CC BY
122
УДК 002.001; 002:001.8; 621.37/.39:658.286
ТЕХНОЛОГИЯ X-by-WIRE ТА МЕХАТРОН1ЗАЦ1Я АВТОТРАНСПОРТНИХ ЗАСОБ1В
В.О. Алекс1ев, к.т.н., ХНАДУ
Анотаця. Розглянуто основнi визначення та узагальнення проблеми мехатротзаци автотранспортних засобiв.
Ключовi слова: мехатронка, автомобшьний транспорт, обчислювальна мережа, бортовий обчислювальний комплекс.
Вступ
Сьогодш завдяки широкому застосуванню на автотранспорт результатiв комплексних дослiджень, що знаходяться на стику шженерно! мехашки, електронiки та iнформацiйних технологiй на, можна визначити спецiальний напрям розвитку ще! галузi науки - автомобшьну мехатронiку (automotive mechatronics).
Зпдно з [1] визначимо основш складовi автомоб№них мехатронних об'ектiв та систем, як синергетичне об'еднання вузлiв точно! мехашки з електронними, електротехшчними i
комп'ютерними компонентами. Мехатронна система е цшьовою упорядкованою множиною агрегатiв iз упорядкованими зв'язками, що динамiчно функцiонують в час i просторi та взаемодшть iз середовищем як едине цше. Прикладами можуть служити гнучк1 виробничi системи або сучаснi автомобiлi (наприклад, Мерседес SW220 - е мехатронною системою, що мютить до 40 керуючих агрегатiв).
Для автомобшьно! галузi можна стверджувати, що автомобiльна мехатронна система (automotive mechatronic system) - спещальна упорядкована множина агрегатiв, яш умонтовуються в автомобiль як сукупшсть електромеханiчних, електрон них та мжропроцесорних приладiв та пристро1в, якi забезпечують його рух. Об'еднують цi прилади та пристро! вiдповiднi технологи: електронш, iнформацiйнi та нова технологiя, яка називаеться технолопею X-by-Wire.
Анал1з публжацш та постановка задач1
Мехатроннi технологи (mechatronics technologies) стають узагальнюючим поняттям. Це iнформацiйнi технологи керування рухом, тобто реалiзацiя за допомогою шформацшних технологiй складних законiв виконавчих рухiв, що за тими або шшими причинами не могли бути реалiзованi ранiше. Наприклад, iнтелектуалiзацiя транспортних машин та систем за допомогою визначених технологш дозволяе створити принципово нову транспортну технологию керування рухом громадського транспорту та оптимiзувати маршрутну мережу великого мюта зпдно з результатами, що отримаш у дослвдженнях з iнтелектуалiзацil систем управлiння транспортом великого мюта [2-4].
До мехатронних технологiй, перш за все, слад ввднести так звану технологш X-by-Wire [5]. Зараз не мае термшолопчного аналога цьому визначенню. Однак, згвдно з простим перекладом «управлшня по дроту» можна стверджувати, що це сучасна автомоб№на електронна технологiя. Розглянемо таку технологш як основу мехатрошзацп транспортних засобiв у розумiннi, що визначено у дослвдженш [6].
Технолог1я X-by-Wire
Технолопя X-by-Wire пропонуеться для розробки електронних систем забезпечення безпеки на автомобш без використання механiчних систем резервування. Щд лiтерою «X» у «X-by-Wire» розумшться системи забезпечення безпеки, наприклад, рульове керування (steering), гальмування (braking), автоматична трансмiсiя (power train control), управлшня шдвккою (suspension control), або системи подушок-безпеки (multi-airbag systems). На прикладi (рис. 1)
системи забезпечення керування автомобшем -Steering-by-Wire - можна зрозумiти концепцш «управлшня по дротах» (http://
www.vmars.tuwien.ac.at/ projects/ xbywire/ projects/ tuwien.html. X-By-Wire. Safety Related Fault Tolerant Systems in Vehicles. Final Report. Project No. BE 95/1329. Authors: X-By-Wire Team., 1998). На рисунку мжроконтроллерш системи позначеш символами «цС» - ввд скорочення мiкроконтролер (microcontroller). Всi системи об'еднуе послiдовна шина передачi даних (вона може резервуватися). Зараз як шину передачi даних на автомобiлях частше використовують iнтерфейс CAN (Controller Area Network). Але в продовження технологи X-by-Wire, де розглядаеться управлшня мереж контролерiв тiльки в обмеженш певно! системи, можна запропонувати об'еднання вах мереж систем X-By-Wire на автомобш до едино!. Це дасть можливють розглядати автомобiль дiйсно як мережевий транспортний засiб (Network Vehicle). Але на рiвнi сучасних технологш можна говорити тiльки про передачу телеметричних даних вiд системи до системи. Це визначаеться складшстю оргашзацп взаемодii iнформацiйно-керуючих потоков та необхвдшстю надання найвищого рiвня безпеки для людей, що будуть експлуатувати цей транспортний зааб, та навколишнього середовища.
Таким чином, мехатронш системи, що базуються на реалiзацii технологii X-by-Wiгe, призначенi для виршення задач пiдтримки безпеки на автомобш та стають пiдставою для впровадження мережевих транспортних засобiв. Саме технологiя X-by-Wire е рiзновидом iнформацiйноi та електронноi' технологiй для оргашзацп сумiсноi' роботи авгомобiльних приладiв та пристроiв.
Мехатрошзащя транспортних засоб1в
Вщмшною рисою будь-якоi мехатронно1' системи е те, що вона спрямована на удосконалювання робочих процесiв машин i механiзмiв, що призначенi для реалiзацii механiчних технологiй [6]. Для транспортного засобу - це процес перемщення в просторi. Для автомобiля - рух по автомобшнш дорозi (транспортнш комунiкацii) з метою перевезення людей i вантажiв. Механiчне пересування транспортного засобу, робота його механiзмiв та агрегапв е неможливим без використання електронних технологiй. Особливо це стосуеться до сучасних транспортних засобiв, у яких робота рiзних агрегатiв i вузлiв пов'язана з використанням електричних, електромеханiчних i електронних приладiв та пристро1'в.
Процеси взаемодй' механiчних i електричних пристро!в поеднуються механiчною та електронною технологiями [7]. Ця взаемодiя грунтуеться на реалiзацii' процесiв керування та застосуванш обчислювальних пристро!в i мiкрокомп'ютерiв. Практичне поеднання механiчних i електронних технологiй знаходить свое мюце в iнформацiйнiй технологи керування агрегатами, шдсистемами i ланками транспортних засобiв. Так, бортовий обчислювальний комплекс сучасного автомобшя (АБОК) дозволяе визначити необхвдт термiни обслуговування його вузлiв i агрегатiв, забезпечуе дiагностику вiдповiдноi транспортно! машини. Маршрутний комп'ютер i нав^ацшна система, що входять до складу сучасного АБОК, дозволяють рацiонально керувати рухом автомоб™.
Рис. 1. Рульове керування (Steer-by-Wire)
Впровадження на автомобiльному транспорт телематики - поеднання засобiв зв'язку та шформацшних технологiй, елементiв, тдсистем та ланок мехатронних систем е процес мехатронiзацii. Його змiст - це оснащения юнуючих транспортних засобiв новими електронними приладами. Таке часткове реконструювання транспортних засобiв дозволяе швидко модернiзувати iснуючi автомобiлi i створити новi мехатроннi траиспортнi системи. Це - своерщний перехщний процес до дшсно! мехатрошзаци транспортних засобiв i систем. Можна стверджувати, що мехатрошза^
транспортних 3aco6iB основана на створенш автомоб№них телематичних систем у складi АБОК.
На даному етапi мехатрошзацп транспортних засобiв виправдано створювати такi системи не пльки засобами промислового виробництва, але й на базi експериментального. Практично такi системи знаходять свое застосування, насамперед, для оснащення спещальних автомобiлiв, наприклад, базових транспортних засобiв пересувних випробувальних лабораторiй, що використовують таке нестандартне устаткування для концептуальних реалiзацiй
експериментальних автомобiлiв. До цього слщ додати, що розвиток процесу мехатрошзацп йде паралельно iнтелектуалiзацil транспортних машин та систем. Iнтелектуалiзацiя також базуеться н а шформатищ та застосуваннi АБОК в думаючих (Smart) автомобiлях. Слiд вiдмiтити, що в об'еднанш рiзних технологiй розглядаються не тiльки електроннi, а бшьш загальнi електричнi компоненти. Це пов'язано з тим, що в мехатрошщ велику роль вiдiграе не тшьки аналiз керуючих процесiв, але й робота електричних виконавчих механiзмiв.
Мережева структура
Мережева структура мехатронних систем пов'язана зi складнiстю та громiздкiстю електрично! проводки сучасних мобiльних комплекав i великою кiлькiстю виводiв електронних блоков керування. Тому, для ршення цих задач варто застосовувати мультиплексну систему, наприклад мережу CAN, що запропоновано фiрмою Bosch для побудови мереж мiкроконтроллерiв на автомобiлi. Найбшьш перспективним е розробка i побудова автомоб№них мехатронних систем на основi розподiлених мереж мiкроконтроллерiв (CAN-технолопя). Ця технологiя забезпечуе як високу завадостшшсть та пропускну спроможнiсть каналу зв'язку (до 1 Мбiт/с), так i високу надiйнiсть цiлiсностi пакету даних, що передаються по цш шинi. Зараз технологш шини CAN використовують для забезпечення надшно! роботи основних вузлiв автотранспортних засобiв (наприклад, керування ходовою частиною та двигуном внутршнього згоряння), а також систем забезпечення безпеки водiя та пасажирiв (наприклад, системи подушок безпеки) [8]. Такому поширенню безумовно сприяе реалiзацiя у мiкроконтролерах на апаратному рiвнi iнтерфейсу CAN (наприклад, http://atmel.com/ products/ can/).
Для реалiзацil електронних систем управлшня та контролю, що забезпечують комфортнi умови для водiя при керуванш автомобiлем (керування склоочищувачем, склошдйомниками, пристроями пiдтримки мiкроклiмату в салош та iн.), а також для реалзацй систем забезпечення комфорту
пасажирiв noTpi6Ha дешева реалiзацiя каналу передачi даних. В таких системах набула поширення мережа LIN (Local Interconnect Network), що мае максимальну швидшсть передачi даних 20 K6iT/c (http://www.lin-subbus.org). З iншого боку для систем забезпечення комфорту пасажирiв та водiя (наприклад для впровадження мереж мiж системами телематики: вiдео-дисплей, GPS-приймач, GSM-телефон, DVD-програвач, видеокамера та ш.) потрiбна надшвидкiсна шина передачi даних. Для таких систем використовують, наприклад, мережу MOST (Media Oriented Systems Transport), де середовищем передачi даних е оптоволокно (http:// www.mostcooperation. com). Також для таких систем е перспективним використання бездротових технологш, наприклад, Bluetooth та iншi (http:// www.electronics.ru/ pdf/ 7_2003/03.pdf).
Таким чином, можна визначити iерархiю використання мереж: LIN-CAN-MOST. Однак, для реалiзацii майбутшх систем X-by-Wire потужностей CAN замало, а оптичне середовище передачi даних зараз е дорогим ршенням, тому було запропоновано технологш FlexRay, що забезпечуе швидюсну та надшну передачу даних зi швидкiстю до 10 Мбгт/с (http://www.flexray.com). Прикладом реалiзацii тако! мережi е повний X-by-Wire концепт-автомобiль Sequel фiрми General Motors (http:// www.dspace.de/ shared/ data/ pdf/ dSPACE_ NEWS/ dSPACENews 2006-1_ General_ Motors_ en_a309. pdf).
Висновки
Методолопя мехатрошзацп е окремим випадком системного подходу до створення складних об'екпв та систем. Технологiя X-by-Wire е сучасним тдходом до модульного проектування автомобiльних мехатронних систем. Ця технолопя базуеться на використаннi iнформацiйних мереж мiж контроллерами управл1ння (мехатроннi модут) та реестрацп даних (iнтелектуальнi сенсори) рiзних систем на автомобiлi. Одшею з перспективних мережевих технологiй е FlexRay, яка забезпечуе бшьш надшну та швидшсну передачу даних шж CAN-технологiями та стае основою впровадження концепцп X-by-Wire. Таким чином, на сучасному автомобiлi можуть взаемодiяти LIN-CAN-FlexRay-MOST мереж1. За аналопею [9] можна стверджувати, що автомобшь отримуе цифрову нервову систему (Digital Nervous System), де середовищем передачi даних е мережа контроллерiв, а ii центр - водiй, який отримуе потiк оперативно! iнформацil про стан автомобшя та середовище руху, що дозволяе йому своечасно реагувати на поди та надае бiльш комфортних умов керування.
Лггература
1. Шалобаев Е.В. Теоретические и практические
проблемы развития мехатроники // Современные технологии, СПб, 2001.- C. 4667. http:// ysa.ifmo.ru/ ysa/ PUBLICATIONS/ BOOK004/ paper013.pdf
2. Horowitz R. Automated Highway systems //
Transportation systems, IFAC Symposium, Chania, Greece, 1997. - P. 452-463.
3. Алексеев В.О., Костюченко С.М. Интеллектуальная технология организации движения транспортных средств // Автомобильный транспорт. - 2002. - Вып. 10. - С.95-97.
4. Теленик С.Ф., Гученко Н.И., Алексеев О.П.
Интеллектуализация транспортных
технологий // Вестник ХНАДУ - 2003. -Вып. 20. - С.84-86.
5. Иванов В.Г., Бутылин В.Г.Х-by-Wire идеология
авомобильной мехатроники // Мехатроника
- 2001. - №7. - С. 16-21.
6. Исии Т., Симояма И., Иноуэ X. и др.
Мехатроника. - М.: Мир, 1988. - 318 с.
7. Алекаев В.О., Волков В.П., Калмиков В.1.
Мехатрошка транспортних засобiв. - Харшв: ХНАДУ, 2004. - 176 с.
8. Охрименко В. Сеть LIN // Электронные
компоненты и системы. - К.: VD MAIS. -2003. - №4 (68). - С.14-20.
9. Гейтс Б. Бизнес со скоростью мысли. - Изд.
2-е, испр. - М.: Изд-во ЭКСМО-Пресс, 2001.
- 480 с.
Рецензент: О.В. Бажинов, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надшшла до редакцп 4 квггня 2006 р.
