Автомобильные датчики и интеллектуальные транспортные системы

Введение

Студент группы 11А/07 Романов С.И., далее автор сразу извиняется за немного нестандартный и мягко сказать оригинальный способ изложения материала реферата. Автор не скрывает факт использования Internet и статей, в нём опубликованных, правила копирайта при этом были соблюдены.

И так тема реферата «автомобильные датчики» наверняка каждому связанному с техникой на ум приходит конструкция датчика уровня топлива, температуры и давления масла, да, да всех тех приборчиков, которые автор ещё в первом классе школы разбирал подручными средствами, с целью узнать As it works. Так вот, это было первое и последнее упоминание, про подобные датчики. Реферат не про них. А про что? Реферат посвящен Интеллектуальным Транспортным Системам (ITS -- Intelligent Transportation Systems).Подобные разработки разрушают сложившееся представление о том, что создание полноценного автомобиля-робота теоретически невозможно, поскольку эта задача относится к классу AI-complete («совершенный искусственный интеллект»), то есть может быть решена, только если робот будет обладать интеллектом человека во всей его полноте. В случае, если интеллект робота уступает человеческому, всегда может возникнуть какая-то нештатная ситуация, в которой он окажется бессилен. С этой точкой зрения можно было бы согласиться, если бы не реальный интеллектуальный уровень многих современных водителей, и если не знать реальную ситуацию на дорогах-- во всяком случае, на отечественных дорогах. Не вызывает сомнения, что если бы живые водители были столь же дисциплинированны, как и роботы, и не употребляли алкоголь и наркотики, а неизбежные несчастные случаи являлись бы только следствием нештатных ситуаций, оказавшимся роботам не под силу, то жертв на дорогах стало бы на порядки меньше. Почти десять лет издается международный журнал IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems. Увы, в России, как это обычно бывает, термин «интеллектуальные транспортные системы» используется как-то по-особому однобоко. В основном его относят к практическим приемам организации транспортных потоков, учету передвижения транспортных средств и навигации, а о теоретических исследованиях и серьезных публикациях на тему ITS на русском языке автору ничего неизвестно.

Инициатива ITS стала возможной потому, что современный автомобиль активно роботизируется изнутри и сегодня оснащен целым рядом систем автоматизации. Помимо уже вошедших в обиход автоматических коробок передач, систем автоматической блокировки торможения и систем управления другими агрегатами плюс обычного круиз-контроля, существуют: система информирования о состоянии дорожного покрытия, особенно об оледенении; система адаптивного круиз-контроля, воспринимающая данные от систем обнаружения соседних автомобилей; система взаимного информирования автомобилей, снабженных системами GPS; средства слежения за дорожной разметкой; системы автоматизированной парковки; устройства для просмотра мертвых зон; системы контроля скорости на поворотах.

Но это общие рассуждения уставшего водителя, а пока ITS получившая значительное распространение во всем мире, все же исходит из действующей парадигмы «за рулем водитель». Логичным продолжением этого направления стали системы Internet для автомобилей. Каким бы совершенным ни был робот, он эффективнее работает во взаимодействии с себе подобными. В системах могут использоваться совместно действующие объекты, образующие то, что теперь называют «разумным роем»

Подобную систему Extended Floating Car Data-System (XFCD) представила компания BMW.

Испытание проводилось на специальной тестовой трассе в SBC Park и было призвано продемонстрировать возможности системы. Например, автомобиль попадает на скользкую дорогу. За считанные секунды система обрабатывает информацию и предупреждает в режиме реального времени следующий за ним автомобиль. Та же информация в то же самое время передается стационарным службам движения, которые статистически обрабатывают поступающие данные и рассылают их обратно другим участникам движения.

Система определения дорожной ситуации XFCD станет в будущем усовершенствованным последователем существующей системы Floating Car Data, что переводится как "данные с движущегося автомобиля". Уже сегодня с помощью FCD автомобили посылают свои данные о местонахождении в определенный момент времени на центральный пульт движения, который сопоставляет получаемые сообщения с сообщениями других автомобилей, оснащенных FCD, с целью распознавания дорожных и внештатных ситуаций. Система XFCD способна сама распознавать дорожную ситуацию, анализировать все имеющиеся данные в автомобиле и передавать обработанные данные на центральный пульт движения. Параллельно система способна через систему-коммуникатор "Авто-Авто" предупреждать другие автомобили в зоне действия передатчика.

Как говорится всё гениальное просто, для разработанной автомобильной новинки не требуется установки никаких дополнительных аппаратов. XFCD функционирует на базе имеющейся навигационной системы, и ее ввод в эксплуатацию заключается лишь в загрузке программы. Введение бортовой сети позволяет синхронно задействовать целый спектр возможностей. В устроенном таким образом современном автомобиле система получает доступ и совмещение с множеством других инфо-блоков управления. Это ближний и дальний свет, противотуманное освещение, термометр внешней среды и кондиционер, тормоза и навигационная система, сенсор дождя и омыватель стекла, а также прочие не менее важные мелочи. Все эти механизмы функционируют в зависимости от дорожной ситуации. Так, на понижение температуры окружающей среды, лед или даже неожиданное появление масла на участке дороги автомобиль тут же отреагирует регулированием системы стабилизационного контроля (DSC) и скорости движения.

Еще одно неоспоримое преимущество системы XFCD заключается в возможности передачи сообщений напрямую другим автомобилям. Информация передается посредством Ad-hoc-сети всем автомобилям в ближайших окрестностях. Каждый автомобиль, в зависимости от ситуации, выполняет роль или отправителя, или получателя, или передатчика. Преимущество зарекомендовавшей себя технологии Multi-Hopping неоспоримо: Ad-hoc-сеть организуется автономно, обладает необходимой дальностью радиуса действия и не требует создания специальной инфраструктуры.

Система XFCD создана BMW Group в рамках концепта BMW ConnectedDrive. Основополагающая идея концепта - связывание воедино трех информаторов автомобильного движения "водитель - автомобиль - внешняя среда" посредством телекоммуникационных, онлайн и автомобильных вспомогательных систем ради безопасности движения.

Теперь понятно, что ключевой системой беспилотного автомобиля робота и ITS является интегрированная система, которая является бортовым компьютером, параметров движения и навигационной системой одновременно, постоянно связанным с себе подобными. Именно про датчики такого бортового компьютера пойдет далее речь.

А вообще вы уважаемый читатель можете с ходу объяснить что такое, и как работает«GPS навигация»? Сейчас разберёмся!

Навигационная система автомобиля.

Интегрированная навигационная система решает следующие задачи:

1. непрерывное определение координат в районах высотной городской застройки, в тоннелях, под мостами и путепроводами;

2. более точное счисление координат по сравнению с GPS, за счёт дополнительного оборудования;

3. счисление координат и курса транспортного средства без запаздывания;

Что такое GPS?

Работает система так: приемник ловит сигнал от 3 и более спутников, замеряет время задержки прохождения сигнала от каждого из них и автоматически рассчитывает свое местоположение - географические координаты: широту, долготу, а также высоту над уровнем моря. Эти данные процессор устройства соотносит с электронной картой, загруженной в память прибора. Благодаря этому пользователь видит на дисплее изображение географической карты, на которой показывается и двигается "точка" - это он сам со своим GPS-приемником.

В основе работы системы GPS лежит принцип спутниковой трилатерации. Согласно этому принципу, координаты объекта на поверхности Земли могут быть вычислены по измерениям расстояний до спутников. Поскольку положение КА в пространстве известно и расчетные значения параметров своих орбит спутники передают вместе с дальномерным кодом, то для объекта на поверхности Земли спутники являются пунктами с известными в любой момент времени координатами.

Если расстояние от одного спутника известно, тогда можно описать сферу заданного радиуса вокруг него. Например, если до спутника 22 000 километров, то мы находимся где-то на воображаемой сфере радиусом 22 000 километров. Если известно расстояние до двух спутников , то искомая точка местоположения будет находится на окружности, представляющей собой пересечение двух сфер. Следовательно, круг нашего поиска существенно сузился. Получив сигнал от третьего спутника, мы получаем третью сферу, пересечение которой с окружностью дает две точки. Остается только выбрать правильную точку. Обычно одна из точек - это неправдоподобное решение, т.к. она находится или внутри Земли, или слишком высоко над поверхностью, или движется слишком быстро. Вычислители GPS-приемников снабжены различными устройствами, автоматически определяющими истинное местоположение из двух возможных.

Таким образом, получив сигнал как минимум от трех спутников, мы можем вычислить координаты любой точки вблизи поверхности Земли. Чтобы проводить столь качественные вычисления, необходимо пользоваться очень точными часами, ведь расхождение во времени всего в 1 тысячную долю секунды даст ошибку местоположения около 300 км. На борту спутников установлены атомные часы. Каждый спутник имеет их в количестве 4, чтобы можно было гарантировать, что хотя бы одни работают обязательно. Способ измерения времени основан на атомном стандарте частоты, который обеспечивает ход бортовых часов спутника с наносекундной точностью. А это 0,000000001 секунды!

Большинство GPS-навигаторов способны принять сигнал одновременно от 12 спутников. Этого более чем достаточно для решения большинства задач. Однако в настоящее время в продаже появились 14- и даже 18-канальные приемники. Но одновременно принять сигнал даже от 12 спутников очень сложно. Для этого необходимо находиться на открытом месте, причем само спутниковое созвездие (то есть положение спутников на небосклоне) должно быть благоприятно. Принять же сигнал сразу от 18 спутников в настоящее время просто невозможно, так как часть из них скрыта и находится по другую сторону земного шара.

Система GPS содержит в себе три фундаментальных составляющих.

1. Космический сегмент представляет собой 24 спутника, находящихся на 6 различных круговых орбитах, которые расположены под углом 60 градусов друг к другу. Спутники движутся по орбитам радиусом 22 200 километров со скоростью 11 тысяч километров в час и совершают один оборот вокруг Земли за период, приблизительно равный 12 часам. Все они ежедневно повторяют свою траекторию с "опозданием" в 4 минуты.

Вес каждого спутника около 900 кг, размер более 5 м, включая солнечные батареи. На каждом спутнике установлены атомные часы, обеспечивающие высокую точность (10-9 сек), вычислительно кодирующее устройство и передатчики мощностью 50 Вт и 8 Вт, излучающие на частотах L1 = 1575,42 МГц и L2 = 1227,60 МГц.

В идеале в любой момент времени любая точка Земного шара находится в зоне видимости не менее трех спутников. Спутники можно "увидеть" даже на полюсах, правда они будут находиться низко над горизонтом, что влияет на точность измерений, но несущественно.

Справедливости ради стоит отметить, что есть все же "темные" области в высоких широтах, где одновременно может быть не более 2 спутников, что не позволяет определять координаты и нарушает работу приемника GPS. Однако такое положение дел длится лишь от 15 до 45 минут, в остальном система навигации GPS действительно глобальна.

2. Наземный сегмент контролируется Министерством Обороны США. Он состоит из пяти контрольно-измерительных станций, которые находятся на Гавайях, на Кваджалейне, на острове Вознесения, в Диего-Гарсия и Колорадо-Спрингс, четырех станций связи и центра управления всей системой, расположенного на авиабазе в Шривере, штат Колорадо.

Станции слежения непрерывно контролируют движение космических аппаратов и передают данные в центр управления. В центре вычисляют уточненные элементы спутниковых орбит и коэффициенты поправок шкал времени. Эти данные поступают по каналам станций связи на спутники не реже, чем один раз в сутки. 

3. GPS-приемник - третий сегмент системы навигации, который позиционируется и позволяет вычислять географические координаты на основе полученных данных.

Но, к сожалению, несмотря на все высокие технологии, примененные в GPS погрешности этой системы также глобальны и не могут быть использованы компьютером как основные данные для автоводителяя. Сам навигатор, по заявлениям производителей, определяет местоположение с точностью до 3-5 м. Однако очень многое тут зависит от числа спутников, которые "видят" прибор и, опять-таки, от электронных карт. Дело в том, что в России для гражданского использования разрешены карты масштабом не крупнее чем 1:1000, т. е. в 1 см карты - 1 км местности. На практике же это значит, что 100 м будут умещаться в 1 мм на экране.

Автомобиль видящий и коммуницирующий

Перечисленные выше уже созданные элементы автоматизации снимают технические проблемы управления агрегатами автомобиля. Остаются проблемы ориентации и взаимодействия с внешней средой. Для ориентации в пространстве могут использоваться разнообразные устройства, например, инфракрасные датчики, действующие на предельно близком расстоянии. Эти устройства хорошо известны. Менее известен так называемый «ладар», который иногда еще именуют «лидаром» от английского названия Light-Imaging Detection and Ranging. Сначала он использовался как прибор для измерения атмосферных характеристик дистанционным способом лазерного зондирования. Позже усилиями компании SICK ладар стал составной частью системы измерения дистанции (Laser Measurement Sensor, LMS). Идея ладара не оригинальна: LMS излучает несколько лучей и воспринимает отраженные данные. Лазеры монтируются в головке, вращающейся со скоростью несколько сотен оборотов в минуту. Наибольшая сложность заключается в том, что при движении по земле на коротких расстояниях с большой скоростью возникают большие угловые перемещения. Поэтому, несмотря на использование различного рода систем стабилизации и сложных подвесов, для обработки изображений в режиме реального времени требуется применение серьезной вычислительной мощности и соответствующего программного обеспечения. О масштабе решаемых задач можно судить по тому, например, что сканирующий ладар Velodyne's HDL-64E генерирует данные по 2,5 млн. точек в секунду и передает их в виде пакетов данных, используя Fast Ethernet.

Обладая в полной мере свойствами инерциальной навигационной системы с полным набором датчиков ориентации и перемещения (см рисунок), интегрированная система способна определять все параметры движения транспортного средства: угловые скорости, ускорения, ударные и вибрационные воздействия, перегрузки.

При этом в отличие от традиционных блоков датчиков движения в интегрированной системе реализован сложный математический аппарат пересчета воздействий в различные системы координат. Поэтому потребитель может использовать выходную информацию системы непосредственно для своих приложений без предварительной обработки.

Гироскопы для автомобильных навигационных систем

Как уже говорилось, все чаще в автомобили устанавливаются навигационные системы, предназначенные для ориентации в незнакомой водителю местности, поиска оптимального маршрута и т.д. Подавляющее большинство таких систем основано на системе глобального спутникового позиционирования (GPS). Однако такая система имеет существенный недостаток невозможность работы в зоне неуверенного приема сигнала со спутников, в условиях мегаполиса, в тоннелях, подземных гаражах и т.д. Иногда оказывается, что точность определения и отслеживания координат с использованием GPS недостаточна для работы системы в целом.

В этом случае на выручку GPS приходят различные дополнительные датчики, например гироскопические датчики, которые позволяют отследить скорость и направление перемещения автомобиля без участия спутниковых систем.

Компания Murata, активно занимающаяся вопросами разработок, представила на рынок новый гироскоп серии MEV-50A-R.

Принцип действия датчика основан на возникновении силы Кориолиса при повороте качающегося маятника вокруг оси качения. При этом возникает сила Кориолиса, перпендикулярная плоскости качения маятника. Датчик состоит из так называемой биморфной пластины. Биморфная пластина представляет собой две керамические пластины с разной поляризацией, соединенные вместе. На одну из пластин биморфа подается высокочастотное напряжение, под действием которого весь биморф приводится в колебательное движение. При этом со второй пластины снимается напряжение, которое возникает при ее колебании, вызванном колебаниями первой пластины. При повороте пластин вокруг своей оси возникает сила Кориолиса, которая изменяет характер колебаний керамических пластин и, соответственно, приводит к изменению напряжения, снимаемого со второй пластины. Далее, этот сигнал обрабатывается и на выходе гироскопического датчика получается напряжение, которое прямо пропорционально скорости поворота датчика вокруг рабочей оси. Эта техника измерения позволяет добиться пониженного значения шумов, по сравнению с существующими методиками, применяемыми в акселерометрах. В будущем компания Murata планирует добавить в гироскопы цифровую схему температурной компенсации. Для включения гироскопа в электрическую схему потребуется минимум внешних компонентов: 5В регулятор напряжения, АЦП (встроен в большинство современных микроконтроллеров), фильтрующий конденсатор и два резистора.

Радар

Второй датчик подразумевает использование радара, который работает по эффекту Доплера: устройство высылает радиоимпульсы, они отражаются от объекта и "летят" обратно. Затем компьютер вычисляет моментальную скорость объекта, к сожалению, с некоторой погрешностью. Согласно Закону об измерениях, при измерении скорости до 100 км/ч возможная погрешность составляет до 5 км/ч. Если же скорость объекта больше 100 км/ч, то погрешность измерений может составлять до 3 процентов.
Автор считает, что не стоит подробнее излагать возможные конструкции радаров, надеясь, что всем про это известно, тем более что следующий датчик схож по принципу действия, имеет более высокую точность и относительно недавно изобретён.

Ладар и лидар, два названия одного прибора.

Скорость можно также замерить ладаром, принцип работы которого похож на устройство обыкновенного лазерного дальномера. Для своих вычислений ладар берет за основу два местонахождения объекта и время, за которое он преодолел расстояние между ними. Далее компьютер делит расстояние на время и получает моментальную скорость. Стоит отметить, что если с радаром прицеливать не обязательно, то ладар необходимо направлять исключительно на номерной знак автомобиля, поскольку он является лучшим отражающим элементом на автомобиле.

LIDAR (англ. Light Detection and Ranging, лидамр) -- технология получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеивания в прозрачных и полупрозрачных средах.

Лидар как прибор представляет собой, как минимум, активный дальномер оптического диапазона. Сканирующие лидары в системах машинного зрения формируют двумерную или трёхмерную картину окружающего пространства. Устоявшийся перевод LIDAR как «лазерный радар» не вполне корректен, так как в системах ближнего радиуса действия (например, предназначенных для работы в помещениях), главные свойства лазера: когерентность, высокая плотность и мгновенная мощность излучения -- не востребованы, излучателями света в таких системах могут служить обычные светодиоды.

История создания.

В первой половине 1960-х годов, начались опыты по применению лидара с лазерным излучателями для исследования атмосферы.

В 1969 году лазерный дальномер и мишень, установленная на Аполлоне-11, применялся для измерения расстояния от Земли до Луны. Четыре мишени, доставленные на Луну тремя «Аполлонами» и «Луноходом-2», и по сей день используются для наблюдения за орбитой Луны.

В течение 70-х годов, с одной стороны, отлаживалась технология лазерных дальномеров и компактных полупроводниковых лазеров, а с другой -- были начаты исследования рассеяния лазерного луча в атмосфере. К началу 80-х годов эти исследования стали настолько известными в академических кругах США, что аббревиатура LIDAR стала именем нарицательным -- lidar, что зафиксировал словарь Уэбстера 1985 года. В те же годы лазерные дальномеры достигли стадии зрелой технологии (по крайней мере, в военных приложениях) и выделились в отдельную от лидаров отрасль техники.

Принцип действия

Принцип действия лидара не имеет больших отличий от радара: направленный луч источника излучения отражается от целей, возвращается к источнику и улавливается высокочувствительным приёмником (в случае лидара -- светочувствительным полупроводниковым прибором); время отклика обратно пропорционально расстоянию до цели. В отличие от радиоволн, эффективно отражающихся только от достаточно крупных металлических целей, световые волны подвержены рассеиванию в любых средах, в том числе в воздухе, поэтому возможно не только определять расстояние до непрозрачных (отражающих свет) дискретных целей, но и фиксировать интенсивность рассеивания света в прозрачных средах. Возвращающийся отражённый сигнал проходит через ту же рассеивающую среду, что и луч от источника, подвергается вторичному рассеиванию, поэтому восстановление действительных параметров распределённой оптической среды -- достаточно сложная задача, решаемая как аналитическими, так и эвристическими методами. В устройствах ближнего радиуса действия вместо коротких импульсов может использоваться непрерывная амплитудная модуляция излучения переменным напряжением с частотой в единицы мегагерц.

Инфракрасный датчик движения

Датчик, обнаруживающий перемещение каких-либо объектов.

Принцип работы основан на отслеживании уровня ИК - излучения в поле зрения датчика (как правило, пироэлектрического). Сигнал на выходе датчика монотонно зависит от уровня ИК излучения, усредненного по полю зрения датчика. При появлении человека (или другого массивного объекта с температурой большей, чем температура фона) на выходе пироэлектрического датчика повышается напряжение. Этот скачёк и является сигналом для включения нагрузки датчика движения. Датчик обнаруживает только изменения ИК фона, то есть неподвижный объект не будет обнаружен.

Ограничения

Инфракрасный датчик прост и надёжен по конструкции, но его применение в системах автоматического управления связано с некоторыми проблемами. Так, например, в поле зрения датчика не должен попадать уровень земли (дорожного покрытия), и зона действия не должна превышать 3 метров иначе система постоянно будет регистрировать различные помехи, в том числе и естественные.

Ультразвуковой датчик

Основной элемент активного круиз-контроля - ультразвуковой датчик, установленный в переднем бампере или за радиаторной решеткой автомобиля. Его принцип работы аналогичен датчикам парковочного радара, только радиус действия составляет несколько сотен метров, а угол охвата, наоборот, ограничен несколькими градусами. Посылая ультразвуковой сигнал, датчик ждет ответа. Если луч нашел пр