CC BY
245Актуальные технологии и применения датчиков
автомобильных систем активной безопасности.
Часть 1. Новые технологии и применения датчиков автомобильных систем помощи водителю
Светлана СЫСОЕВА
В данной статье рассказывается о современных технологиях активной автомобильной безопасности — наиболее быстроразвивающегося сегмента рынка автомобильных датчиков и систем на их основе.
Введение
Совсем недавно, в XX веке и на рубеже тысячелетия, автомобильная безопасность ассоциировалась обычно только с пассивными системами защиты пассажиров при авариях, которые включали подушки безопасности и пристяжные ремни для уменьшения риска или серьезности травм. Это направление остается важнейшим в сфере обеспечения безопасности, но в XXI веке пассивные системы все более дополняются активными системами безопасности, известными, например, как АБС, ESP, TPMS, ACC, LWD, LKA, LCA. Активные системы помогают избегать аварий за счет предупреждения водителя об опасной ситуации или частичного или полного вмешательства в управление автомобилем посредством осуществления интеллектуальных функций, выполняя их быстрее и качественнее, чем высококвалифицированный водитель. В критических ситуациях вождения активные системы помогают водителю в управлении, поэтому многие из них получили название систем помощи водителю (СПВ), или Driver Assistance System (DAS).
Развитие технологий датчиков и микроконтроллеров приблизили распространение интеллектуальных систем безопасности, к которым относятся системы помощи водителю. Современные интеллектуальные ИС датчиков позволяют комбинировать сенсорные функции с обработкой сигнала и выполнять предварительное преобразование данных, что снижает нагрузку на централизованную систему и значительно снижает ее цену.
В своем стремлении обеспечить конкурентноспособность своих автомобилей автомобильные производители поддерживают передовые сенсорные технологии, закладывая их в свои автомобили верхнего рыночного сег-
мента, вслед за чем они мигрируют в большинство стандартных автомобилей среднего ценового класса и распространяются повсеместно.
Как известно, системы автомобильной безопасности — крупнейший сегмент рынка для сбыта датчиков инерции: акселерометров и гироскопов, датчиков положения пассажиров и скорости колес, обнаружения внешних и внутренних объектов и давления накачки шин [1]. Наиболее быстрорастущий сектор рынка датчиков в этом сегменте — это системы предотвращения или предупреждения аварий, включающие датчики давления шин и систем помощи водителю.
Помимо широко известных АБС, ESP и TPMS, новые технологии систем помощи водителю включают обеспечение безопасного шоссейного движения автомобиля, помощь в различных дорожных условиях — плотного трафика, остановках и стартах при заторах, различных условиях освещенности, при парковке и смене полосы. С этой целью используются радарные, лазерные, ультразвуковые датчики, видеодатчики, тепловые камеры, а также датчики дождя, света и цвета [2-6].
Датчики систем помощи водителю — сферы применения радаров, лидаров, сканеров, камер и других типов датчиков
Основные системы помощи водителю включают (рис. 1):
• Системы переднего обозрения:
- Адаптивный круиз-контроль (ACC) (рис. 1а-г), включая расширенные функции:
- полноскоростной ACC (до полной остановки скорости 0 км/ч);
- функция Stop and Go: вмешательство в систему управления двигателем
и торможения для завершения остановки и старта в условиях затора;
- помощь в удержании автомобиля на выбранной полосе Lane Keeping Support (LKS).
- Обнаружение, предотвращение или смягчений аварий (например, система поддержки водителя при риске фронтальной аварии Bosch): адаптивное торможение и активация пассивных систем безопасности, предупреждение водителя, максимальное полное торможение (рис. 1д-е).
- Обнаружение и защита пешеходов (рис. 1ж).
- Системы мониторинга полосы и предупреждения о непреднамеренном уходе с полосы Lane Departure Warning (LDW) systems (рис. 1г, з).
• Обнаружение дорожных знаков, мониторинг скоростных ограничений (рис. 1и).
• Системы заднего зрения:
- помощь при парковке: нахождение подходящего места и сопровождение парковки (рис. 1к-л);
- помощь при заднем ходе, предотвращение столкновений (рис. 1л);
- обнаружение сзади идущих транспортных средств.
• Помощь в преднамеренном уходе с полосы Lane Change Assistant (LCA).
• Мониторинг критических точек blind spot боковыми, угловыми и задними камерами (рис. 1м).
• Системы ночного зрения и в условиях плохой видимости (рис. 1н).
• Мониторинг интерьера автомобиля (рис. 1о):
- распознавание и классификация пассажиров;
- обнаружение детского сиденья;
- наблюдение положения пассажиров (рис. 1п).
Расстояние, определяемое радаром 24,6 м
Объект,
идентифицируемый
радаром,
юдтвержденныи видео видеодатчиком
Разметка Необработанный
границ полосы, объект
идентифицируемая (значительно уделенный
или скрытый)
,—і Радар длинного ^—I диапазона (ЮР)
[Ш Видеокамера
Расширенная система торможения
□
Н
- CAN
i-і Обращаемый 1-1 натяжитель ремня
i\ _ * ■1> ——~
—»А ^4 дьДь
Рис. 1. Технологии автомобильных систем помощи водителю
а — иллюстрация работы полноскоростного адаптивного круиз-контроля Continental; б — модуль ACC Continental, основанный на лидарах;
в — основные датчики систем помощи водителю Bosch: радар, видеодатчик, ультразвуковой датчик; г — комбинация видеодатчиков и радаров полноскоростного ACC Bosch для наблюдения объектов и полосы;
д, е — система поддержки водителя в случае предсказывания фронтальной аварии Predictive Safety Systems (PPS) Bosch: д— иллюстрация принципа работы; е— основные компоненты PPS; ж — иллюстрация концепции защиты пешеходов от SiemensVDO;
з — принцип удержания автомобиля в выбранной полосе с помощью камер (иллюстрация Continental); и — обнаружение дорожных знаков (графический материал Melexis);
к— дисплейная индикация работы системы поиска подходящего места для парковки SiemensVDO; л — защита от ударов о препятствия при парковке с системой Bosch Parkpilot; м — мониторинг критических точек blind spot (иллюстрация Valeo Raytheon); н — система ночного зрения Siemens VDO;
о — обнаружение и наблюдение положения пассажиров (иллюстрация Melexis);
п — тепловые камеры MLX90247 Melexis для наблюдения положения пассажиров и применения в системах зрения в плохих условиях видимости
Рис. 2. Автомобильные датчики расстояний — радары диапазона более 100 м для ACC и лидары а — радар Continental для автомобилей Mersedes S-Class ; б — ACC Continental, основанный на радарах; в, г — радар ACC Bosch; в — внешний вид;
г — модульные компоненты ACC Bosch — датчик-радар и электронный блок; д — 77-гигагерцовый 3-лучевой радар Tyco Electronics; е — миллиметровый радарный датчик Mitsubishi;
ж — Precrach sensor (Closing velocity) Continental — лазерная микрооптическая система для обнаружения препятствий (в том числе пешеходов), детектирования расстояния и дифференциальной скорости; з — лидары компании Omron Automotive; и — лидар ACC Hella; к — принцип работы лидара ACC Hella;
л— новое семейство инфракрасных датчиков Continental Automotive Systems
Адаптивный круиз-контроль (ACC) представляет собой систему контроля расстояния до впереди идущего транспортного средства, основанную на функциях обычного круиз-контроля, сводившихся к поддержке постоянной скорости управляемого автомобиля. Увеличивающаяся плотность трафика в урбанизированных регионах делает невозможной езду на постоянной скорости в течение длительного времени — водителю пришлось бы слишком часто отвлекаться на установку новых значений скорости, если какой-то впереди идущий автомобиль ускоряется, замедляется, сходит с полосы, или новый автомобиль входит на полосу.
Адаптивный круиз-контроль решает проблемы обычного круиз-контроля: необходимо установить желаемую скорость езды в пределах 0-200 км/ч (в полноскоростном варианте), при этом ACC будет поддерживать безопасное расстояние до впереди идущего автомобиля. Если другой автомобиль войдет на выбранную полосу движения, управляе-
мая машина автоматически замедляется, если впереди идущий автомобиль уходит с полосы, управляемый автомобиль увеличивает скорость до значения, установленного водителем.
Наиболее важный компонент ACC — датчик расстояния или радар расстояния, который измеряет расстояние и относительную скорость транспортных средств, идущих впереди управляемого автомобиля, и отслеживает машины, следующие по выбранной полосе. Дополнительная входная информация ACC поступает от датчика скорости автомобиля и датчика угловой скорости yaw rate sensor. ECU по сигналам от ACC или датчика расстояния определяет параметры двигателя и контролирует положение дроссельной заслонки.
Датчики расстояния реагируют на изменения в дорожных условиях и сокращение расстояния до впереди идущей машины значительно быстрее, чем водитель; по сигналам этих датчиков система управления, например, автоматически прикладывает торможение для
предотвращения столкновений или осуществляет другие функции. ACC Continental в подобных ситуациях автоматически уменьшает крутящий момент двигателя или прикладывает торможение с усилием в 0,3 g, а если этого оказывается недостаточно, подает предупреждающий сигнал водителю о необходимости торможения.
Коммуникация датчика расстояния с модулем ACC и другими автомобильными системными компонентами осуществляется обычно по шине CAN.
Датчики расстояния могут быть как радарами, так и лидарами.
Radar, или Radio Detection and Ranging, излучает электромагнитные волны на объект и получает сигнал — эхо, по времени возвращения которого рассчитывается расстояние до объекта. Радары характеризуются дальностью действия, широкой областью обзора, высоким разрешением, способностью работать в сложных погодных условиях. Вследствие своей высокой цены радары обычно применяются в автомобилях верхнего рыночного сегмента. Например, автомобиль Mersedes S-Class с 1999 года использует радар компании Continental (рис. 2а, б), в новых автомобилях Ford Galaxy и S-MAX предлагается Forewarn Smart Cruise Control Delphi с радарами. Стандартная дальность действия радара ACC дальнего действия с рабочей частотой 77 ГГц — более 120-150 м (до 200 м), (например, радара Bosch, показанного на рис. 2в, г).
С конца 2004 года Continental серийно выпускает радары с тремя лучами. Третье поколение датчиков основано на многолучевом подходе, что ведет к повышению разрешения и захвата как короткого, так и длинного диапазона.
Система ACC Elesys использует миллиметровый волновой радар Millimeter Wave Radar (MWR), рабочая частота MWR датчика — 76 ГГц. Частота радара Tyco Electronics (рис. 2д) — 77 ГГц, дальность действия — 150 м. Компания Mitsubishi Electric разрабатывает миллиметровый радар, работающий на частоте 76,5 ГГц, с максимальным диапазоном детектирования до 120 м и разрешением в 1км/ч (рис. 2е). Относительная скорость 100-200 км/ч.
Преимущество радаров над лидарами состоит в том, что первые в теории не подвержены влиянию осадков и обладают большей надежностью.
Лидар — датчик, полностью аналогичный радару, за исключением того, что вместо радиоволн применяется инфракрасный лазерный луч, за счет чего обеспечивается стоимостная эффективность. Лидары выпускаются и используются, например, компаниями Continental, Omron Automotive, Hella (рис. 2ж-л, 1б). Как и радары, лидары характеризуются дальностью (150-200 м), широкой областью обзора, высокой точностью (1%), разрешением (0, 1м), значительной устойчивостью к загрязнениям и условиям освещения.
Рис. 3. Примеры автомобильных датчиков и систем короткого диапазона — 24-гигагерцовые радары а — радарная система полноскоростного ACC Continental; б — радар короткого диапазона (до 20 м) Macom (Tyco Electronics); в — многолучевой радар Valeo диапазона 0,5—60 м;
г — ACC c 24-гигагерцовой технологией Hella для детектирования диапазона до 120 м; д — радарная система помощи при смене полосы Lane Change Assistant (LCA) Hella
Принцип оптоэлектронной измерительной технологии под названием Light Detecting And Ranging (LIDAR) представляет собой форму измерения расстояния, согласно которой определяется время, необходимое для полета лазерного луча до цели и обратно. Передается короткий световой инфракрасный импульс, отраженный импульс регистрируется посредством электронного блока. Например, система Hella для оценки ситуации использует 16 лучей (рис. 2к). Затем производится ранжирование — вычисление расстояния, скорости и относительного положения транспортного средства, идущего впереди управляемого автомобиля, который автоматически адаптируется к условиям трафика, используя торможение или изменяя параметры управления двигателем [2].
Компания Continental Automotive Systems одновременно с радарами разработала новое семейство инфракрасных датчиков (рис. 2л).
Другие входные переменные ACC — скорость управляемого транспортного средства, радиус кривой, определяемый посредством датчиков скорости колес, угол поворота руля, боковое ускорение или угловая скорость рыскания. Модуль ACC в соответствии с входной информацией управляет двигателем, тормозами и автоматической коробкой передач и другими системами. ACC компании Bosch, например, определяет курс автомобиля при помощи датчика yaw-rate и угла поворота руля, а также (автоматически) — до какого автомобиля поддерживать дистанцию.
В будущем востребованы системы, которые обеспечат водителю еще большее удобство в управлении и гарантию большей безопасности. Автомобильные применения требуют надежных, прочных и быстрых датчиков
с высоким разрешением, способных работать в любых окружающих условиях.
Относительно новое направление в системах адаптивного круиз-контроля — комбинирование датчиков короткого и длинного диапазонов.
Благодаря использованию датчиков короткого диапазона в новых системах стало возможным реализовывать замедление автомобиля вплоть до полной остановки, а не до 30 км/ч, как осуществлялось в ранних системах ACC Continental или Bosch.
Дополнительно к датчику расстояния, новая система ACC Continental, выпуск которой начат в 2005 году, включает два 24-ги-гагерцовых датчика близости короткого диапазона, которые могут обеспечить полную остановку автомобиля, если это необходимо, и удерживать его на месте, поддерживая давление тормозов (рис. 3а). Система будет определять любое движение впереди стоящего (идущего) автомобиля и вырабатывать предупреждающий сигнал для водителя. Для возобновления движения водитель может использовать акселератор или ручную кнопку (расширенная функция ACC Stop&Go).
Когда автомобиль достигает полной остановки, реализуется другой удобный признак ACC Continental: давление в тормозной системе поддерживается, обеспечивая удержание автомобиля в надежном положении даже на возвышенности без вмешательства водителя. Осуществление данной функции реализуется, сопровождаемое индикацией сообщения на приборной панели, и продолжается до получения информации о намерении водителя прервать ее выполнение или до момента изменения условий трафика.
Continental и далее развивает данную функцию для случаев остановки на возвышенности, обеспечивая водителю помощь при старте. Дополнительный признак, напоминающий hill-holder, предлагаемый в автомобилях Студебеккер в 1960-х, позволяет при остановке на наклонах предотвратить движение машины назад. Датчики скорости колеса и направления обнаруживают любое движение назад. Давление в тормозном цилиндре поддерживается на необходимом уровне даже после того, как педаль тормоза будет отпущена водителем, и гарантирует, что машина остается на месте. Как только водитель приложит газ, тормоз будет отпущен автоматически, без привлечения внимания к этому со стороны водителя при смене педалей [4].
Другая функция безопасности, разработанная и реализованная Continental, использует датчики ACC для снижения расстояний при остановках и предотвращения аварий или смягчения ударов до 50%. Она доступна даже при отключении модуля ACC. В случае если датчики короткого диапазона определяют критическое расстояние до впереди идущего (стоящего) транспортного средства, давление в тормозной системе усиливается и полная мощность торможения прикладывается с высокой скоростью. Эта функция особенно актуальна для малых автомобилей.
Компания Macom (Tyco Electronics) разработала 24-гигагерцовый радар (рис. 3б), который детектирует объекты на расстояниях до 20 м, компания Valeo Raytheon выпускает многолучевой радар для ACC, функционирующий в диапазоне 0,5-60 м (рис. 3в). Первоначальное применение этого датчика, как ACC, так и системы помощи при смене полосы LCA Hella (рис. 3г-д), предполагалось для мониторинга критических точек blind spot, а затем распространилось на осуществление функции Stop&Go.
Для того чтобы осуществить расширение ACC до анализа ситуаций заторов, Hella использует в системах ACC лазерные сканеры Alasca (рис. 4а-в), которые позволяют с высокой точностью обнаруживать объекты в коротком и среднем диапазоне. В этих ситуациях необходимо наблюдать окружающее пространство вплоть до нескольких сантиметров, даже при полной остановке управляемого автомобиля [2].
Вращающийся инфракрасный (IR) луч позволяет определить контуры объектов, окружающих автомобиль. Данные, получаемые посредством измерения времени полета луча, позволяют обнаруживать и классифицировать объекты, расстояние, скорость, направление и ускорение объектов и, при необходимости, прикладывать торможение или активизировать системы управления двигателем.
Принцип действия датчика проиллюстрирован рис. 4в. IR-диод-трансмиттер генерирует короткий световой импульс, вращающееся зеркало передает луч на цель. Фотодиод получает луч, отраженный от цели. По времени
Двигатель с угловым энкодером
Рис. 4. Автомобильный лазерный сканер Alasca систем ACC Hella а — внешний вид;
б — принцип сканирования объектов датчиком Alasca; в — конструкция и принцип действия датчика
полета рассчитывается расстояние до объекта. Угловой энкодер на приводе зеркала поставляет информацию об угловом разрешении. Затем производится дальнейшее вычисление скорости объекта и ускорения.
Диапазон детектирования датчика ограничивается выбором места для его инсталляции. При этом вертикальное расхождение луча адаптируется к углу продольного крена машины, так чтобы гарантировать обнаружение машин на переднем плане даже при условии вертикального перемещения автомобиля.
Существуют различные применения этого датчика — для реализации расширенного признака полноскоростного ACC, функции Stop and Go (помощи при остановке и старте, например, при заторах), обнаружения пешеходов или помощи при парковке.
Bosch в полноскоростном ACC применяет комбинацию радаров дальнего действия с видеокамерами (рис. 1в-г). Видеодатчики способны детектировать переменную область обзора — от нескольких сантиметров до 80 м и более, крупные и малые объекты, такие как
Рис. 5. Датчики и системы помощи при парковке автомобиля а — камера заднего вида Hella;
б — показ траектории парковки с системой Hella на дисплее со вставленными искусственными линиями; в — ультразвуковой датчик Bosch для систем помощи парковки;
г — система Parking Assistant от Bosch с ультразвуковыми датчиками и лазерным сканером для тестирования функциональности системы; д — ультразвуковой датчик Mitsubishi; е — ультразвуковая система парковки Valeo 4-го поколения
автомобили, препятствия, пешеходы, дорожные знаки, разметка полосы, предоставляя для обработки черно-белую или цветную информацию.
Bosch разрабатывает ACC как часть системы предсказывания фронтальных аварийных ситуаций Predictive Safety Systems (PPS) (рис. 1д-е), которая использует радары ACC и видеодатчики для инициирования соответствующих мер безопасности. Система PPS осу-
ществляет профилактические функции защиты пассажиров, если авария неизбежна, и помощи водителю — для избежания возможных столкновений посредством активного вмешательства в работу автомобильных систем.
Датчики короткого диапазона удобно применять при парковке автомобиля (рис. 5). Область непосредственно за транспортным средством не видна водителю. Взгляд через плечо или зеркала заднего вида недо-
© ©
Рис. 6. Система контроля динамики автомобиля ESP Bosch
а — функциональность и компоненты системы ESP Bosch: 1 — ESP — гидравлический блок с интегрированным ECU, 2 — датчики скорости колеса, 3 — датчик угла поворота руля, 4 — датчик курса yaw rate sensor с интегрированным датчиком ускорения, 5 — ECU (управление двигателем) — для коммуникации; б — внешний вид основных компонентов системы ESP Bosch — гидравлический блок, датчики скорости колес, угла поворота руля, угловой скорости курса и ускорения; в, г — ESC II Continental — первая система с вмешательством рулевого управления; в — внешний вид;
г — функциональность и основные компоненты системы: 1 — гидравлический блок ECU с датчиками для контроля давления МК60Е, МК25Е,
2 — блок активации с вакуумным усилителем, 3 — датчик рулевого колеса, 4 — датчик скорости колес, 5 — интерфейс с управлением Drivetrain,
6 — опционно: переменные амортизаторы, 7 — интерфейс с активным рулевым управлением, 8 — датчик yaw rate и боковой акселерометр (сенсорный кластер); д — сенсорный кластер систем ESC Continental — датчик курса с интегрированным датчиком бокового ускорения
статочно эффективен при движении назад и парковке.
Hella разработала систему камер заднего вида, которая позволяет водителю видеть препятствия с широким углом обзора вплоть до заднего бампера (рис. 5а-б). С этой целью камера, размещенная в задней области автомобиля, посылает видеоданные в управляющий блок, который воссоздает и корректирует изображение, искаженное чрезвычайно широкой линзой угла и предсказывает при помощи вспомогательных линий, разнесенных на ширину машины, путь колес с данным углом рулевого управления (рис. 5б). Вспомогательные линии позволяют оценить расстояние, сравнить размер автомобиля с местом для парковки и выбрать оптимальный угол поворота руля. Водитель видит изображение на дисплее независимо от внешних световых условий. Камера требует мало места и мало весит, что позволяет без труда интегрировать ее в заднюю часть автомобиля так, чтобы обеспечивалась защита от загрязнений. Массовое производство камер начнется, согласно плану, в 2006 году. Предусмотрена возможность интегрирования функций как передних, так и задних камер в один контрольный блок. Алгоритмы обнаружения объектов могут быть разработаны для будущих поколений, которые обеспечивают водителю помощь в обнаружении задних объектов.
Системы помощи Parking Aid и Parking Assistant при парковке Bosch — это системы помощи водителю, основанные на ультразву-
ковых датчиках (рис. 5в-г). Принцип действия основывается на излучении ультразвуковой волны и получение сигнала — эха, отраженного от препятствия, по времени полета которого вычисляется расстояние. При парковке или низкоскоростном маневрировании ультразвуковые датчики измеряют расстояния до 3 м между автомобилем и препятствием, о котором водителя информирует спикер или оптический сигнал. В системе SiemensVDO выводится, например, сообщение на дисплее (рис. 1к). Дальнейшее усовершенствование системы парковки Parking Assistant состоит в подаче инструкций водителю в отношении прикладываемого угла рулевого управления.
Аналогичные системы помощи при парковке с ультразвуковыми датчиками разработали компании Mitsubishi (рис. 5д) и Valeo (рис. 5е).
Continental разрабатывает систему парковки как расширенную функцию полноскоростного ACC, которая применяет радарную систему с рабочей частотой в 24 ГГц (рис. 3а) и дополнительными ультразвуковыми датчиками, автоматически прикладывая торможение для предотвращения столкновений с препятствиями во время низкоскоростных маневров. В случае адаптации к условиям трафика помощь при парковке задействует системы управления двигателем и торможения.
Для облегчения парковки Continental разработала концепцию применения интеллектуального рулевого управления Intelligent Power Assisted Steering (IPAS) в сочетании
с датчиками расстояния короткого диапазона. В отличие от обычного гидравлического рулевого управления и обычных систем EPS с электрическим двигателем, IPAS способна, используя информацию от датчиков, контролировать прикладываемую к рулевому управлению мощность — гораздо раньше, чем это может сделать водитель, существенно повышая маневренность автомобиля. В случае проблем с работой IPAS электрический двигатель отключается автоматически, и система переходит в обычный режим.
Функциональность IPAS полезна как в течение низкоскоростного маневрирования, так и в течение высокоскоростной езды. Например, если машина идет юзом на повороте, IPAS способна автоматически скорректировать ситуацию, выполняя основные функции системы контроля динамики автомобиля — Electronic Stability Program (ESP), Electronic Stability Control (ESC).
Используя информацию от четырех датчиков скорости колеса, датчика угла поворота руля и датчика курса машины yaw rate sensor с интегрированным датчиком ускорения, система ESP Bosch, основным исполнительным компонентом которой является гидравлический блок с прикрепленным электронным контрольным блоком, способна определять критические ситуации вождения и помогать водителю удерживать управление автомобилем (рис. 6а-б). ESP Bosch использует модульные датчики рулевого колеса LWS5 Bosch, полезность которых состоит также
Рис. 7. Видеодатчики — камеры для применения в системах ACC, LDW и других функций а — CMOS — камера Continental для наблюдения полосы LKS и смены полосы (LCA); б — LDW — камера Hella;
в — применение видеодатчиков Bosch для мониторинга полосы и в системах ночного видения; г — иллюстрация повышенных требований к качеству изображения автомобильных камер, возможному с инновационной технологией видеодатчиков Bosch: 1 — нелинейная КМОП-технология, 2 — обычная видеотехнология
и в применении для адаптивной корректировки освещения или в системе Parking Assistant.
Полноскоростной Full-Speed-Range-ACC по определению может только выполнять автоматическое торможение, тогда как IPAS корректирует и рулевое управление. Новые системы ACC, например, от Bosch, включают эти расширенные функции — возможность определения курса автомобиля при помощи датчика угловой скорости изменения курса и угла поворота руля.
Continental последовательно реализует новые функции систем IPAS и ESAS (Electric Steer Assisted Steering), интегрированные в ESC II (ESP II), которые применяются на транспортных средствах, выпущенных в 2006 году (рис. 6в, г).
В комбинации с датчиками ACC короткого диапазона, камерами и ESP могут быть реализованы многие расширенные функции идентификации полосы, наблюдения транспортных средств и трафика на параллельных полосах, сзади идущих и обгоняющих автомобилей, так же как и функция Stop&Go в ситуациях заторов. Для того чтобы осуществлять одновременный мониторинг полосы, автомобилей и объектов, окружающих автомобиль, широко используются видеодатчики — передние, боковые, угловые и задние камеры (рис. 7), а также радары короткого диапазона.
Одно из новых направлений будущих разработок — слияние данных LDW и ACC.
Автономные системы предупреждения ухода с полосы Lane Departure Warning (LDW) systems осуществляют мониторинг курса полосы — ширины, кривизны поворота, и положения автомобиля относительно дороги как отклонения углового курса автомобиля от курса полосы и ее середины (рис. 1г, з). Непреднамеренный уход с полосы вследствие отвлечения или невнимательности водителя — одна из наиболее частых причин шоссейных аварий. Предупреждающий сигнал может быть выполнен даже ранее непреднамеренного ухода с полосы, что позволяет водителю вовремя среагировать на ситуацию и снизить риск аварии, с одновременной автоматической активацией систем торможения и рулевого управления.
IPAS от Continental включает функцию Lane Keeping Support (LKS), которая использует камеры для определения непреднамеренного ухода с полосы (рис. 7а). Система сигнализирует водителю посредством вибрации в рулевом колесе и осуществляет рекомендации по удержанию в безопасном курсе. При изменении полосы, если водитель игнорирует машину, находящуюся в точке blind spot (рис. 1м), или быстро приближающуюся машину, активируется функция Lane Departure Warning (LDW), генерирующая вибрации, буксирующие импульсы и акустический сигнал.
Следующий шаг LKS — активное удержание автомобиля в пределах полосы за счет вмешательства в рулевое управление.
Помощь при смене полосы Lane Changing Assistant (LCA) — это функция управления продольным перемещением автомобиля, объединенная с рулевым управлением, поэтому она включает функции ACC и LKS.
В системах LDW, LCA важную роль играет как аппаратно-программная часть системы, так и дизайн сканирующих систем — радаров или оптических камер и освещения.
Камеры в автономных системах LDW применяет также Hella (рис. 7б).
Система lane change assistant (LCA) Hella (рис. 3д) для обнаружения сзади идущих и смежных автомобилей использует два радарных датчика, работающих на 24 ГГц. Постоянное наблюдение смежных полос движения обеспечивает водителю поддержку во время обгона или маневров с изменением полосы движения на шоссе. Критические ситуации индицируются водителю оптическими и акустическими предупреждающими сигналами. Объекты в точках blind spot, невидимых для водителя автомобиля с зеркалами заднего вида, также обнаруживаются. Сенсорные технологии радаров гарантируют, что система независима от темноты, загрязнений, сложных погодных условий. Это позволяет выполнить инсталляцию на бамперах или задних фонарях. Диапазон до 50 м гарантирует, что водитель будет предупрежден ранее, чем возникнет объект. Коммуникация LCA осуществляется по шине CAN. Hella применяет в LCA частот-но-модулированную радарную систему FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave). Дальнейшие применения LCA включают:
• помощь при парковке;
• ACC (Stop&Go);
• предотвращение аварий/смягчение столкновений.
Для применения в системах LDW, LCA цифровых камер (рис. 7а-г) и получения визуальной информации необходимо хорошо структурировать и различать окружение, что позволяет сделать технология КМОП, которую использует подавляющее большинство современных автомобильных камер — благодаря встроенной интеллектуальности датчиков изображений и электронного блока ЦОС [5, 6].
Камеры, закрепленные, например, в области ветрового стекла, должны адекватно оценивать дорожные условия — как на расстояниях до 50-80 м от автомобиля, так и вблизи: потеря входной информации для автомобильной безопасности критична. К автомобильным камерам, в отличие от обычных, помимо требований высокой скорости обновления (частоты кадров) и гибкости предоставления информации водителю (зуммирование, кадрирование), предъявляются повышенные требования (рис. 7в-г):
• способность функционировать в сложных условиях эксплуатации, различных в зависимости от погоды и освещенности;
• соответствие автомобильным стандартам в отношении требуемых характеристик динамического диапазона (120 дб), чувствительности, спектральной полосы (включая диапазон, близкий к инфракрасному);
• автоматическое распознавание объектов в любых условиях сцены: интенсивности и направления освещенности, длин волн, скорости движения объекта;
Рис. 8. Датчики дождя и света для контроля работы стеклоочистителей:
а — конструкция и принцип действия датчика дождя и окружающего света Bosch;
б — датчик дождя и света Hella, интегрированный в зеркало заднего вида;
в, г — датчик дождя, света и солнца Hella, интегрируемый в зеркало вместе с камерой LDW (г);
д — датчик дождя/света/туннеля Valeo;
е — принцип работы датчика:
характеристики: инфракрасный и видимый свет повышает надежность системы; режим Stand-by с малым энергопотреблением (<400 мА); малый размер, легкая интеграция (30 мм диаметр, 10 мм толщина, 45 см длина); рециркуляция воздуха втуннеле; оптимизированный человеко-машинный интерфейс, в зависимости от условий освещения (день/ночь);
1 — система с датчиком дождя/света Rain Light Tunnel (RLT) точно различает различные типы условий освещения
(день, ночь, туннель, гараж, дождь и другие),
2 — система адаптирует освещение автомобиля в соответствии с изменениями в окружающем освещении,
3 — система автоматически включает систему передних стеклоочистителей и регулирует скорость
стеклоочистителей в зависимости от условий
• высокая надежность и соответствие стандартам безопасности, большой срок службы;
• стоимостная эффективность, доступность элементной базы в массовых объемах по низкой цене.
Для адаптации информации, полученной с помощью камер, к различным условиям освещения, а также для реализации ряда специальных функций, например, корректировки подсветки дисплеев и индикации цветов применяются датчики дождя/света (цвета) (рис. 8).
Для адаптации к различным условиям освещенности Hella в своих системах камер LDW, серийное производство которых начнется в 2006 году, вводит также датчики света, дождя и соответствующие управляющие устройства. Будущие поколения систем LDW нацелены на использование с менее структурированным окружением. Предполагается интегрирование камер LDW и датчиков света/дождя в один блок — для уменьшения системного пространства.
Элементная база датчиков света (цвета) предлагается, например, компаниями Taosinc и Vishay (подробнее рассматривается во второй части статьи).
Типичные датчики дождя, основные производители которых — компании Bosch, Denso, Kostal, TRW и Valeo, обычно представляют собой малый фотоэлектрический рефлективный датчик, закрепленный на внутренней поверхности стекла, оптический путь которого нарушают дождевые капли (рис. 8а).
Датчик излучает световые лучи на ветровое стекло под углом 45°. Свет отражается от внешней поверхности ветрового стекла и попадает в оптический детектор датчика. Если вода прилипает к внешней поверхности и оседает в виде капель, световой луч разрушается, что регистрируется фотодетектором. Эта информация используется для включения и корректировки скорости стеклоочистителей, что освобождает водителя от ручного переключения. Датчики дождя в настоящее время находят увеличивающийся спрос в автомобилях верхнего ценового класса. Текущие модели датчиков дождя, например, датчик Bosch, показанный на рис. 8а, дополнительно измеряют окружающий свет для включения/выключения фар.
Интегрированный датчик дождя/света Hella с микропроцессором комбинирует функции контроля света и автоматического контроля стеклоочистителей (рис. 8б-г). Доступны дополнительные данные, например скорость и внешняя температура. Оптический датчик света записывает такие данные, как окружающий свет, свет во фронте автомобиля. Две раздельных оптических системы позволяют точное обнаружение условий освещения (день, сумерки, ночь) и проезд через туннели и мосты. Это гарантирует, что свет автомобиля может быть адаптирован очень быстро и надежно.
Датчик Valeo Rain Light Tunnel (RLT) (рис. 8д-е) предоставляет водителю информа-
цию об окружающем освещении и может дифференцировать ситуации: день, ночь, туннель, переход, дождь, гараж и деревья. По сигналам от бортового компьютера, обрабатывающего информацию с датчика, в условиях туннеля автоматически включаются фары, при появлении дождя автоматически на подходящей скорости включаются стеклоочистители, что помогает улучшать видимость в плохих погодных условиях и при слабой освещенности, уменьшает отвлечение водителя от необходимости ручного контроля и привносит вклад в активную дорожную безопасность.
Модули, разработанные Hella и Valeo, интегрируют как датчики света/дождя, так и камеры и датчики кондиционирования воздуха, повышая функциональность, минимизируя пространство для инсталляции, повышая качество и снижая цену (рис. 8б-д).
Если развертка стеклоочистителей ветрового стекла предупреждает тормозную систему Continental о мокрых условиях погоды, применяется невидимое водителю автоматическое сушение тормозного диска. Минимальная сумма давления тормоза в 2-3 бар автоматически прикладывается к колесу и вы-
сушивает тормозные диски, что гарантирует готовность калиперов тормоза и подкладок к тормозному маневру.
Для того чтобы поставлять водителю информацию об условиях движения в темное время суток, невидимую с помощью освещения фарами, предназначены системы ночного видения с инфракрасным освещением (рис. 9). Несмотря на то, что ночью машин на дорогах меньше, почти половина серьезных аварий случается именно в это время суток из-за плохой видимости.
Инфракрасная область электромагнитного спектра на границе видимого диапазона красного света включает три поддиапазона:
• близкий к инфракрасному NIR — примыкающий к видимому свету с длинами волн в диапазоне 0,7-1,3 мкм;
• средний инфракрасный MIR с длинами волн в диапазоне 1,3-5 мкм (хотя атмосферное поглощение ограничивает полезную полосу до 2,1-5 мкм;
• далеко инфракрасный FIR — наибольшая часть инфракрасного спектра с длинами волн в диапазоне 3-30 мкм (8-12 и 15-30 мкм вследствие атмосферного поглощения).
Рис. 9. Системы ночного зрения
а — принцип работы систем активного ночного зрения Hella: излучение инфракрасных световых лучей, сбор информации камерами и визуализация информации на дисплее head-up; б — усиление информации благодаря системе ночного зрения Hella: слева — изображение сцены
при обычном освещении от автомобиля, справа — полученное благодаря системе ночного зрения; в — инфракрасный модуль ночного зрения Hella
Ключевое различие между ними состоит в том, что FIR излучается объектом, а NIR и MIR отражаются от объекта.
Устройства ночного видения, использующие близкий к инфракрасному near-infrared (NIR) свет, собирают визуальную информацию в темноте, которая может быть использована для переключения системы предупреждения водителя отображения на heads-up display (HUD) объектов, которые при обычном освещении фарами были бы затемнены (рис. 9а-б).
Hella разрабатывает системы ночного зрения под названием ADILIS. В этих системах область трафика освещается инфракрасным светом, и сцена записывается камерой (рис. 9в). Серый масштабный образ затем показывается водителю на дисплее.
Благодаря системе ночного зрения водитель получает информацию о курсе дороги, возможных препятствиях и пешеходах раньше, чем в отсутствие таковой, что повышает дорожную безопасность и помогает снять нагрузку с водителя в условиях плохой видимости.
Для бесконтактных измерений температуры в системах контроля положения пассажиров и различных видеосистемах разработаны также тепловые камеры — например, датчики семейства MLX90247 Melexis (рис. 2п), которые способны детектировать очень малые изменения в тепловом излучении (в диапазоне FIR). MLX90247 детектирует инфракрасное излучение объекта и включает термоэлемент для регистрации температурной разницы между объектом и детектором, температуру детектора при этом измеряет термистор.
Датчики включают кремниевую подложку с мембраной, на которой располагается термоэлемент, окруженную объемным кремни-
ем. Горячие соединения термоэлемента расположены в центре мембраны, холодные соединения — над краем объемного кремния. Тонкая структура мембраны с низкой теплопроводностью поглощает тепловое излучение дистанционного объекта, что создает температурную разницу между мембраной и объемным кремнием. Разница температур преобразуется в электрический потенциал посредством термоэлектрического эффекта
в термоэлементе. Напряжение питания для датчика не требуется.
Стратегические направления в автомобильной безопасности
Новые системы пассивной и активной автомобильной безопасности, помощи водителю — ACC, ESP, помощи при парковке и другие разрабатываются по принципу добавления новых функций и увеличения сетевых связей датчиков с интегрированными системами, то есть используют одни и те же датчики для получения входной информации к различным подсистемам, которые реализуют расширенные выходные функции. Таким образом, новые разработки показывают, что системы помощи водителю от автономных функций переходят в комплексные системы, включающие датчики и интегрированные блоки, меньшие по размеру и стоимости. Сетевые связи датчиков все более связывают активные и пассивные системы безопасности в пределах единой целостной сети.
Возможный и оптимальный результат развития систем автомобильной безопасности — полное слияние активных и пассивных систем в единую интеллектуальную сеть — стратегическое направление современной автоэлектроники. С этой целью, например, Continental Automotive Systems разрабатывает и внедряет проект APIA (Active Passive Integration Approach), Bosch развивает концепцию CAPS — Combined Active & Passive Safety (рис. 10).
Рис. 10. Концепция интеграции активных и пассивных систем в единую сеть с сетевой структурой и связями датчиков а — проект APIA (Active Passive Integration Approach) Continental: 1 — адаптивный круиз-контроль;
2 — электронная система торможения MK60E; 3 — сенсорный кластер; 4 — трансмиттер скомплектованных данных; 5 — педаль акселератора с обратной связью; 6 — модуль контроля двери; 7 — модуль контроля люка;
8 — обращаемый натяжитель ремня; 9 — модуль контроля сиденья; 10 — тормоза;
11— CV (closing velocity) датчик обнаружения препятствий; 12 — боковые сателлиты;
13 — датчик фронтального удара; 14 — модуль контроля подушек безопасности; б — компоненты CAPS (Combined Active & Passive Safety) Bosch: 1 — гидравлический модулятор давления ESC;
2 — система контроля подушек безопасности; 3 — радар ACC; 4 — видеодатчик;
5 — активное рулевое управление; 6 — система навигации;
7 — другие датчики (угла поворота руля, угловой скорости автомобиля yaw rate и ускорения)
Концепция интегрированной сети активных и пассивных систем в автомобиле предполагает наблюдение окружающих условий с помощью большого числа разнообразных датчиков (радаров, ультразвуковых датчиков и камер, а также акселерометров, гироскопов) и обработку этой информации в локальных компьютерах подсистем (например, ACC) или в централизованном блоке автоматического управления автомобилей будущего, обрабатывающего информацию с датчиков и посылающего команды к различным функциональным подсистемам автомобиля.
Эта тенденция слияния пассивных и активных систем, собирающих и анализирующих входную информацию с датчиков, сопровождается увеличением интеллектуальности датчиков — для уменьшения нагрузки на локальные компьютеры, надежности и точности предоставляемой ими информации. Хотя общее число датчиков в автомобиле увеличивается, новые системы стремятся максимально оптимизировать число датчиков, действительно необходимых для сбора информации, исключая функционально повторяющиеся единицы. Многие датчики объединяются в сенсорные кластеры (например, ESC согласно проекту APIA компании Continental или датчик курса и ускорения Bosch).
В сочетании с цепочкой управления drive train и колесами существует направление перехода к еще более комплексным мехатрон-ным системам и компонентам, связанным технологией X-By-Wire.
Вначале для управления автомобилем было необходимо, чтобы машина следовала намерениям водителя. Первые системы X-By-Wire — это E-gas или Power-By-Wire или Accelerate-By-Wire, дополнявшие дроссельный клапан и педаль акселератора. Электронная педаль акселератора — это интерфейс с водителем при электронном управлении дроссельной заслонкой.
По мере включения систем by-wire, которые удаляют в автомобиле механические связи с входными устройствами — например, тормозами, рулем и приводами, ключевым фактором стало повышение надежности функционирования приводов, контроллеров и датчиков. В дальнейшей эволюции систем и технологий интеллектуального управления X-By-Wire systems стало необходимым обеспечивать также и безопасность, сочетая многофункциональный системный контроль с намерениями водителя, которые, как входная информация любой подсистемы, остаются в автомобиле приоритетными.
Новые направления в автомобильной безопасности, разрабатываемые Continental
Continental и далее разрабатывает подход, получивший название Total Safety Approach (метод общей безопасности), согласно кото-
рому ESC (ESP) устанавливает каналы связи между датчиками [4].
Система торможения MK25E5 компании Continental, закладываемая в автомобили Mercedes-Benz S-класса, помимо датчиков ESC, включает дополнительные датчики давления тормоза на каждом колесе и еще один — в основном цилиндре. Учет сигналов давления тормоза улучшает переднюю и боковую горизонтальную динамику машины, что также переводится в более короткие расстояния остановок, едва воспринимаемые вмешательства тормоза, улучшенную стабильность управления при маневрировании в опасных ситуациях.
Возможные расширения систем, подобных MK25E5 и MK60E5 (для недорогих автомобилей):
• системы контроля шин;
• помощь при старте на возвышенности;
• ACC;
• помощь в холодном старте;
• поддержка дождевого торможения;
• помощь в парковке тормозов;
• поддержка сбоев усилителя
• и другие.
Функция готовности торможения по тревоге Ready Alert Brakes вызывает сигнал с педали газа, чтобы предупреждать систему о быстром отпуске после непредвиденного жесткого торможения (например, при подрезании). Тормозная система затем готовится к другому такому случаю остановки с минимальным временем восстановления.
Еще одна полезная характеристика, разработанная Continental, — убирающийся усилитель тормоза retractable brake booster, который предназначен смягчать эффекты аварии. Например, в случае передней аварии или уда-
ра активный тормозной усилитель с функцией помощи торможению и в тандеме основного цилиндра с демпфером крутящего момента убирает механизм повсеместной активации средствами углового действия. Эта характеристика уменьшает риск травм водителя.
Электронная парковка тормозов electric parking brake (разрабатываемая Continental, Hella и другими компаниями) освобождает и устанавливает паркующиеся тормоза со 100%-ной надежностью. Тормоз автоматически отпускается при активизации управления Drivetrain, что обеспечивает удаление рычажного механизма из ножного пространства. Система также обнаруживает возможные сбои и сигнализирует о них на приборной панели.
Согласно подходу Total Safety Approach системные измерители опасных ситуаций осуществляют меры повышения безопасности быстрее, чем это может сделать квалифицированный водитель. Технологии предотвращения аварий не отменяют необходимость в пассивных системах защиты от аварий, а дополняют их, позволяя им сосуществовать вместе. Следующее поколение контроля динамики ESCII будет далее интегрировать активные и пассивные системы — как проводные системы Steer-By-Wire, так и «умные» подушки безопасности.
Новая система ACDIS Continental (рис. 11) — дополнение к ACC для ситуаций движения, например, в колоннах. При уменьшении расстояния до следующего автомобиля, менее критического при отвлечении водителя, через обратную связь педали акселератора создается так называемый виртуальный бампер — встречное усилие педали, водителю в этой ситуации подается предупреждающий сигнал.
Пружина= встречное усилие и угол педали акселератора
И
Рис. 11. Система ACDIS Continental а — принцип работы; б — педаль с обратной связью;
в — основные компоненты: 1 — датчик расстояния; 2 — педаль с обратной связью.
Заключение
Таким образом, в дальнейшем развитии систем автомобильной безопасности просматриваются следующие основные тенденции:
1. Слияние пассивных и активных систем.
2. Увеличение числа интеллектуальных функций управлений.
3. Увеличение сетевых связей датчиков с отдельными интегрированными системами и блоками.
4. Повышение интеллектуальности датчиков.
5. Объединение датчиков в мультисенсорные модули.
В автомобиле будущего системы помощи водителю будут делать управление еще более удобным и безопасным благодаря раннему обнаружению опасных ситуаций и большому числу радарных, ультразвуковых, видео- и инфракрасных датчиков, собирающих всевозможные данные об условиях, окружающих автомобиль, помогая осуществлять управление на любых его этапах. ■
Литература
1. Сысоева С. Автомобильные акселерометры // Компоненты и технологии. 2005. № 8, 9. 2006. № 2-5.
2. Electronics-Driver Assistance Systems. Техническая информация Hella. Hella 2003, 2004, 2005. w ww .hella.c om
3. T. Yoshida, H. Kuroda, T. Nishigaito. Adaptive Driver-assistance Systems. ht tp: //w ww.hitachi.c om/ ICSFiles/afieldffle/2004/11/26/r2004_04_104_1.pdf
4. New Directions in Automotive Smarts. McConnell D., Continental Automotive Systems. Sensors, Apr 1, 2006.
5. Automotive Cameras for Safety and Convenience Applications. White Paper by SMaL Camera Technologies, Inc. 2004 Version 1.
6. The Evolution of Digital Imaging: From CCD to CMOS. A Micron White Paper. Micron Technology, Inc., 2006. w ww .micron.c om
