Акселерометры в автомобиле это

Содержание
  1. Ремонт и техническое обслуживание автомобилей
  2. Датчики ускорения (акселерометры)
  3. Пьезоэлектрические акселерометры
  4. Специальные акселерометры
  5. Емкостные акселерометры
  6. Изучаем датчики ускорения: традиционная ориентация
  7. КРУТИТСЯ-ВЕРТИТСЯ
  8. Треугольная стойка гиродатчика
  9. Схема камертонного гиродатчика
  10. В ПРОФИЛЬ И АНФАС
  11. Схема емкостного датчика ускорения
  12. ВОССТАНОВЛЕНИЮ НЕ ПОДЛЕЖИТ
  13. КОМБИНАЦИЯ
  14. Что такое акселерометр?
  15. Как работает акселерометр?
  16. Самые распространенные типы акселерометров
  17. Применение
  18. Навигация
  19. Инженерия
  20. Бытовая электроника
  21. Биология и медицинское применение
  22. Автомобильные акселерометры. Часть 2. Автомобильные акселерометры – ключевые фигуры систем безопасности и комфорта
  23. Все статьи цикла:
  24. Введение
  25. Адаптивный круиз-контроль
  26. Акселерометры в системах активной подвески
  27. Системы охранной безопасности
  28. Электронная парковка тормозов
  29. Акселерометры в системах динамического контроля и компенсации
  30. Навигационные системы
  31. Контроль двигателя
  32. Системы наблюдения давления в шинах

Ремонт и техническое обслуживание автомобилей

Датчики ускорения (акселерометры)

В некоторых автомобильных ЭСАУ для фиксации величины ускорений требуются соответствующие датчики, которые обычно называют акселерометрами. Акселерометры используются в системах безопасности, навигационных системах, активной подвеске.
Пьезоэлектрические и тензорезистивные акселерометры создаются на основе твердотельных материалов, которые обладают электрической чувствительностью к механическим воздействиям.

Пьезоэлектрические акселерометры

Такой тип датчиков ускорения широко используется для вибрационных измерений, благодаря точности данных, надежности и простые конструкции (рис. 1, а). Чувствительность автомобильных акселерометров составляет около 20 мВ/g, они имеют малые размеры и выпускаются в интегральном исполнении с термокомпенсацией. Их погрешность составляет 0,5% при температурах -40. + 110 ˚С.

Рис. 1.
а) Принципиальная конструкция акселерометра;
б) Высокочастотный сигнал пьезодатчика;
в) Схема усилителя-формирователя для обработки сигнала пьезоэлектрического акселерометра

При деформации (сжатии) пьезокристалла на его гранях появляется электрический сигнал, пропорциональный ускорению. Рабочий диапазон частоты 5. 100000 Гц. Для обработки сигнала от подобных пьезоэлектрических датчиков используется электронный усилитель-формирователь (рис. 1, в). Акселерометры подушек безопасности автомобиля

Эти акселерометры являются механическими датчиками инерционного типа. Такие датчики обычно располагаются не дальше 40 см от предполагаемого места удара. Обычно используются 3. 5 датчиков.

Конкретное исполнение инерционных датчиков может отличаться у разных производителей системы безопасности, но все они работают по одному и тому же принципу.
В обычных условиях движения автомобиля выходные контакты акселерометра разомкнуты, они замыкаются, когда датчик испытывает отрицательное ускорение в диапазоне 15. 20 g, что соответствует наезду автомобиля на твердое препятствие со скоростью 15. 30 км/ч. Существует несколько конструкций акселерометров, применяемых в системах безопасности.

Рис. 2. Акселерометр с постоянным магнитом

Самыми распространенными механическими акселерометрами являются акселерометры с постоянным магнитом. Эта механическая конструкция (рис. 2) состоит из чувствительной массы (металлического шара), которая прочно удерживается в задней части небольшого цилиндра мощным постоянным магнитом.
Выходные электрические контакты датчика всегда разомкнуты, и при столкновении сила инерции металлического шара преодолевает притяжение магнита, шар двигается по цилиндру и замыкает контакты, сигнал поступает в ЭБУ.

В таких датчиках различные конструктивные параметры его элементов, например, масса шарика, сила притяжения магнита, демпфирование и др., увязываются с динамикой конкретного автомобиля при ударе. При этом учитывается вес автомобиля, конструкция корпуса, места расположения датчиков.

Специальные акселерометры

Их чувствительность к ударному ускорению выше, чем у механических, из-за амортизации корпуса. Используется один датчик для фронтального удара с диапазоном ±50 g.
Могут применяться датчики боковых ударов, пьезорезистивные или емкостные с погрешностью менее 5% и частотным диапазоном 0. 750 Гц.
Акселерометры используются также в активной подвеске для определения изменения нагрузки на колеса, их рабочий диапазон ±2 g, погрешность менее 5%, диапазон частот 0. 10 Гц.

В системах стабилизации движения автомобиля использовались акселерометры (рис. 3) для определения поперечных значений ускорения.
Подобные датчики также используются в системах полного привода с подключаемой муфтой в качестве датчиков продольного ускорения автомобиля. Преобразователем является датчик Холла 4, выходное напряжение которого зависит от величины отклонения чувствительного элемента – постоянного магнита 3, подвешенного на пруженной пластине 2 под действием ускорения.
Корпус 1 датчика выполняет роль магнитного демпфера.

Рис. 3. Датчик поперечного (продольного) ускорения автомобиля

Емкостные акселерометры

Емкостной датчик поперечного ускорения (рис. 4) представляет собой несколько последовательно соединенных конденсаторных пластин.
В корпусе 1 на подвеске 4 установлена подвижная конденсаторная пластина 3 с сейсмической массой (грузом), перемещающаяся при воздействии поперечных ускорений а.
Еще две конденсаторные пластины 2 неподвижны и установлены так, что образуется два последовательно соединенных конденсатора K1 и K2.
С помощью контактных площадок 5 датчик подключается к ЭБУ.

При отсутствии ускорения измеренные емкости С1 и С2 обоих конденсаторов равны по величине.
При возникновении поперечного ускорения массивная подвижная пластина под действием силы инерции смещается относительно неподвижных пластин встречно ускорению. При этом изменяются расстояния между пластинами и емкость каждого из конденсаторов, например, в конденсаторе K1 расстояние между пластинами увеличивается, емкость С1 уменьшается; в конденсаторе K22 расстояние между пластинами уменьшается, емкость С2 увеличивается.

Источник

Изучаем датчики ускорения: традиционная ориентация

Точная оценка ускорения либо замедления автомобиля для систем активной и пассивной безопасности или навигации так же важна, как вестибулярный аппарат — для человека. Эти силы имеют несколько направлений, поэтому применяют датчики различных конструкций.

КРУТИТСЯ-ВЕРТИТСЯ

Поворот автомобиля вокруг вертикальной оси обычно измеряют гиродатчики. Сейчас наиболее распространены датчики вибрационного типа. По сравнению с привычными роторными гироскопами они более просты и дешевы, но при этом точность у них сопоставимая.

В системах курсовой устойчивости и навигации используют датчики на пьезоэлектрическом эффекте. Пьезокристаллы могут деформироваться под действием электрического напряжения (топливные пьезофорсунки) и, наоборот, создавать напряжение при деформации (датчики детонации). В гиродатчиках использованы оба этих свойства.

Треугольная стойка гиродатчика

Гиродатчик навигации состоит из треугольной стойки и расположенных на каждой грани пьезодатчиков: одного возбуждающего и двух приемных. При подаче напряжения на возбуждающий датчик он заставляет вибрировать всю стойку. Приемные датчики преобразуют эту вибрацию в выходное напряжение. Первоначальная вибрация необходима для калибровки и снижения искажений сигналов, дополнительно обеспечивая постоянный выходной сигнал от гиродатчика. Под действием сил при повороте автомобиля приемные стороны стойки деформируются. Два приемных пьезодатчика преобразуют деформацию в электрические сигналы для определения угла поворота.

В системе курсовой устойчивости (ESP) применяют гиродатчик камертонного типа, в котором тоже использован пьезоэлектрический эффект. Двойной камертон изготовлен из пьезокристалла и состоит из трех частей (рис. А): средней, возбуждающей и измерительной. Средняя часть закреплена внутри датчика. Камертон возбуждения при подводе напряжения создает первоначальную вибрацию (рис. В). Измерительный камертон под воздействием сил при повороте деформируется. Его скручивание меняет распределение заряда, и это фиксируется электроникой датчика (рис. С) для определения момента вращения автомобиля вокруг вертикальной оси.

Схема камертонного гиродатчика

В ПРОФИЛЬ И АНФАС

Датчики продольного и поперечного ускорений применяются для систем курсовой устойчивости и пассивной безопасности. Устроены они по одному принципу: в зависимости от способа установки один и тот же датчик способен измерять ускорения в разных направлениях.

Ускорение или замедление определяют по перемещению подвижно закрепленной массы внутри датчика. В пьезодатчиках изгибается упругая пьезопластина, а в механических датчиках дополнительный элемент (датчик Холла) отслеживает перемещение подпружиненного груза. Другим видом стал аналог, в котором механическая часть выполнена из кремния. Все эти датчики имеют внутреннюю схему измерений и передают уже обработанный сигнал.

Проще устроен емкостный датчик ускорения. Он состоит из двух одноименно заряженных пластин и подвижно закрепленной между ними пластины с противоположным зарядом, которая перемещается при ускорении/замедлении автомобиля. Работа датчика основана на зависимости емкости конденсатора от расстояния между пластинами. Одновременно это расстояние

соответствует разности потенциалов между пластинами: чем ближе пластины друг к другу, тем больше напряжение. По его изменению определяется перемещение подвижной части датчика.

Схема емкостного датчика ускорения

ВОССТАНОВЛЕНИЮ НЕ ПОДЛЕЖИТ

В случае отказа датчика загорится индикация неисправности связанной с ним системы безопасности. Код и описание ошибки можно извлечь только с помощью компьютерной диагностики. Без необходимости датчики лучше не трогать и самостоятельно не заменять. Они требуют тщательной установки и контролируемого момента затяжки крепежа, иначе пострадает точность измерений. После замены некоторым датчикам необходима инициализация с помощью компьютера. При всей своей сложности они очень надежны, и меняют их обычно из-за механических повреждений. Ремонт не предусмотрен, а пострадать они могут даже от падения на пол.

Читайте также:  Амортизация при лизинге автомобиля проводки

КОМБИНАЦИЯ

Часто датчик поперечного ускорения устанавливают в одном корпусе с датчиком вращения вокруг вертикальной оси. Такой комбинированный элемент стал одним из «органов чувств» для систем курсовой устойчивости.

Источник

Большинство современных устройств используют датчики для контроля и управления различными физическими величинами, такими как давление, температура, влажность, интенсивность света, направление и т.д. Один из таких датчиков, используемый для измерения ускорения устройств, называется датчиками акселерометра.

Когда-то давно вы бы нашли такие датчики только в современных машинах, таких как космические ракеты или реактивные самолеты. Теперь они есть практически в каждом смартфоне, ноутбуке, автомобиле и игровой консоли. Давайте копнем глубже и выясним, что это такое, как они работают, и для чего они используются?

Что такое акселерометр?

Измеряя величину гравитационного ускорения, инструмент может вычислить угол, под которым он наклонен относительно Земли. Например, акселерометр, установленный на поверхности Земли, будет измерять ускорение 9,81 м / с2 в прямом направлении вверх.

Измеряя величину динамического ускорения, можно определить, насколько быстро и в каком направлении движется устройство. Например, трехосевой акселерометр может определять величину и направление (во всех трех осях) ускорения как векторную величину.

Акселерометры используются в различных отраслях промышленности и научных исследованиях. Они в основном используются в электронных устройствах для определения ориентации, ускорения координат, ударов и вибрации.

Акселерометры, встроенные в смартфоны, например, выясняют, когда переключать макет экрана с ландшафтного на портретный. Данные, предоставляемые этими датчиками, могут помочь определить, идет ли устройство вверх или падает вниз.

Высокочувствительные акселерометры интегрированы в инерциальные навигационные системы ракет и реактивных двигателей. Беспилотные летательные аппараты также используют такие устройства для стабилизации полета.

Как работает акселерометр?

Механический акселерометр состоит из пружины, прикрепленной массой. Эта пружина обычно подвешивается внутри наружного корпуса. Когда все устройство ускоряется, корпус сразу же движется в том же направлении. Масса, однако, остается в своем положении (на короткое время), растягивая пружину с силой, соответствующей ускорению.

Принцип работы механического акселерометра

Измеряя длину пружины растяжения, мы можем определить ускорение. Это может быть сделано различными способами. Сейсмометр, например, использует тот же принцип для измерения землетрясений.

Когда происходит землетрясение, он трясет корпус сейсмометра, но масса движется дольше. К массе прикрепляется ручка, чтобы проследить ее движение на бумажном графике.

Современные акселерометры генерируют электрические или магнитные сигналы вместо того, чтобы использовать след от ручки на бумаге.

Самые распространенные типы акселерометров

Большинство коммерческих устройств оснащены емкостными, пьезорезистивными и пьезоэлектрическими приборами для преобразования механического движения в электрический сигнал.

1. Пьезоэлектрические акселерометры используют пьезоэлектрический эффект определенных материалов для измерения ускорения, вибрации или механического удара. Эти материалы накапливают электрический заряд (пьезоэлектричество) в ответ на приложенное механическое напряжение.

Принцип работы пьезоэлектрического акселерометра

К массе прикрепляется пьезоэлектрический материал, например, цирконат-титанат свинца. При движении акселерометра масса оказывает механическое давление на этот материал. В результате этого материал вырабатывает крошечное электрическое напряжение, которое можно расшифровать, чтобы вычислить соответствующее ускорение.

2. Пьезорезистивные акселерометры работают по аналогичному принципу. Они используют изменение сопротивления пьезорезистивных материалов для преобразования механического напряжения в выходное напряжение постоянного тока. Эти типы акселерометров подходят для измерений удара, где уровень g и диапазон частот значительно высоки.

Endevco 727 | легкий пьезорезистивный акселерометр, идеально подходящий для измерения удара при испытаниях на падение

Пьезоэлектрические компоненты, напротив, не имеют себе равных по высокотемпературному диапазону и малому весу в упаковке.

3. Емкостные акселерометры основаны на изменении электрической емкости в ответ на ускорение. Они содержат два компонента: первичную (стационарную) пластину, прикрепленную к корпусу, и вторичную пластину, соединенную с массой, которая свободно перемещается внутри корпуса.

Емкость изменяется с расстоянием между двумя металлическими пластинами, и, измеряя емкость, можно определить приложенное ускорение. Эти типы акселерометров могут измерять постоянное, а также медленное переходное и периодическое ускорение.

Трехосный емкостный акселерометр

Современные акселерометры бывают всех трех форм. Они часто представляют собой микроэлектромеханические системы (MEMS), содержащие несколько компонентов, каждый размером от 1 до 100 микрометров. Акселерометры, встроенные в планшеты и смартфоны, обычно имеют площадь менее 100 миллиметров.

Микромеханический акселерометр чувствителен только к одному направлению в плоскости. Двухосевой акселерометр построен путем интеграции двух устройств перпендикулярно, а трехосный акселерометр может быть сделан путем добавления другого устройства вне плоскости. Интегрированный модуль может быть гораздо более точным, чем три отдельных устройства, объединенные после упаковки.

Для достижения сверхвысокой чувствительности можно использовать квантовое туннелирование. Однако этот процесс является чрезвычайно сложным и дорогостоящим.

С помощью существующих технологий мы можем измерять ускорения до тысяч g. Инженерам и производителям приходится идти на компромисс между максимальным измеряемым ускорением и чувствительностью устройства.

Применение

Акселерометры используются в различных областях, от инженерной и бытовой электроники до биологии и медицинских технологий. Ниже приведены наиболее часто используемые датчики акселерометров.

Инерциальная навигационная система (также называемая инерциальной эталонной платформой) использует компьютер и акселерометры для непрерывного измерения местоположения, ориентации и скорости движущегося объекта без каких-либо внешних ориентиров.

Инженерия

Акселерометры широко используются для измерения вибрации на машинах, автомобильных двигателях и зданиях. В автомобильном секторе акселерометры с высоким значением g используются для обнаружения дорожно-транспортных происшествий и установки подушек безопасности в нужное время.

Они также используются для контроля работоспособности оборудования и регистрации вибрации вращающихся инструментов, таких как компрессоры, турбины, которые, если их не обслуживать, могут привести к дорогостоящему ремонту. Некоторые акселерометры специально настроены (встроены в гравиметры) для измерения гравитационных сил.

Бытовая электроника

Многие производители ноутбуков используют акселерометры для защиты жестких дисков от повреждений. Если датчик обнаруживает внезапное падение, головки жесткого диска припаркованы, чтобы избежать повреждения диска и потери данных.

Биология и медицинское применение

В биологических науках все чаще используются акселерометры. Данные, получаемые с помощью высокочувствительных трехосных акселерометров, позволяют ученым различать поведенческие модели животных, когда они находятся вне поля зрения.

Многие автоматические внешние дефибрилляторы содержат акселерометр для определения глубины сдавления грудной клетки СЛР.

Несколько компаний производят часы для спортсменов, которые состоят из акселерометров для измерения скорости и пройденных дистанций бегунов. Современные будильники фазы сна также интегрированы с акселерометрическими датчиками, так что они могут обнаружить движение спящего и разбудить человека в цикле не-быстрого сна.

Источник

Автомобильные акселерометры. Часть 2. Автомобильные акселерометры – ключевые фигуры систем безопасности и комфорта

Все статьи цикла:

Введение

Ведущая сфера применения акселерометров в автомобиле сегодня — системы пассивной безопасности (воздушные мешки, ограничители ремней и т. д.) и активной безопасности (рулевое управление, АBS, TCS, контроль динамики автомобиля — VSC, ESP) [9–23].

Огромное количество акселерометров устанавливается в электронные блоки контроля развертывания воздушных мешков, пристяжных ремней и считывания событий бокового крена машины («rollover»), обеспечивающие защиту пассажиров и водителя в случае фронтального или бокового удара, значительно улучшенную за последние годы.

Системы АБС, VCS или адаптивный круиз-контроль (ACC) предоставляют водителю большие возможности контроля динамики управляемого им транспортного средства. Осуществляя автоматическое «вмешательство», современные системы (ESP или ACC) могут предотвратить большое количество аварийных событий.

Условное разграничение, существующее между активными и пассивными системами безопасности, прослеживается сегодня уже не столь отчетливо: уместнее, скорее, говорить об их интеграции. Эта же идея заложена в концепцию централизованной автомобильной системы на основе акселерометров, объединяющей функции пассивной и активной безопасности, которая позволяет водителю оптимально осуществлять процесс вождения, автоматически предотвращает аварии и, если авария все же неизбежна, минимизирует риск травм как людей, сидящих в автомобиле, так и пешеходов.

Одновременно существует множество других автомобильных систем безопасности и комфорта на основе акселерометров, важнейшими из которых являются, например, электронно-управляемая подвеска в лидирующих моделях высокого сегмента автомобильного рынка — Volvo, Mercedes Benz, Cadillac, системы транспортной навигации, контроль давления накачки шин (Tire Pressure Monitoring), которыми оснащены сегодня многие автомобили среднего ценового класса [11–16, 28, 29].

Автопроизводители используют акселерометры для оборудования пассажирского места и крэш-тестов, приглушения (поглощения вибраций) двигателя и приводов (исполнительных механизмов), компенсации измерений уровня масла и регулировки положения фар, адаптивного электронного торможения и т. д. [1–29].

Читайте также:  Амортизационные отчисления автомобиль в лизинг

Некоторые системы на основе акселерометров из числа рассматриваемых далее могут быть непосредственно отнесены к системам активной безопасности (ACC, электронная парковка тормоза); некоторые их них способствуют повышению дорожной безопасности автомобиля только косвенно (контроль давления накачки шин, регулировка положения фар).

Существует также ряд других автомобильных систем на основе акселерометров (инклинометров), выполняющих совершенно другие функции: например, устройства охранной сигнализации (Burglar Alarm) или компенсация измерений уровня жидкостей не могут быть отнесены непосредственно к системам безопасности или комфорта.

Говоря об общности автомобильных систем, рассматриваемых в настоящей публикации далее, можно отметить, во-первых, наличие акселерометров; во-вторых, их объединяет основное назначение, которое в общих чертах может быть определено как помощь водителю в предотвращении аварийных ситуаций и обеспечение комфорта сидящих в автомобиле людей.

Адаптивный круиз-контроль

Адаптивный круиз-контроль (Adaptive Cruise Control — ACC) — дальнейшее расширение традиционного круиз-контроля, позволяющего машине автоматически следовать за другой машиной на установленном безопасном расстоянии. ACC позволяет водителю фиксировать желаемый интервал и поддерживает его до максимальной скорости машины, также устанавливаемой водителем. Когда расстояние или скорость указывают на необходимость торможения, некоторые ACC закрывают дроссель и подают акустический сигнал, предупреждающий водителя о необходимости торможения. Передовые концепции, например система с ACC от Continental (рис. 7), уменьшают крутящий момент двигателя и задействуют торможение с максимальным усилием порядка 0,2–0,3g. Когда идущая впереди машина изменяет полосу движения или уходит с дороги, ACC вновь ускорит автомобиль до максимальной скорости.

За несколько лет ACC из лидирующих автомобилей, подобных Mercedes S-Class, мигрировал в модели среднего и низкого ценового класса. Следующее поколение полноскоростных ACC от Continental Corporation, если необходимо, замедлит машину до полной остановки, а не до 30 км/ч, как нынешние системы.

В состоянии остановки система будет детектировать любое движение впереди идущего автомобиля и подавать предупреждающий звуковой сигнал водителю, вслед за чем транспортное средство будет ускоряться автоматически до максимальной скорости, установленной водителем, сохраняя при этом необходимое безопасное расстояние в соответствии с фактическими условиями (трафиком) движения.

Давление в тормозной системе будет поддерживаться, чтобы надежно удерживать машину в состоянии остановки без участия со стороны водителя. Другой функцией безопасности ACC, разрабатываемой Continental, является сокращение расстояния остановки по сигналам от датчиков. Давление в тормозной системе в этом случае будет увеличено для более быстрого торможения. Эта функция способна уменьшить кинетическую энергию при столкновении до 50%, что особенно важно для малых автомобилей.

Концепции интеллектуального управления от Continental IPAS (Intelligent Power Assisted Steering) и ESAS (Electric Steer Assisted Steering), интегрирование которых в 2006 году планируется в ESP II, предполагают осуществление помощи водителю в управлении на поворотах, при торможении и на скользких поверхностях.

Еще одна из удобных возможностей интеллектуальных ACC помимо идентификации текущей полосы движения — мониторинг транспортных средств, следующих по параллельным полосам.

Данные от большого числа датчиков создают фактическую картину движения, окружающего автомобиль. Системы помощи водителю, подобные ACC, задействуют радары, гироскопы, датчик угла рулевого колеса, датчики скорости колес и акселерометры.

Различные акселерометры, размещенные в автомобиле в соответствии с сетевым протоколом, предоставляют информацию ACC и другим системам об ускорении или торможении автомобиля, а также в случае, если автомобиль выполняет поворот или меняет полосу движения.

Разработки Continental AG в области реализации функций помощи водителю, несмотря на менее значимую роль в этом акселерометров по сравнению с другими видами датчиков, свидетельствуют, прежде всего, о том, что система помощи водителю может быть исчерпывающей. Датчики и обрабатывающая электроника объединяются в интегрированные блоки, которые стоят дешевле, проще в инсталляции и открывают значительные перспективы для будущих применений.

Акселерометры в системах активной подвески

В системах комфорта акселерометры применяются для адаптивного управления ездой в зависимости от дорожных условий, в том числе в электронно-управляемых системах подвески (см. рис. 8). Так называемая активная подвеска — Active Suspension — предполагает наличие акселерометров вертикального ускорения на каждом колесе с целью придания жесткости или смягчения подвески для оптимального комфорта и безопасности пассажиров.

Активные системы подвески перемещают каждое колесо вверх и вниз относительно корпуса машины в ответ на дорожные аномалии. С активной подвеской машина может одновременно обеспечивать как плавную поездку на мягкой подвеске, так и высокие возможности управления и маневрирования, ассоциируемые с жесткой подвеской.

Большинство активных систем активизирует перемещение колес посредством электронно-управляемых клапанов, используя насос высокого давления с гидравлическими цилиндрами. На случаи системных сбоев на каждом колесе предусмотрены пружины, чтобы избежать «насыщения» подвески; они также могут уменьшить колебания корпуса машины.

Другие варианты активных систем подвески основаны на использовании электрических двигателей или электромагнитов. Один из вариантов — на каждом колесе устанавливаются соленоиды, которые одновременно активируют перемещение колес и поддерживают вес машины вместо стандартных пружин.

В любой системе датчики определяют вертикальное положение колеса и усилие дороги, действующей на колесо. Жесткость амортизаторов корректируется для безопасности и плавной езды. Некоторые системы также используют «предварительный просмотр дороги» (радарные или лазерные датчики). Акселерометры сообщают компьютеру, когда машина ускоряется, тормозит или выполняет поворот. Компьютер непрерывно обрабатывает информацию и определяет положение каждого колеса.

В машинах высшего ценового класса система подвески, известная как компьютерная или электронно-управляемая подвеска ECS (Electronically Controlled Suspension), также способна управлять креном корпуса, продольным поворотом, торможением, ускорением и высотой езды. В машинах без датчика угла рулевого колеса боковой акселерометр измеряет центробежное усилие; дополнительные акселерометры могут использоваться для измерения крена [26]. Автомобильные акселерометры корпуса измеряют обычно до 1–3 g, датчики узла колеса — вплоть до 12 g. Эти датчики обычно бывают автономными (см. рис. 8 и 1).

Как нововведение последних лет, ECS, прежде всего, нашла свое применение в машинах верхнего сегмента рынка, подобно Mercedes Benz или BMW, где стоимостные издержки на системы комфорта ($2000–3000) менее значимы для потребителя в сравнении с общей ценой машины и уровнем обеспечиваемого ими удобства. Постепенно эта система мигрирует в менее дорогие машины, производимые в больших объемах в расчете на среднего потребителя.

Еще одной автономной функцией является активный контроль наклона, который поднимает штанги стабилизатора в передней и задней подвеске, чтобы сопротивляться наклону кузова при повороте. Управляющий модуль получает сигнал бокового ускорения от установленного на корпусе акселерометра и направляет давление от насоса к гидравлическим цилиндрам, которые поднимают штанги стабилизатора, повышая сопротивление наклону и увеличивая дорожное сцепление. Система деактивируется на низких скоростях.

Системы охранной безопасности

Передовые пассивные противоугонные системы Passive anti-theft systems (PATS) надежно защищают новые автомобили от угона использованием специального кодового ключа зажигания, ответственного за запуск и функционирование двигателя, с беспроводным приемопередатчиком. Примером является система SecuriLock T» Ford с 72 миллиардами возможных кодов (это означает, что каждый Ford, проданный в течение следующих 10 млрд лет, будет снабжен уникальным кодом).

Тем не менее угоняемые машины поднимаются домкратом и устанавливаются на платформы грузовиков или, в большинстве случаев, просто буксируются прочь. В ответ автопроизводители разрабатывают более надежные иммобилизаторы с датчиками ускорения, детектирующими подъем машины и ее наклон (изменение наклона).

Гравитационные инклинометры в системах охранной сигнализации (Vehicle burglar alarms) обнаруживают, поднят ли весь автомобиль, или отклонен только один его угол (с намерением добраться до колес или при попытке буксировки), и включают охранную сигнализацию [27]. Low-g-акселерометры (±0,5–2 g) используются в ограниченном частотном диапазоне 0–10 Гц. Типичный измерительный диапазон высокочувствительных инклинометров — 0–15° (0,3 g).

Электронная парковка тормозов

Электронная парковка тормозов EPB (Electronic Parking Brakes) использует инклинометры для измерения угла наклона транспортного средства, чтобы регулировать усилие торможения для обеспечения необходимого продольного наклона.

Электронная парковка обеспечивает низкоскоростной контроль сцепления и предотвращает обратное скольжение машины на наклонных поверхностях, особенно при использовании вместе с автоматической коробкой передач. Система автоматически запирается и освобождается при парковке или запуске.

Применение EPB позволяет удалить стандартные узлы — механический рычаг и проводной жгут; при этом в большинстве моделей автомобилей также освобождается пространство между передними сиденьями, которое может использоваться для других целей. Сигнал инклинометра может быть подключен к дистанционным системам для безопасной парковки в очень плотных точках.

Читайте также:  Акт прием передачи автомобиля и денежных средств

Акселерометры в системах динамического контроля и компенсации

Огромное число потенциальных применений существует также для акселерометров в системах динамического контроля и компенсации любых параметров, измеряемых в процессе передвижения автомобиля.

Компенсация и коррекция измерений уровня жидкости (Fluid Level Compensation) в машинах может быть осуществлена с использованием информации о наклоне от инклинометра. (Применимо к измерению уровня масла при запуске или при движении вверх или вниз в горах.)

В системах регулировки положения фар (Headlamp Adjustment) согласно нагрузке автомобиля инклинометр учитывает автоматическую установку фар и обеспечивает получение надежной информации различными системами помощи водителю, включая радары расстояния.

Концепции современных навигационных систем базируются на предоставлении водителю своевременных и четких инструкций от компьютера с доступом к базе данных, который рассчитывает маршрут от точки отсчета к пункту назначения. Инструкции в речевой, графической форме или в виде прокручивающейся видеокарты подаются водителю, когда машина приближается к соответствующему перекрестку; если водитель отклоняется от предполагаемого маршрута, компьютер выбирает альтернативный маршрут и предоставляет новые инструкции.

Чтобы давать своевременные инструкции, компьютер должен знать текущее положение машины. Обычно для этого используется автомобильная навигация на основе системы глобального позиционирования GPS (Global Positioning System), которая сегодня установлена в современных автомобилях высшего и среднего ценового класса.

На случай, когда автомобили теряют сигнал GPS в течение коротких интервалов, GPS может быть объединена с другими методами определения курса, например, дедуктивным методом счисления пути или инерциальной навигацией. (Другие методы навигации включают в себя сопоставление с картой и дельта-измерения.)

Минимальная входная информация должна включать: набор начальных координат, направление пути и скорость.

Счисление пути и инерциальная навигация используют датчики скорости колес и (или) акселерометры и гироскопы для прослеживания перемещения и положения машины. Акселерометры используются для вычисления скорости как интеграла ускорения. Цифровой компас или гироскоп определяет направление пути. Информация затем переводится системой навигации в положение относительно точки, в которой сигнал GPS был потерян.

Существует метод определения скорости, согласно которому акселерометр определяет интервалы времени между столкновениями с неровностями дороги передних и задних колес (на участках линейного движения автомобиля) [28]. На локальных участках дорог или шоссе всегда присутствуют неровности, которые немедленно переводятся в удары и толчки колес автомобиля, синхронно детектируемые акселерометром. Для автомобиля с данной колесной базой и зависимым интервалом столкновений с неровностями дороги вычисление скорости может быть выполнено согласно уравнению [28]:

где v — скорость (км/ч); W [м] — колесная база (м); T1 [v] — интервал времени между ударами передней и задней оси (с).

Проблемой при регистрации данных во время движения на дорогах для акселерометра является необходимость различать пару разнесенных во времени пиков ускорения (фактически четыре пика) от вибраций автомобильной подвески с учетом различных неровностей на различных участках дорог, что требует системы фильтрации.

Для инерциальной навигации и противоугонных систем предназначены акселерометры First Technology (рис. 9а) и трехосевые аналоговые MEMS-датчики ускорения 2 g/6 g LIS3L02 STMicroelectronics. Для навигационных систем рекомендован также ADXL202 Analog Devices (рис. 9б), ШИМ-выход которого характеризуется рабочим циклом, во времени пропорциональным амплитуде ускорения. 50-процентный рабочий цикл соответствует нулевому ускорению, чувствительность характеризуется изменением рабочего цикла на 12,5% за 1 g.

Специально для трехосевых навигационных измерений разработан комплект 3DM от Microstrain на основе акселерометров, магнитометров для продольных, поперечных и вертикальных измерений (рис. 9в).

Контроль двигателя

Датчик неровности дороги в автомобильном инженерном дизайне применяется также для того, чтобы исключать шанс сбоев электронной диагностики двигателя. В связи с введением новых требований по токсичности OBDII (CARB) появилась необходимость выявлять каждый случайный пропуск зажигания по всем цилиндрам. Предусмотренная для этого методика основывается на обработке картины плавности работы коленчатого вала на соответствующих оборотах.

При движении по неровным участкам дороги на угловую скорость коленчатого вала оказывает влияние колесо. Датчик неровности дороги (см. рис. 10а и рис. 8б) регистрирует ускорение автомобиля, прямым результатом которого являются флуктуации скорости коленчатого вала.

Для того чтобы установить, происходят колебания скорости коленчатого вала вследствие пропуска зажигания или вследствие плохой дорожной поверхности, передовые системы управления двигателем регистрируют пропуски зажигания отдельных цилиндров. По сигналам от акселерометра о неровной дороге функция распознавания пропусков зажигания на это время блокируется.

Сенсорный элемент датчика неровности дороги Bosch (рис. 10а) объединяет поворотный элемент, состоящий из двух антипараллельных поляризованных пьезоэлектрических слоев. Если ускоряющая сила (диапазон измеряемых ускорений ±5 g) приложена к элементу, механическое напряжение генерирует изменение электрического заряда на поверхностях поворотного элемента, которое оценивается электронной схемой.

Датчики вибрации пьезоэлектрического типа пригодны также для обнаружения акустических колебаний, например нерегулярного горения в двигателях и эксплуатации в жестких рабочих условиях. Основные области их применения:

Системы наблюдения давления в шинах

Одно из потенциальных высокообъемных применений для технологий MEMS и WIMS (см. далее) формируют системы проверки давления в шинах (TPS — Tire Pressure Monitoring), введение которых предписывается актом U. S. Government’s NHTSA’s TREAD (Transportation Recall Enhancement, Accountability and Documentation). Введение систем проверки давления шин регламентировано во всех машинах, которые будут выпущены в США начиная с 2006 года, согласно стандарту FMVSS № 138 [29–31]. По прогнозам автопромышленных аналитиков, более чем 17 миллионов TPS будет установлено в автомобилях уже к 2007 году.

Правила NHTSA Final Tire Pressure Monitoring Rule предписывают всем автомобилям устанавливать TPS, для того чтобы сигнализировать водителю, когда давление вшине снижается более чем на 25%. Результаты исследования [30] показывают, что 27% легковых автомобилей в США обычно имеет по крайней мере одну значительно недокачанную (на 25%) шину.

Проверка предназначена не только для обнаружения спущенной шины. Давление шины непосредственно связано с автомобильной безопасностью:

Снижение давления выше определенного предела активизирует систему тревоги. На приборной панели загорается индикатор, предупреждающий о низком давлении.

Существуют два способа реализации TPS. Согласно первому датчики давления, установленные в каждом колесе, периодически посылают данные на приемник. В прямой системе каждая система проверки давления шины содержит микроконтроллер и высокочастотный RF-передатчик, который передает информацию водителю на приборную панель.

Другой способ задействует четырехколесную систему ABS, включая датчики скорости колес, акселерометры и локальный компьютер. Если давление в шине становится низким, данное колесо будет вращаться быстрее, чем другие колеса. Различия в скорости позволяют детектировать низкое давление, предупреждающий индикатор будет сигнализировать об этом водителю.

В настоящее время поставщики автоэлектроники предпочитают косвенным методам метод прямой проверки давления (предписываемый NHTSA), согласно которому каждая автомобильная шина снабжена датчиком давления в узле колеса. Косвенные методы вычисляют давление шины из других параметров, поэтому фактически таким образом осуществляется оценка, а не точное чтение. Кроме того, не все автомобили оснащены ABS.

Акселерометры используются совместно с прямой системой TPM и, размещаясь в шине, активируют TPM только в случае, когда колесо находится в движении, что позволяет продлить срок службы датчиков давления, питающихся от батареи (в активных системах TPS, в отличие от пассивных систем, не использующих батареи).

Новые системы TPS характеризуются многофункциональностью и проникновением беспроводных технологий. Например, Motorola (Freescale) разработала чипсет MPXY8000 для прямого измерения давления и температуры в шине с радиочастотным передатчиком.

Легислация TPS в США логически подводит к обсуждению нескольких следующих направлений, формируемых сегодня на рынке автомобильных датчиков.

Первое направление — стратегическое — главным образом реализуется в увеличении числа беспроводных датчиков, в том числе беспроводных микромеханических (Wireless microsystems — WIMS) датчиков, например, давления, многие из которых непосредственно адресованы автомобильным системам и TPS (рис. 11). WIMS представляют собой комбинацию интегрированных схем, микроэлектромеханических систем, сенсоров и исполнительных микросистем, а также фотонной технологии на чипе ИС; WIMS считывают, обрабатывают, передают информацию.

Вторая концепция, имеющая самое непосредственное отношение к акселерометрам, представляет собой объединение датчиков в многофункциональные сенсорные кластеры и также характеризуется ярко выраженным проникновением беспроводных технологий (рис. 12).

Источник

Ответы на популярные вопросы
Adblock
detector