Сенсор дощу на основі оптичного перетворювача

 

                                                    Вступ

 

         Зовсім нещодавно, в XX столітті і на межі тисячоліття, автомобільна безпека асоціювалася зазвичай тільки з пасивними системами захисту пасажирів при аваріях, які вміщували подушки безпеки та ремені для зменшення ризику або серйозності травм. Цей напрямок залишається найважливішим у сфері забезпечення безпеки, але в ХХІ столітті пасивні системи все більше доповнюються активними системами безпеки, відомими, наприклад, як АБС, ESP, TPMS, ACC, LWD, LKA, LCA. Активні системи допомагають уникати аварій за рахунок попередження водія про небезпечну ситуацію або часткового чи повного втручання в керування автомобілем за допомогою здійснення інтелектуальних функцій, виконуючи їх швидше і якісніше, ніж висококваліфікований водій. У критичних ситуаціях водіння активні системи допомагають водієві в управлінні, тому багато з них отримали назву систем допомоги водієві (СДВ), або Driver Assistance System (DAS).

          Як відомо, системи автомобільної безпеки - найбільший сегмент ринку для збуту сенсорів інерції: акселерометрів і гіроскопів, сенсорів положення пасажирів і швидкості коліс, виявлення зовнішніх і внутрішніх об'єктів і тиску накачування шин [1]. Найбільш швидко зростаючий сектор ринку сенсорів в цьому сегменті - це системи запобігання або попередження аварій, що включають сенсори тиску шин і систем допомоги водієві.

         Крім широко відомих АБС, ESP і TPMS, нові технології систем допомоги водієві включають забезпечення безпечного шосейного руху автомобіля, допомога в різних дорожніх умовах - щільного трафіку, зупинках і стартах при заторах, різних умовах освітленості, при парковці і зміні смуги. З цією метою використовуються радарні, лазерні, ультразвукові сенсори, відеосенсори, теплові камери, а також сенсори дощу, світла та кольору .

 

 

 

 

1. Застосування сенсорів в автомобільних системах

 

1.  Сенсори систем допомоги водієві .

 

         Основні системи допомоги водієві включають (рис. 1.1):

Системи переднього огляду:

• адаптивний круїз-контроль (ACC) (рис. 1.1а-г), включаючи розширені функції:
• повношвидкісний ACC (до повної зупинки швидкості 0 км / год);
• функція Stop and Go: втручання в систему управління двигуном

і гальмування до завершення зупинки і старту в умовах затору;

• допомога в утриманні автомобіля на обраній смузі Lane Keeping Support

(LKS).

• виявлення, запобігання або пом'якшення аварій (наприклад, система

підтримки водія при ризику фронтальної аварії Bosch): адаптивне гальмування  і активація пасивних систем безпеки, попередження водія, максимальне повне  гальмування (рис. 1.1д-е).

• виявлення та захист пішоходів (рис. 1.1ж).
• системи моніторингу смуги і попередження про ненавмисний вихід зі смуги 
• Lane Departure Warning (LDW) systems (рис. 1.1г, з).
• виявлення дорожніх знаків, моніторинг швидкісних обмежень (рис. 1.1 та).
• системи заднього зору:
• допомога при паркуванні: знаходження відповідного місця і супровід 

паркування (рис. 1.1к-л);

• допомога при задньому ході, запобігання зіткнень (рис. 1.1л);
• виявлення руху транспортних засобів ззаду .
• допомога при навмисному відході з смуги Lane Change Assistant (LCA).
• моніторинг критичних точок blind spot бічними, кутовими і задніми камерами  (рис. 1.1м).
• системи нічного зору і в умовах поганої видимості (рис. 1.1н).
• моніторинг інтер'єру автомобіля (рис. 1.1о):
• розпізнавання і класифікація пасажирів;
• виявлення дитячого сидіння;
• визначення положення пасажирів (рис. 1.1п).

 

Рисунок 1.1 - Технології автомобільних систем допомоги водієві;

 

а - ілюстрація роботи повношвидкістного адаптивного круїз-контролю Continental,

б - модуль ACC Continental, заснований на лідарах;

в - основні сенсори систем допомоги водієві Bosch: радар, відеосенсор, ультразвуковий сенсор;

г - комбінація відеосенсорів і радарів повношвидкістного ACC Bosch для спостереження об'єктів та смуги руху;

д, е - система підтримки водія у разі передбачення фронтальної аварії Predictive Safety Systems (PPS) Bosch:

д - ілюстрація принципу роботи;

 е - основні компоненти PPS;

ж - ілюстрація концепції захисту пішоходів від SiemensVDO;

з - принцип утримання автомобіля в обраній смузі за допомогою камер (ілюстрація Continental);

и - виявлення дорожніх знаків (графічний матеріал Melexis);

к - дисплейна індикація роботи системи пошуку відповідного місця для паркування SiemensVDO;

л - захист від ударів  при паркуванні з системою Bosch Parkpilot;

м - моніторинг критичних точок blind spot (ілюстрація Valeo Raytheon);

н - система нічного зору Siemens VDO;

о - виявлення і спостереження положення пасажирів (ілюстрація Melexis);

п - теплові камери MLX90247 Melexis для спостереження положення пасажирів і застосування в системах зору в поганих умовах видимості

 

         1.2 Стратегічні напрямки в автомобільній безпеці

 

          Нові системи пасивної і активної автомобільної безпеки, допомоги водієві - ACC, ESP, при паркуванні та іншого розробляються за принципом додавання нових функцій і збільшення мережевих зв'язків сенсорів з інтегрованими системами, тобто використовують одні й ті ж сенсори для отримання вхідної інформації до різних підсистем , які реалізують розширені вихідні функції. Таким чином, нові розробки показують, що системи допомоги водієві від автономних функцій переходять в комплексні системи, що включають сенсори і інтегровані блоки, менші за розміром та вартістю. Мережеві зв'язки сенсорів все більш пов'язують активні і пасивні системи безпеки в межах єдиної цілісної мережі.

Можливий і оптимальний результат розвитку систем автомобільної безпеки - повне злиття активних і пасивних систем в єдину інтелектуальну мережу - стратегічний напрям сучасної автоелектроніки. З цією метою, наприклад, Continental Automotive Systems розробляє і впроваджує проект APIA (Active Passive Integration Approach), Bosch розвиває концепцію CAPS - Combined Active & Passive Safety (рис. 1.2).

 

Рисунок 1.2 - Концепція інтеграції активних і пасивних систем в єдину мережу з мережевою структурою і зв'язками між сенсорами.

 

а - проект APIA (Active Passive Integration Approach) Continental: 1 - адаптивний

   круїз-контроль; 2 - електронна система гальмування MK60E; 3 - сенсорний  

   кластер; 4 - трансмітер скомплектованих даних; 5 - педаль акселератора із

   зворотним зв'язком; 6 - модуль  контролю двері; 7 - модуль контролю люка;  

    8 - натяг ременя; 9 - модуль контролю сидіння; 10 - гальма; 11 - CV (closing

     velocity) сенсор виявлення перешкод; 12 – бічні сателіти; 13 - сенсор

     фронтального удару; 14 - модуль контролю подушок безпеки,

б - компоненти CAPS (Combined Active & Passive Safety) Bosch: 1 - гідравлічний

      модулятор  тиску ESC; 2 - система контролю подушок безпеки; 3 - радар      

     ACC; 4 - відеосенсор; 5 – активне кермове керування; 6 - система навігації; 7

     - інші сенсори (кута повороту керма,  кутової швидкості автомобіля yaw rate

     і прискорення)

        

        Концепція інтегрованої мережі активних і пасивних систем в автомобілі припускає спостереження навколишніх умов за допомогою великої кількості різноманітних сенсорів (радарів, ультразвукових сенсорів і камер, а також акселерометрів, гіроскопів) і обробку цієї інформації в локальних комп'ютерах підсистем (наприклад, ACC) або в централізованому блоці автоматичного управління автомобілів майбутнього, обробляючого інформацію з сенсорів і посилаючи команди до різних функціональних підсистемах автомобіля.

        Ця тенденція злиття пасивних і активних систем, що збирають і аналізують вхідну інформацію з сенсорів, супроводжується збільшенням інтелектуальності сенсорів - для зменшення навантаження на локальні комп'ютери, надійності і точності наданої ними інформації. Хоча загальна кількість сенсорів в автомобілі збільшується, нові системи прагнуть максимально оптимізувати число сенсорів, дійсно необхідних для збору інформації, виключаючи функціонально повторювані одиниці. Багато сенсорів об'єднуються в сенсорні кластери (наприклад, ESC згідно з проектом APIA компанії Continental або сенсори напрямку та прискорення Bosch).

У поєднанні з ланцюжком  управління drive train та колесами існує напрямок переходу до ще більш комплексним мехатронним системам і компонентам, пов'язаним технологією X-By-Wire.

        Спочатку для управління автомобілем було необхідно, щоб автомобіль зважував наміри водія. Перші системи X-By-Wire - це E-gas або Power-By-Wire або Accelerate-By-Wire, які доповнювали дросельний клапан і педаль акселератора. Електронна педаль акселератора - це інтерфейс з водієм при електронному управлінні дросельною заслінкою.

По мірі вмикання систем by-wire, які видаляють в автомобілі механічні зв'язки з вхідними пристроями - наприклад, гальмами, кермом і приводами, ключовим фактором стало підвищення надійності функціонування приводів, контролерів і сенсорів. У подальшій еволюції систем і технологій інтелектуального управління X-By-Wire systems стало необхідним забезпечувати також і безпеку, поєднуючи багатофункціональний системний контроль з намірами водія, які, як вхідна інформація будь-якої підсистеми, залишаються в автомобілі пріоритетними[2].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Автомобільні оптичні сенсори та перетворювачі

 

2.1 Оптичні сенсори

 

         Всі відомі оптичні (і багато неоптичних) схеми визначення руху зводяться до двох базових схем, показаним на рис. 2.1, 2.2. Схеми роботи пристроїв проілюстровані рис. 2.1 [3-4]. Рис. 2.1а-в демонструє принцип роботи типового щілинного оптичного перемикача-оптопереривача, або оптрона. У пластмасовому корпусі розташовані світлодіод і фотодетектор, наприклад фототранзистор, розділені повітряним зазором в тілі корпусу. Світло від світлотодіода потрапляє на фототранзистор, який переходе

 

 

Рисунок 2.1 – Базова схема оптичного визначення руху – переривач

а-в – щілинний оптичний (фотоелектричний) сенсор – оптопереривач (оптрон чи оптопара);

1 – корпус сенсору; 2 –  світлодіод; 3 – фото чутливий елемент(фото транзистор чи фотодіод);

а – конструкція сенсору; 4 – елементи для монтажу корпусу; 5 – термінали для монтажу на друкованій платі;

б – лінійний переривач – сенсор лінійної швидкості; 4 – лінійний ротор з оптично прозорими та оптично непрозорими ділянками які чергуються; 5 - термінали для монтажу на друкованій платі;

в – сенсор кутової швидкості(індикація  визаченого кутового положення); 4 – обертовий ротор – крильчатка з непрозорими лопатями; 5 – обертовий вал;

г – аналог оптопереривача – щілинний сенсор швидкості Холла; 1- корпус сенсору; 2 – магніт; 3 – сенсор Холла(уніполярний ключ); 4 – магнітопровід; 5 - термінали для монтажу на друкованій платі; 6 – обертовий ротор – крильчатка з лопатями з феромагнітного матеріалу; 7 – обертовий вал.

в стан насичення. Якщо в  зазорі з'являється непрозорий елемент - ротор, шлях світла між світлодіодом і фототранзистором блокується, що викликає перемикання виходу фототранзистора до високого рівня.

Випромінюючі світлодіоди можуть функціонувати як у видимому, так і в інфрачервоному спектрі. Для роботи сенсору необхідно, щоб конструкція корпусу і ширина елементів ротора забезпечувала чергування світлопередачі і перекриття оптичного каналу. Істотно зменшити ширину оптичних кодових елементів і підвищити розрішення пристрою дозволяють лазерні діоди. Відстань від сенсору до дослідженого об'єкту в межах ширини робочого зазору несуттєва, але якщо необхідно збільшити робочий діапазон, також застосовують лазерні світлодіоди.

Найпростішим прикладом може бути перевірка за допомогою оптичного оптопереривача відкриття або закриття дверей або капота, які для блокування світла забезпечуються рухомим прапором, падаючим в щілину, більш складним - в перетворювачах.