glavni razlog za razvijanje novih rjeenja jest taj da e biti integrirane nove funkcije. Primjerice, ACC (ili Adaptive Cruise Control) koji regulira brzinu auta na nain da ubrzava i usporava, te odrava razmak s vozilom ispred, jo uvijek se ugrauje u automobile vieg cjenovnog ranga.

Kod automobila razlikujemo brake-by-wire (koenje preko ice), steer-by-wire (upravljanje preko ice), throttle-by-wire (ubrzavanje preko ice) i sline sustave. Tako npr. papuica gasa i konice, ili upravlja, nema nikakvu mehaniku vezu sa sustavima kojima upravlja. Ovo moe biti i nedostatak, jer primjerice voza na upravljau nema nikakav osjeaj o povratnoj reakciji sa kolnika, to se donekle rjeava ugradnjom elektro motora u upravlja.

4

U nastavku e biti opisani neki od najvanijih inteligentnih sustava koji se danas koriste u autoindustriji.

3. ABS (Anti-lock Braking System)

ABS je koioni sustav koji koristi mehatroniku tehnologiju na nain da indvidualno kontrolira svaku od etiri konice na vozilu, to bi za vozaa bilo neizvedivo. Glavna svrha je kontrola stabilnosti vozila i odravanje mogunosti upravljanja vozilom i kod vrlo snanih koenj, ili pri normalnom koenja na mokrim i zaleenim povrinama. Zaustavni put je takoer smanjen to je ustvari bonus ovog sistema.

ABS mehatroniki sustav sastoji se od senzora za brzinu kotaa, elektrohidraulikih ventila i centralne procesne jedinice. Sustav konstantno prati brzinu rotacije sva etiri kotaa i kada detektira da jedan kota usporava bre nego ostali, reducira koionu silu na tom kotau blokiranjem ili promjenom protoka hidraulike tekuine za konice. To je takav sustav koji, ako se pokvari, moe imobilizirati itav koioni sustav automobila. Zbog tog razloga, ABS se mora smatrati safety-critical sustavom, odnosno sustavom koji u sluaju kvara moe dovesti do smrtnog sluaja. U nastavku e biti opisane komponente ABS-a.

3.1. Hidraulini kontrolni ventili

Za svaki kota postoji po jedan takav ventil. To su tro-pozicioni ventili koji potiu elektrinu oprugu koja se mie izmeu pozicija. Prva pozicija omoguuje tekuini da prolazi izmeu glavnog koionog cilindra i koionog cilindra kotaa na normalan nain. Druga pozicija (50% od maksimalnog toka) sprjeava micanje tekuine izmeu izmeu glavnog koionog cilindra i koionog cilindra kotaa. Trea pozicija (maksimalni tok) spaja koioni cilindar kotaa na povratnu liniju toka tekuine i uz pomo pumpe, moe reducirati koioni tlak na kota. 5

Slika 1 - Hidraulike komponente ABS-a

3.2. Senzor brzine vrtnje kotaa

Senzor brzine vrtnje kotaa sastoji se od elektromagnetskog senzora za blizinu koji je smjeten na fiksnu poziciju na glavini kotaa. Senzor je pozicioniran otprilike 1mm od rotirajueg zupanika koji je spojen na pominu osovinu kotaa. Svaki put kada zubac zupanika proe pored senzora, signal se poalje u ECU.

3.3. ECU (elektronika kontrolna jedinica)

ECU (slika 2) sastoji se od sljedeih podsistema: Ulazni sklop preuzima signale od senzora brzine vrtnje kotaa i alje ih na jedan od dva mikrokontrolera; 6

Mikrokontroleri dva identina, ali odvojena integrirana sklopa. Svaki od njih spojen je na dva dijagonalno suprotna kotaa. Procesuiraju signale brzine vrtnje kotaa da bi odredili odgovarajuu ABS reakciju. Komande se alju na izlazni sklop;

Izlazni

sklop

kao

odgovor

na

komande

mikrokontrolera,

dvostupanjski izlazni sklopovi koriste tranzistore snage da bi pojaali singale kako bi osigurali dovoljno veliku struju da pokrenu elektrine opruge na hidraulikim ventilima.

Slika 2 - ECU ABS sustava

7

4. ESC (Electronic Stability Control)

ESC, odnosno elektroniki sustav stabilnosti vozila, sastoji se od senzora i mikroraunala koji kontinuirano prate koliko dobro vozilo reagira na vozaevo upravljanje, selektivno primjenjuje konice vozila i mijenja snagu motora kako bi zadralo vozilo na eljenom pravcu odreenom pozicijom upravljaa. Ova tehnologija pomae pri sprjeavanju bono proklizavanje i gubitak kontrole koji mogu rezultirati nesreom. ESC moe pomoi vozaima da zadre kontrolu prilikom manevara gdje bi inae potpuno izgubili kontrolu nad njihovim vozilom. Ovakav sustav jo se naziva i Dynamic Stability Control (DSC), Vehicle Stability Control (VSC) i Dynamic Stability and Traction Control (DSTC).

Kako ESC pomae vozau da zadri kontrolu? Voza gubi kontrolu kada vozilo krene u smjeru drugaijem od onog zadanog pozicijom upravljaa. Ovo se obino dogaa kad voza pokuava naglo skrenuti ili skrenuti na skliskom kolniku. U tom sluaju vozilo moe proklizati preko prednjeg ili zadnje kraja. Kada proklizi preko zadnjeg kraja (oversteer) vozilo se zakrene vie nego to je voza htio, a kada proklizi preko prednjeg kraja (understeer) vozilo se zakrene manje nego to je voza htio i nastavlja se kretati naprijed jer prednji kotai nemaju dovoljno trenje (slika 3).

Slika 3 - Proklizavanje preko prednjeg i zadnjeg kraja [izvor:http://www.driversdomainuk.com/advanced-driving-courses/hintstips/skid-training/]

8

ESC moe sprijeiti proklizavanje preko prednjeg i zadnjeg kraja selektivnim koenjem svakog od kotaa, tako da proizvede silu suprotnog smjera koja pomae ispraviti putanju vozila. U nekim sluajevima takoer se smanjuje i broj okretaja motora.

Dali se ESC ukljuuje prilikom tipine svakodnevne vonje? Za veinu vozaa ESC se nee ukljuivati esto. Nee sprijeiti veinu laganih sudara nastalih prilikom guvi u prometu gdje se stalno kree i staje. Dizajniran je da bi pomogao vozau u relativno rijetkim sluajevima gubljenja kontrole pri velikim brzinama i skliskim cestama.

5. ACC (Adaptive Cruise Control)

Adaptive Cruise Control, odnosno prilagodljiva kontrola krstarenja je ekstenzija standardne kontrole krstarenja, odnosno tempomata. Vozilo opremljeno ACC-om ima radar ili neki drugi senzor koji mjeri udaljenost do vozila koje se nalazi ispred njega na cesti. U sluaju da nema vozila ispred, ACC vozila putuju pri brzini koju je odredio voza, kao i vozila sa tempomatom. Meutim, u sluaju da radar detektira vozilo ispred nas, ACC sustav odluuje dali nae vozilo moe nastaviti sigurno putovati pri eljenoj brzini. Ako je vozilo ispred naeg preblizu ili putuje manjom brzinom, ACC prebacuje sa kontrole brzine na kontrolu udaljenosti. Pri kontroli udaljenosti ACC kontrolira i gas i konice kako bi odralo eljenu udaljenost od vozila ispred.

ACC sustav je autonoman, odnosno ne zavisi od beine komunikacije ili interakcije sa okolnim vozilima. Koristi samo vlastite senzore (kao npr. radar) kako bi izvrilo zadatak odravanja eljene udaljenosti od vozila ispred.

9

Slika 4 - Nain rada ACC-a

ACC sustav prua vozau ugodu i jednostavnost zato jer, za razliku od obinog tempomata, preuzima i koenje i ubrzavanje kod prisutnosti drugih vozila. ACC sustavi mogu pridonijeti poveanoj sigurnosti na autocestama. Ovo je iz razloga to statistika pokazuje da je preko 90% nesrea na autocestama izazvano ljudskom pogrekom, samo mali postotak nesrea se dogaa zbog kvara ili vremenskih uvjeta. S obzirom da ACC potencijalno smanjuje napor vozaa i djelomino zamjenjuje operacije vozaa sa automatiziranim operacijama, oekuje se da e ACC dovesti do smanjenja broja nesrea.

6. LDWS (Lane Departure Warning Systems)

LDWS je elektroniki sustav unutar vozila koji prati poziciju vozila unutar kolnike trake i upozorava vozaa u sluaju da skree izvan kolnike trake ili krivuda po traci. Trenutano dostupni LDWS sustavi su unaprijed usmjereni optiki sustavi koji koriste algoritme da bi interpretirali video snimke kako bi procijenili poziciju vozila u odnosu na kolniku traku, ovisno o tome koliko je iroka i zakrivljena. LDWS upozorava vozaa ako naputa traku prilikom velike brzine, a da nije ukljuio pokaziva smjera. Takoer, LDWS upozorava vozaa ako su oznake na cesti preslabo vidljive za detekciju, ili se sustav pokvario. 10

LDWS ne ini nikakvu automatiziranu akciju da bi se izbjegao izlazak s kolnike trake ili da preuzme kontrolu na vozilu, stoga voza ostaje odgovoran za sigurnosne operacije upravljanja vozilom. Kada vozilo putuje u centru kolnike trake, nalazi se u no warning zone (zone bez upozorenja) i sustav ne izdaje nikakvo upozorenje. Kako vozilo odstupa od zone bez upozorenja, sustav izraunava vrijeme potrebno da vozilo izae iz kolnike trake. Takoer, izraunava liniju najranijeg i najkasnijeg upozorenja (slika 5) . Linija najranijeg upozorenja je unutar ruba kolnike trake, dok je linija najkasnijeg upozorenja izvan granica kolnike trake. Zona upozorenja je zona izmeu linija najranijeg i najkasnijeg upozorenja, te svaki put kada vozilo prijee iz zone u bez upozorenja u zonu upozorenja, LDWS obavjetava da vozilo izlazi iz kolnike trake.

Slika 5 - Prikaz granica zona upozorenja LDWS sustava [izvor:http://www.fmcsa.dot.gov/facts-research/researchtechnology/report/lane-departure-warning-systems.htm]

LDWS moe biti direktno instaliran nakon kupnje vozila kod automehaniara, a neki su postavljeni odmah pri izradi vozila. Kako tehnologija napreduje, ovom sustavu dodavat e se nove znaajke i komponente.

11

7. ZakljuakS obzirom da elektronika ima veliku vanost u autoindustriji, te se njome danas kontroliraju svi procesi koji se odvijaju u automobilima, potrebno je bilo osmisliti nain umreavanja u automobilima. Tako se danas, umjesto klasinog oienja, sustavi u vozilima umreavaju serijski, poput raunala. Jedan od takvih sustava je Controller Area Network (CAN), razvijen od strane Bocha, te je standard za komunikaciju izmeu sustava u automobilima.

Osim oienja, u autoindustiji bilo je potrebno i minimizirati hidraulike i mehanike sustave, ime se dodatno smanjuje masa i poveava pouzdanost. Jedno od takvih rjeenja jest x-by-wire, odnosno upravljanje icom, gdje ne postoji mehanika ni hidraulika veza izmeu upravljakih kontrola i sustava kojima one upravljaju.

U automobilima se koriste mnogi inteligentni sustavi. Tako je ABS, jedan od najvanijih, sustav zaduen za sigurnije koenje tako to e odrati stabilnost automobila i pri jakim koenjima, te koenjima na skliskim povrinama. Sustavi poput ESC-a osiguravaju stabilnost automobila pri veim brzinama i pokuajima naglih promjena smjera. ACC sustav olakava vozau upravljanje na brzim cestama i autocestama tako to odrava eljenu brzinu i sigurnu udaljenost sa vozilom koje se nalazi ispred. Jedan od interesntnijih novih sustava je i LDWS, koji prati putanju vozila unutar kolnikih traka te upozorava vozaa u sluaju da vozilo naputa traku.

12

Literatura1) Knjige 1. Bradley, D i Russel, D.W.: Mechatronics in Action, Case Studies in Mechatronich Appcilations and Education, Springer, London, 2010. 2. Rajamani, R,: Vechile Dynamics and Control, University of Minnesota, Minnesota, 2006.

2) Ostali izvori Internet: 1. Insurance Institute for Highway Safety: Electronic Stability Control, s Interneta, 25.05.2011. 2. Johansson, K. H. i dr.: Vehicle Applications of Controller Area Network, s Interneta, www.google.com/url? sa=t&source=web&cd=7&ved=0CFcQFjAG&url=http%3A%2F %2Fciteseerx.ist.psu.edu%2Fviewdoc%2Fdownload%3Fdoi %3D10.1.1.98.5846%26rep%3Drep1%26type%3Dpdf&rct=j&q=controlled area network&ei=0EXfTaudNoPMswbewYHGBQ&usg=AFQjCNGm2AAu2ES1 kkUcb6PqEurWcsqo0Q, pribavljeno 24.05.2011. 3. Seidel, F.: X-by-wire, Chemnitz University of Technology, Operation Systems 23.05.2011. 4. U.S. Department of Transportation: Lane Departure Warning System (LDWS), s Interneta, http://www.fmcsa.dot.gov/facts-research/researchtechnology/report/lane-departure-warning-systems.htm, 24.05.2011. pribavljeno Group, 2009., s Interneta, http://osg.informatik.tupribavljeno chemnitz.de/lehre/old/ws0809/sem/online/x-by-wire.pdf, http://www.iihs.org/research/qanda/esc.html, pribavljeno

13

Popis slikaSlika 1 - Hidraulike komponente ABS-a...................................................................................6 Slika 2 - ECU ABS sustava.........................................................................................................7 Slika 3 - Proklizavanje preko prednjeg i zadnjeg kraja..............................................................8 Slika 4 - Nain rada ACC-a......................................................................................................10 Slika 5 - Prikaz granica zona upozorenja LDWS sustava.........................................................11

14