CC BY
20032
www.finestreet.ru
компоненты
датчики
Автомобильные акселерометры
Часть 1. Автомобильные акселерометры — важнейший сегмент в конъюнктуре современного рынка автомобильных датчиков
Светлана СЫСОЕВА
В статье представлен обзор современного автомобильного рынка акселерометров и систем с их использованием. Первая часть статьи акцентирует внимание на текущих и будущих сферах применения акселерометров, связанных с автомобильной безопасностью, и перспективах MEMS-технологий в автоэлектронике, включая смежные области рынка автомобильных MEMS-датчиков: гироскопов, датчиков угловой скорости, давления и т. д.
Введение
Акселерометр или датчик инерции измеряет ускорение или, согласно второму закону Ньютона, силу, вызывающую ускорение инерционной массы.
Рабочие принципы датчиков различаются в зависимости от способа получения
электрического сигнала при детектировании движения инерционной массы [1]. Сегодня выделяются три следующие категории автомобильных акселерометров (рис. 1) [1-4]:
• пьезоэлектрические;
• пьезорезистивные;
• емкостные.
Акселерометры включаются в мехатрон-ные системы, чтобы измерять движение, положение, наклон, вибрацию и удар.
Акселерометры широко используются для наблюдения сейсмической активности (обнаружения колебаний зданий и мостов), измерения виброустойчивости оборудования, тестирования механической прочности кор-
Рис. 1. Спектр современных автомобильных акселерометров различного функционального назначения: а — акселерометры Denso International систем развертывания воздушных подушек; б — датчик Bosch угловой скорости (рыскания или крена) с акселерометром;
в — кварцевый акселерометр Q-Flex QA650 Honeywell
для задач автомобильного тестирования
и детектирования замедления при торможении;
г— семейство емкостных датчиков ускорения Texas
Instruments (для контроля крена, полуактивной подвески,
контроля динамики, 4-колесной АБС,
сцепления и неровности дороги);
д— семейство автомобильных датчиков Entran
для крэш-тестов и гоночных машин (Формулы-1);
е — пьезорезистивный акселерометр для аварийных
испытаний по стандарту SAEJ211 7265AM3 ENDEVCO;
ж, з, и — автомобильные емкостные акселерометры,
противостоящие высоким ударным нагрузкам ENDEVCO:
ж — акселерометр общего назначения 7290A;
з— герметизированный акселерометр 7292A-XXM1;
и — емкостные акселерометры 7591/2;
к — акселерометр CXL-TG Crossbow для автомобильного
тестирования и инерциальных измерений;
л — датчики ускорения АБС ALEPTH;
м — одноосевые емкостные акселерометры
для воздушных мешков, активной подвески, адаптивного
торможения и систем предупреждения Silicon Designs,
в том числе новинка — версия 2220;
н — серия SCA100T высокоточных 2-осевых
MEMS-инклинометров VTI Technologies;
о — автономные акселерометры
SCA110/1 VTI Technologies;
п — емкостные 3D-MEMS акселерометры VTI Technologies; р— полностью интегрированные трех-, двух- и одноосевые емкостные акселерометры серии KXM52 Kionix;
с— двухосевой термический MEMS- акселерометр Memsic [7].
пусов, в виртуальной реальности, спортивном оборудовании, сотовых телефонах, компьютерах (PDA, laptop и др.), робототехнике и т. д. [1-9].
Автомобильные акселерометры и значительное число электронных систем с их использованием формируют сегодня несколько крупнейших и быстроразвивающихся сегментов рынка автоэлектроники [9-10, 19].
Автомобильная сфера применения акселерометров сконцентрирована в области систем безопасности, комфорта пассажиров, динамического контроля автомобиля и включает следующие области задач:
• Обнаружение аварии, активация систем безопасности и контроль развертывания подушек безопасности (Crash detection, Airbag deployment systems, Restraint systems).
• Детектирование крена (Rollover detection), боковых аварий и опрокидываний.
• Аварийные испытания (Crash-tests), в том числе для оснащения манекенов.
• Запись данных об аварии (Crash recording).
• Адаптивный круиз-контроль (Adaptive Cruise Control).
• Защита пешеходов (Pedestrian Protection).
• АБС (4WD ABS — Four Wheel Drive AntiLock Brake System).
• Контроль сцепления (Traction Control System).
• Контроль динамической стабильности (Vehicle Stability Control, Electronic Stability Program).
• Контроль активной (или полуактивной) подвески (Active Suspension Control).
• Системы охранной сигнализации (Burglar Alarm) в противоугонных системах (Antitheft Systems).
• Электронная парковка тормоза (Electronic Parking Brake).
• Компенсация измерений уровня (Fluid Level Compensation).
• Управление фарами (Headlamp Adjustment).
• Системы транспортной навигации (Vehicle Navigation Systems) и GPS (Global Positioning System).
• OBDII — контроль неровности дороги.
• Управление двигателем и трансмиссией.
• Наблюдение за давлением в шинах (Tire Pressure Monitoring).
• Сенсорный кластер (Sensor Cluster) — блок инерциальных измерений «inertial measurement unit» (IMU) с шестью степенями свободы, располагаемый ориентировочно в центре автомобиля для сбора информации для всех инерционных систем — противоугонной, VSC, навигации, и т. п.
Тенденции современного автомобильного рынка датчиков и рыночная ниша акселерометров
Статистические данные маркетинговых исследований свидетельствуют о высоких объемах и увеличенных темпах роста продаж акселерометров в конъюнктуре автомобильно-
го рынка за последние годы. Так, по данным Roger Grace Associates и Strategy Analytics [10], датчики скорости и положения составляли 38% от общего автомобильного рынка датчиков 2000 года в денежном эквиваленте, далее следовали датчики концентрации кислорода (oxygen sensors) — 20%, массового расхода воздуха — 13%, акселерометры — 11%, давления — 10%, температуры — 5% и другие — 3%.
По статистике Freedonia Group, Inc. [11], средневзвешенное число датчиков в типичной североамериканской легковой машине почти удвоилось за прошлое десятилетие, с 18 — в 1992 году до 30 — в 2002 году; в 2002 году объем продаж автомобильных датчиков в североамериканском рынке легковых автомобилей составил $3,1 млрд. Его основные сегменты:
• датчики систем управления двигателем и основными узлами и агрегатами, обеспечивающими передвижение автомобиля Engine&Drivetrain (в эту группу входят датчики положения, давления, массового расхода воздуха, датчик скорости автомобиля, температуры, датчик детонации, датчики уровня жидкости и некоторые другие) — 39%;
• датчики контроля эмиссии (датчик концентрации кислорода, датчик положения клапана системы рециркуляции отработавших газов, датчик эмиссии летучих паров, температуры отработавших газов и др.) — 35%;
• датчики систем безопасности (Safety&Security) (датчики инерции, датчики скорости колеса, положения пассажиров, определения объектов, датчики давления накачки шин и др.) — 24%;
• прочие типы — 2%.
Freedonia прогнозирует увеличение спроса на североамериканском рынке на датчики на 7,9% ежегодно; ожидается, что объемы продаж достигнут 4,5-4,6 млрд долл. в 2007 году. В то же время прогнозы Freedonia для отдельных сегментов рынка различны, в том числе и в отношении темпов роста: для наиболее многочисленной категории — датчиков группы Engine&Drivetrain — прогнозируется резкое снижение темпов роста, перспективы роста спроса на датчики контроля эмиссии оцениваются как устойчивые, управляемые ужесточением норм в США, Канаде и европейских странах.
На датчики систем Safety&Security, включая акселерометры, Freedonia прогнозирует значительное увеличение спроса. Наибольший потенциал роста для этой группы объясняется тем, что электронные инновации диктуются как соответствующими нормами и стандартами, так и потребностями рынка. Ключевые области роста продаж включают: датчики контроля давления в шинах (стандартизируются), дополнительные воздушные подушки (вводимые согласно стандартам и вследствие рыночной ситуации), системы детектирования положения пассажиров
(стандартизируются), и датчики продвижения систем круиз-контроля (вследствие рыночной ситуации).
Ужесточение стандартов на обеспечение дорожной безопасности в развитых странах и связанное с этим повышение эксплуатационных качеств систем защиты является одной из важнейших причин увеличения роста продаж акселерометров на мировом рынке, причем новые электронные системы формируют потребность в более «умных» и дорогих датчиках.
Объективным фактором увеличения систем управления в автомобиле различного функционального назначения — от мониторинга состояния двигателя до систем безопасности пассажиров — является развитие технологий микроэлектромеханических систем (MEMS — microelectromechanical systems) [2, 6, 11, 14-16]. Концепция MEMS включает интеграцию на кремниевой основе ИС механических элементов, сенсоров и исполнительных устройств (actuators), а также электроники обработки сигнала.
MEMS-технологии повсеместно сопровождают авангардные технические решения; на их основе созданы ключевые маркетинговые фигуры автомобильного рынка MEMS-акселерометры, гироскопы и датчики давления [11, 14-16].
Аварийные подушки безопасности — один из первых и наиболее значимый по сей день сегмент автомобильного рынка для производства больших объемов MEMS-устройств. Новые автомобильные системы, например контроля давления в шинах и электронной парковки, базирующиеся на MEMS-датчиках, обеспечивают новые рыночные возможности MEMS.
Микромеханические MEMS-датчики с интегрированной электроникой обработки сигнала получили широкое распространение во многих областях, включая автоэлектронику, главным образом из-за простоты их использования, низкой цены, малого размера. Большинство MEMS-акселерометров обеспечивает усиленный аналоговый или ШИМ-сигнал с рабочим циклом, пропорциональным ускорению, пригодный для непосредственной обработки микроконтроллером.
MEMS-датчики не имеют движущихся частей, поэтому они высоконадежны. Способность обеспечивать функциональные характеристики в условиях автомобильной окружающей среды (перепады температур, вибрации, удары, влажность, электромагнитные и высокочастотные помехи), надежность и низкая стоимость предполагают широкое использование MEMS-акселерометров в качестве автомобильных компонентов.
В совокупности, переход к MEMS-датчикам, включая акселерометры, продиктован следующими причинами:
• требованиями повышенной надежности, увеличением гарантийных периодов (до 10 лет);
34
компоненты
датчики
• непрерывно разрабатывающимися стандартами эмиссии, безопасности и топливной эффективности;
• повышением уровня исполнений автомобилей, требованиями повышенного комфорта;
• расширением диагностического тестирования автомобилей.
Акселерометры в системах пассивной безопасности
Системы пассивной безопасности (защиты водителя и пассажиров в случае аварии) сегодня формируют самую большую заявку в автоэлектронике на выпуск больших объемов датчиков ускорения.
Один из самых больших и быстрорастущих сегментов рынка датчиков в пределах автомобильного сектора сформирован MEMS-акселерометрами и датчиками давления, предназначенными для автоматического развертывания фронтальных подушек безопасности для защиты в случае аварии водительского и переднего пассажирского мест [9-19]. Один или более акселерометров непрерывно измеряет линейное ускорение транспортного средства. Динамическое воздействие вследствие столкновения в ±(35-50)g по сигналам от акселерометра, например, Bosch SMB050 или SMB067, превышающее установленные пороги, переключает вход микроконтроллера, который принимает решение о развертывании воздушных подушек (рис. 2).
Ожидается, что и в будущем фокус в области пассивной безопасности останется авангардом. В США, чтобы удовлетворять требованиям федеральных стандартов безопасности автомобиля — Federal Motor Vehicle Safety Standards (FMVSS), разрабатываемых Национальной администрацией шоссейной безопасности движения — National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA), автопроизводители закладывают в подушки безопасности новые типы датчиков и микроконтроллеров [17].
Согласно FMVSS N 201, уже все новые автомобили, произведенные в США или импортируемые из Европы и Японии, оснащаются фронтальными подушками безопасности.
Новые стандарты диктуют автопроизводителям использование MEMS-сенсоров в дополнительных воздушных подушках, развертываемых при боковых ударах и на верхней крыше в случае бокового крена или опрокидывания машины — так называемых событий «rollover» (рис. 3а).
Термин «rollover» описывает случай бокового поворота машины — крена, в отличие от продольного поворота («pitchover» — см. рис. 3б), на углы, значения которых соотносятся с углом в 90 градусов. Оценено, что в Соединенных Штатах почти четверть всех фатальных автомобильных аварий возникает именно в случае событий «rollover» [17].
Для обнаружения аварийных событий «rollover» необходимы следующие параметры: угол крена, частота изменения угла (частота колебаний) или угловая скорость крена и угловые ускорения.
Для обнаружения боковых кренов многие системы используют инклинометры или датчики наклона, принцип действия которых основан на гравитации (вследствие действия силы тяжести). Среди многих типов инклинометров наиболее предпочтительными являются микромеханические акселерометры, измеряющие малые ускорения порядка нескольких g (low g — акселерометры), достигающие лучшего углового разрешения, но их чувствительность к линейному ускорению создает необходимость фильтрации.
Более точный метод основывается на применении датчиков угловой скорости (angular rate sensors — ARS), функционирование которых основано на действии силы Кориоли-са и обеспечивает более высокую устойчивость к линейному ускорению. Угловое положение и угловое ускорение машины извлекаются интегрированием и дифференцированием из угловой скорости соответственно. Поскольку на практике интегрирование может давать недопустимые ошибки положения, а дифференцирование может быть зашумленным, во многих автомобильных системах для коррекции угловых ошибок положения используются дополнительные low g — акселерометры, например, MMA1220D (8g) или MMA1260D (1,5g) Freescale.
Специальные автомобильные ARS для задач считывания событий «rollover» — особая маркетинговая ниша для поставщиков датчиков (рис. 3). Системы детектирования событий «rollover» комбинируют акселерометры и гироскопы, чтобы определять угол крена автомобиля и угловую скорость крена.
Модуль Delphi RSM — Roll Sensing Modul (рис. 3в) с датчиками инерции (акселерометры и инклинометры) и датчиком угловой скорости рыскания (angular rate или yaw rate sensor) обнаруживает или заранее предсказывает случай неминуемого крена машины и активизирует системы безопасности — натяжители пристяжных ремней, боковые подушки, оконный занавес и выпадающие преграды крена (штанги).
Те же самые ARS с соответствующим разворотом измерительной оси применяются в системах контроля динамики автомобиля и автомобильной навигации. Датчик угловой скорости ARS в детектировании события «rollover» регистрирует колебательное вращательное движение вокруг продольной оси автомобиля; для систем управления динамикой и навигации датчик рыскания (yaw rate sensor) осуществляет регистрацию вращательного движения транспортного средства вокруг его вертикальной оси.
Bosch Yaw rate sensor 0 265 005 258 (рис. 4) для контроля динамики автомобиля (Electronic Stability Program — ESP) измеряет частоту вращения автомобиля вокруг его вертикальной оси в диапазоне 0,2-100 градусов в секунду. Дополнительный акселерометр в составе устройства проверяет правдоподобие сигналов от гирометра. Датчик способен отличить нормальный поворот от перемещений машины, вызванных заносом или юзом.
Концепция Bosch предполагает также в текущем поколении систем для считывания событий «rollover» использовать дополнительную информацию от ESP. Анализ условий вождения позволяет управляющему устройству воздушной подушки обнаруживать критические ситуации прежде, чем машина опрокинется.
Для защиты водителя и пассажиров в боковых аварийных ситуациях NHTSA уполно-
Рис. 2. Акселерометры в системах пассивной безопасности для фронтальной защиты пассажиров; а — пьезоэлектрические датчики ускорения Bosch 0 273 101 141/150/131 для систем фронтальной и боковой защиты пассажиров; б — микромеханический дифференциально-емкостной датчик ускорения для систем фронтального воздушного мешка Bosch; в — интеллектуальные акселерометры Alpha — датчики интенсивности фронтальной или боковой аварии;
г — интеллектуальная система защиты пассажиров Airbag 9 (AB9) Bosch;
д — датчик фронтальной защиты пассажиров Continental Teves
Рис. 3. Иллюстрация применений акселерометров в боковых аварийных событиях: а — событие «Rollover» (иллюстрация с сайта Bosch); б — иллюстрация события «pitchover» [22]; в — модуль Delphi RSM — считывающий события «Rollover»; г — датчик бокового или фронтального удара Bosch;
д — автомобильный гироскоп с двумя акселерометрами для детектирования крена FAS-G Microstrain е — датчик боковой защиты пассажиров Continental Teves
мочила автопроизводителей устанавливать боковые подушки безопасности во все новые автомобили с 2009 года [17-18]. Согласно требованиям стандарта БМУ88 № 214 изготовители автоэлектроники планируют устанавливать десятки миллионов дополнительных акселерометров, гироскопов и датчиков давления в новые автомобили, так как для функционирования боковых подушек потребуется в среднем от двух до шести дополнительных датчиков на машину.
Коррекция стандартов ЫИТвЛ на безопасность в боковой аварии еще до 2009 года обеспечила дополнительные поставки 50-70 миллионов датчиков в год. В настоящее время примерно четверть всех автомобилей в Соединенных Штатах оснащено боковыми подушками безопасности, а в 2007 году их доля достигнет 50% [17]. Европейские и японские ав-
топроизводители также начинают устанавливать боковые подушки в миллионы новых автомобилей, формируя один из наиболее недавних, но быстрорастущих сегментов сбыта датчиков инерции, гироскопов и датчиков давления.
Возвращаясь к цифрам статистики, по прогнозам исследовательской группы Research and markets, в 2005 году рынок MEMS-гироскопов (примеры: SAR10 Sensonor Infineon, ADXRS300 Analog Devices) превысит рынок MEMS-датчиков ускорения. Прогнозируется, что в период с 2002 по 2005 год общий годовой темп прироста гироскопов превысит 25% — от $314 млн в 2002 году до $649 млн в 2005. Для сравнения, общий годовой темп прироста акселерометров оценивается в 15% — от $420 млн до $550 млн в тех же временных рамках [16].
Современные автомобильные системы предполагают интегрирование, например, MEMS-акселерометра и гироскопа, на печатной плате в одном сенсорном блоке, что обеспечивает выпуск недорогих многофункциональных устройств в больших объемах массового производства и способствует разработке новых сенсорных систем автомобильной платформы на их основе, эффективных в стоимостном выражении.
Недавние инновации в оборудовании безопасности также относятся к так называемым «умным» системам безопасности «Advanced (Smart) Restraint Systems» с различным ограничением (сдерживанием) перемещений людей, сидящих в автомобиле, в зависимости от их роста, веса, положения сидения пассажира, в различных аварийных ситуациях.
Традиционные ремни безопасности и воздушные подушки обеспечивают защиту для определенного диапазона аварийных условий, не дифференцируемую в зависимости от типажа людей. «Умные» системы включают в вычисления переменные сигналы от соответствующих датчиков, например веса, положения сидения, применения ремня безопасности, замедления (ускорения) машины, для того чтобы управлять усилием натяжения ремня и оптимально развертывать воздушную подушку.
Роль акселерометров в «умной» системе — обеспечивать информацию об аварии. Компьютер решает, какие именно ограничители должны быть задействованы, с каким усилием, каким способом.
«Умные» воздушные подушки могут разворачиваться с различными скоростями и давлениями, в зависимости от веса и положения, а также от интенсивности аварии. Примером является система защиты пассажиров Bosch Airbag 9 (AB9) (рис. 2г). Дополнительные системные компоненты обеспечивают детальную информацию о пассажирах, присутствии детей и активируют «интеллектуальное» переключение с двухэтапной или многоступенчатой газовой генерацией.
Все эти меры необходимы для того, чтобы гашение кинетической энергии тела человека в случае аварии осуществлялось по возможности медленно и равномерно и был минимизирован риск повреждений. Когда тело вначале перемещается со скоростью 60 км/ч,
Рис. 4. Акселерометры в системах контроля динамики автомобиля:
а — гирометр с микромеханическим датчиком ускорения Yaw rate sensor 0 265 005 258 Bosch системы управления динамикой автомобиля;
б — семейство Systron Donner Automotive Division одно-и многоосевых кварцевых гироскопов с датчиками угловой скорости и акселерометрами; в — мультисенсорная сборка (MSA) SSS с датчиком угловой скорости и двумя акселерометрами для контроля динамики автомобиля; г — семейство емкостных кремниевых MEMS-акселерометров Delphi: двухосевые, измеряющие малые ускорения (low-g) и угловые G2RV; д — сенсорный кластер Continental Teves для систем динамики и регистрации крена.
36
компоненты
датчики
а затем в результате аварии приобретает нулевую скорость и нулевую кинетическую энергию, первоначальная сумма энергии тела тратится именно на столкновение.
Регулятор натяжения ремня затягивает ремень безопасности в начале аварии. В течение нескольких миллисекунд ремень безопасности поглощает некоторую энергию тела. При дальнейшем движении тела сила натяжения ремня будет источником повреждений, поэтому ограничители позволяют ремням освобождаться. Затем, по прошествии порядка 25 мс после начала столкновения, развертывается подушка безопасности и поглощает кинетическую энергию тела.
К несчастью, иногда именно развертывание подушки может вызывать серьезные травмы водителя или пассажиров и даже летальный исход.
Новая технология в системах фронтальных воздушных подушек предназначена для уменьшения риска травм в результате ударов о подушку. Федеральный стандарт США Federal Motor Vehicle Safety Standard 208 (FMVSS N 208) требует введения новых подушек безопасности, которые при развертывании точно соответствуют весу пассажира: система должна обеспечивать полный выпуск для людей с большим весом, более слабый для меньших людей и детей, и подавлять выпуск в случае незанятости пассажирского места или места ребенка, установленного на заднем сидении. (На оборудование ограничивающих систем детского места распространяется FMVSS N 213.) FMVSS N 208 предписывает изготовителям устанавливать новые системы во все новые модели машин с 2006 года.
Примерами «умных» систем являются Airbag 9 или новая система Bosch iBolt, которая допускает развертывание пассажирской подушки более согласованно с условиями аварии, весом и расположением пассажира. Система измеряет силы, действующие в четырех якорных точках места, для того чтобы вычислять вес на пассажирском месте и его распределение, и определять оптимальный путь развертывания подушки. Важно заметить, что если ремень безопасности во время аварии отсутствует, подушки должны иметь большой объем и открываться очень быстро.
В дальнейшем, концепция «интеллектуальных» систем предполагает обнаруживать фронтальный и боковой удар, потенциальные ситуации «rollover», с учетом размещения пассажирского места. Bosch в настоящее время разрабатывает подобную систему, основанную на дополнении видеодатчиков.
Автопроизводители повсеместно внедряют новые технологии, разрабатывают и производят безопасные, «умные» машины, и потребители приветствуют это направление, как отражено в статистике продаж.
С целью улучшения автомобильной безопасности проводятся аварийные испытания автомобилей и анализируются статистические данные (рис. 5а).
В США NHTSA проводит фронтальные и боковые крэш-тесты («Crash-tests») с использованием манекенов различных размеров, стандартизированных согласно FMVSS N 572, что гарантирует последовательные статистические результаты (рис. 5б). Например, мужской манекен Hybrid II 50% — процен-тиля имитирует мужчину среднего размера весом 77 кг и ростом 178 см. Антроморфиче-ские манекены выполняются из материалов, имитирующих человеческое тело (рис. 5б). Например, позвоночник изготавливается из чередующихся слоев металлических дисков и резиновых соединителей.
Аварийные испытания формируют маркетинговую нишу для линейки специальной продукции, включая акселерометры, специально разработанные для крэш-тестирова-ния и манекенов, соответствующих FMVSS для фронтальных и боковых ударов и европейским стандартам SAE J211 (рис. 5 г-и).
Манекены оснащаются тремя типами датчиков:
• акселерометры;
• датчики нагрузки;
• датчики перемещения.
Аварийный тестовый манекен снабжен акселерометрами повсюду: в голове располагается двух- или трехосевой акселерометр (для измерения ускорения, как минимум, во фронтальном, реверсивном, левом, правом направлениях); акселерометры находятся в грудной клетке, позвоночнике, тазе, ногах и других частях тела.
Датчики нагрузки измеряют сумму сил в различных частях тела. Максимальная нагрузка, например в бедренной кости, может указывать на вероятность ее разрыва. Датчики перемещения, например в груди манекена, измеряют расстояние, на которое грудь отклоняется в течение аварии.
Для того чтобы обеспечивать информацию и давать гарантию безопасности покупателям автомобилей, в Соединенных Штатах NHTSA покупает автомобиль в дилерской сети и проводит его крэш-тестирование.
Новая автомобильная программа оценки NHTSA — New Car Assessment Program (NCAP) регламентирует проведение фронтальных и боковых крэш-тестов на скоро-
Рис. 5. Акселерометры для проведения аварийных испытаний: а — автомобиль, разрушенный в аварийных испытаниях (иллюстрация из [25]);
б — аварийные тестовые манекены — инструментальные средства для размещения акселерометров в крэш-тестах (иллюстрации из [24]);
в — EGE3 Triax — трехосевой акселерометр Entran для крэш-тестирования и манекенов; г — EGV Entran — акселерометр для наблюдения дорожных условий, путевых и эксплуатационных испытаний; д — EGV3 Entran — трехосевой автомобильный акселерометр;
е — пьезорезистивный акселерометр для аварийных испытаний по стандарту FMVSS 208 7231C-750 ENDEVCO; ж— трехосевой пьезорезистивный акселерометр для аварийных испытаний по стандарту SAEJ211 7267A ENDEVCO; з— миниатюрный (весом 1 г) пьезорезистивный акселерометр для аварийных испытаний по стандарту SAEJ211 7264 ENDEVCO;
и — новинка Silicon Designs — акселерометр серии 2220 для крэш-тестов.
сти 35 миль/ч (56 км/ч). Основываясь на вероятности получения пассажирами травм в аварии, NHTSA оценивает автомобили по «пятизвездной» шкале и публикует результаты тестирования на сайте (www.safercar.gov).
Модели 2005 года, занимающие верхушку шкалы итогового теста NHTSA SUV Crash Test Summary, включая фронтальные и боковые тесты, — Acura MDX, Ford Freestyle и Jeep Grand Cherokee.
Акселерометры для сбора данных в течение аварии захватывают значительную долю мирового автомобильного рынка сенсорной продукции. Например, в США проведением аварийных испытаний занимается не только NHTSA. Автопроизводителям ежегодно приходится разрушать до 60-100 собственных машин для сертификации на соответствие требованиям FMVSS.
В недалеком будущем черные ящики (Black box) — регистраторы автомобильных аварий (crash recorders) могут стать повсеместным атрибутом автомобилей, предписываемым страховыми компаниями.
Акселерометры в системах защиты пешеходов
Вслед за идеей защиты пассажиров разрабатываются решения, которые позволяют транспортному средству осуществлять защиту пешехода. На стадии подготовки к серийному производству находится новая система защиты пешехода Bosch, которая в случае его удара транспортным средством поднимает капот машины (рис. 6).
Рис. 6. Система защиты пешехода (иллюстрация с сайта Bosch)
Акселерометры на бампере автомобиля позволяют системе детектировать столкновение с объектом. Интеллектуальные алгоритмы обеспечивают надежное различение типов объектов. Система, интегрированная в управление подушками безопасности, активизируется только в случае обнаружения столкновения с пешеходом. В будущем Bosch для защиты пешеходов планирует использовать дополнительные предупреждающие ультразвуковые или видеодатчики.
Акселерометры в системах активной безопасности автомобиля
Огромное число применений для акселерометров существует на автомобильном рынке, включая системы активной безопасности.
Антиблокировочная система тормозов (АБС) удерживает колеса от полной блокировки при торможении. Без АБС слишком большое усилие, приложенное к педали тормоза, может вызвать блокировку и проскальзывание одного или более колес, что существенно уменьшает управляемость. АБС позволяет замедлять колеса только до определенной точки максимального торможения без проскальзывания.
В машинах с четырехколесным приводом (4WD) все колеса могут проскальзывать, и скорость, опорная для системы АБС, не может быть измерена датчиками скорости колеса. Информацию о внезапном замедлении (ускорении) тогда может предоставить продольный акселерометр, который представляет собой автономный датчик или компонент печатной платы, интегрированный в АБС-контроллер или сенсорный кластер.
Измеряемый диапазон акселерометров АБС VTI Technologies — 1-2 g, дрейф смещения — менее 0,1 g в рабочем диапазоне температур и срока службы, частотный диапазон — 50 Гц.
Alepth выпускает две версии G-датчика (рис. 1л): переключатель «mercury» и емкостной датчик.
В полноприводных транспортных средствах, оснащенных АБС Bosch, и в автомобилях с контролем динамики колесные датчики частоты вращения дополняются специальным датчиком Холла для отслеживания продольных и поперечных ускорений в диапазоне 1 g, предназначенным для низкочастотной эксплуатации (несколько Гц).
Система контроля сцепления TCS (Traction Control System) оптимизирует сцепление колес на скользких поверхностях для уменьшения их проскальзывания (быстрого вращения) и использует многие механические и электронные элементы АБС, в том числе акселерометры.
Полноскоростной контроль сцепления осуществляет управление колесом посредством снижения момента двигателя в комбинации с действиями:
• электронным торможением одного или более колес;
• закрытием дроссельной заслонки;
• задерживанием такта зажигания;
• прекращением топливоподачи — закрытием клапана отключения топливоподачи (Fuel shut-off valve);
• изменением соотношения ТВС.
Система, известная как «traction assist»,
предназначена для функционирования на скользких поверхностях на скоростях менее 25 миль/ч при движении с ускорением
от остановки (по сигналам от соответствующих датчиков). Для управления вращением колес система применяет электронное торможение без уменьшения момента двигателя.
Систем ABS и TCS недостаточно на кривой трассе. ESC (Electronic Stability Control), Bosch ESP (Electronic Stability Program) или любая другая обобщенная интерактивная система контроля устойчивости машины и динамического контроля Interactive Vehicle Dynamics (IVD) корректирует рулевое управление при уменьшении сцепления на скользких участках и на поворотах. Система сравнивает направление, предполагаемое водителем (угол поворота руля), и фактическим курсом машины. Угловая скорость рыскания (Yaw rate) и центробежное ускорение по сигналам датчика угловой скорости (angular rate sensor) и бокового акселерометра (рис. 1б, 4) сравниваются со значениями, вычисляемыми по сигналам акселерометров, датчиков скорости колеса и угла поворота руля [19]. Если фактический путь отличается от предполагаемого (например, на скользких дорогах), контроллер IVD прилагает торможение на выбранное колесо (колеса) и уменьшает крутящий момент двигателя для корректировки ситуации. Система наилучшим образом использует сцепление для удержания машины в предполагаемом курсе и минимизирует потерю управления (ситуации «under-steering» и «over-steering»).
Боковые акселерометры используются либо как автономный блок, установленный близко к центру тяжести машины, либо как монтируемый на печатной плате компонент сенсорного кластера. Типичный измеряемый диапазон акселерометров составляет ±1,5-1,7 g, смещение — менее 0,1 g в рабочем диапазоне температур и срока службы, частотный диапазон — 0-50 Гц.
Например, в состав инерциальной муль-тисенсорной подсборки Silicon Sensing MSA (рис. 4в) для контроля динамики машины интегрированы датчик угловой скорости рыскания и один или два акселерометра с ASIC на плате. Подсборка формирует выходные аналоговые сигналы напряжения, пропорциональные угловой скорости и ускорениям по двум осям, в плоскости измерения угловой скорости для VSC. Измеряемый диапазон ускорений ±1,5 g, коэффициент масштабирования (чувствительность) — 3,5%, смещение порядка 0,1 g, нелинейность <2%, частотная полоса <20 Гц.
Заключение
Автомобильные акселерометры составляют значительную долю рынка автомобильных датчиков в 2005 году; ожидается дальнейшее увеличение темпов роста их продаж, и особенно в связи с пересмотром стандартов безопасности и внедрением технологических решений на основе MEMS-устройств
во многие автомобильные системы, обсуждение которых будет продолжено в следующей части настоящей публикации. ■
Литература
1. Aszkler C. The Principles of Acceleration, Shock, and Vibration Sensors // Sensors Magazine. May 2005.
2. Insalaco M. D. The Art of Fabricating a Rotational Accelerometer // Sensors Magazine. Sept. 2000.
3. Hashimoto M. 3-Axis Silicon Piezoresistive Accelerometer // Sensors Magazine, Feb 1999 (04/22/99). http://www.sensorsmag.com/ articles/0299/0299_38/main.shtml
4. Doscher J. Innovations in Acceleration Sensing Using
Surface Micromachining. www.analog.com/ru/ content/0,2886,758__7536,00.html
5. Harvey Weinberg. Building a Tiny Accelerometer to Detect Very Small Signals // Sensors Magazine. Feb. 2001.
6. Doscher J. Using iMEMS Accelerometers in Instru-
mentation Applications. www.analog.com/ru/ content/0,2886,764__7537,00.html
7. Bugnacki M., Pyle J., Emerald P. A Micromachined Thermal Accelerometer for Motion, Inclination, and Vibration Measurement // Sensors Magazine, June2001 (06/04/01). http://www.sensorsmag.com/ articles/0601/98/main.shtml
8. Clifford M. A. Freescale Semiconductor. Accelerometers Jump into the Consumer Goods Market. Sensors Magazine, Aug 2004.
http://www.sensorsmag.com/
articles/0804/36/main.shtml
9. Bindra As. Sensors To Transform Vehicles Into Electronic Cocoons // Electronic Design, ED Online ID4327. January 8, 2001.
10. Lemieux J. Anatomy of the Vehicle Safety Cocoon. Part 1: Safety Architectures. Embedded.com. 10/13/04.
11. Roger H. Grace. Application Opportunities Of MEMS/MST In The Automotive Market: The Great Migration From Electromechanical And Discrete Solutions. www.rgrace.com
12. Automotive Sensors. US Forecasts to 2007 & 2012. Freedonia Study 1756. Jan. 2004.
13. Research and Markets: Automotive Sensors: Market Shares, Trends, Companies and Forecasts to 2010. New Developments and Technology Mean a Growth in the Demand for New Sensors. Dublin, Ireland. Aug. 3, 2004.
14. Roger H. Grace. The Growing Presence of MEMS and MST in Automotive Applications // Sensors Magazine. Sept. 1999.
15. North American MEMS-Based Sensors Markets. Frost & Sullivan Research Report. Published 17 Oct. 2002.
16. WISM — World MEMS Inertial Sensor Markets. Yole Developpement, April 2005. www.researchandmarkets.com
17. http://www-nrd.nhtsa.dot.gov/departments/ nrd-30/ncsa/
18. The Federal Motor Vehicle Safety Standards. http://nhtsa.gov/cars/rules/standards/ FMVSS-Regs/index.htm
19. Morrison D. G. Sensors Measure Up To Emerging Automotive Safety Standards // Electronic Design, ED Online ID4692. Sept. 5, 2000.
