CC BY
311www.finestreet.ru
компоненты датчики
Автомобильные акселерометры
Часть 2. Автомобильные акселерометры — ключевые фигуры систем безопасности и комфорта
Светлана СЫСОЕВА
Вторая часть статьи продолжает обзор сферы применения акселерометров в автомобилях и включает в себя описание систем, связанных с автомобильной безопасностью, основным назначением которых является помощь водителю в предотвращении аварийных ситуаций и обеспечение комфорта сидящих в автомобиле людей.
Введение
Ведущая сфера применения акселерометров в автомобиле сегодня — системы пассивной безопасности (воздушные мешки, ограничители ремней и т. д.) и активной безопасности (рулевое управление, ABS, TCS, контроль динамики автомобиля — VSC, ESP) [9-23].
Огромное количество акселерометров устанавливается в электронные блоки контроля развертывания воздушных мешков, пристяжных ремней и считывания событий бокового крена машины («rollover»), обеспечивающие защиту пассажиров и водителя в случае фронтального или бокового удара, значительно улучшенную за последние годы.
Системы АБС, VCS или адаптивный круиз-контроль (ACC) предоставляют водителю большие возможности контроля динамики управляемого им транспортного средства. Осуществляя автоматическое «вмешательство», современные системы (ESP или ACC) могут предотвратить большое количество аварийных событий.
Условное разграничение, существующее между активными и пассивными системами безопасности, прослеживается сегодня уже не столь отчетливо: уместнее, скорее, говорить об их интеграции. Эта же идея заложена в концепцию централизованной автомобильной системы на основе акселерометров, объединяющей функции пассивной и активной безопасности, которая позволяет водителю оптимально осуществлять процесс вождения, автоматически предотвращает аварии и, если авария все же неизбежна, минимизирует риск травм как людей, сидящих в автомобиле, так и пешеходов.
Одновременно существует множество других автомобильных систем безопасности и комфорта на основе акселерометров,
важнейшими из которых являются, например, электронно-управляемая подвеска в лидирующих моделях высокого сегмента автомобильного рынка — Volvo, Mercedes Benz, Cadillac, системы транспортной навигации, контроль давления накачки шин (Tire Pressure Monitoring), которыми оснащены сегодня многие автомобили среднего ценового класса [11-16, 28, 29].
Автопроизводители используют акселерометры для оборудования пассажирского места и крэш-тестов, приглушения (поглощения вибраций) двигателя и приводов (исполнительных механизмов), компенсации измерений уровня масла и регулировки положения фар, адаптивного электронного торможения и т. д. [1-29].
Некоторые системы на основе акселерометров из числа рассматриваемых далее могут быть непосредственно отнесены к системам активной безопасности (ACC, электронная парковка тормоза); некоторые их них способствуют повышению дорожной безопасности автомобиля только косвенно (контроль давления накачки шин, регулировка положения фар).
Существует также ряд других автомобильных систем на основе акселерометров (инклинометров), выполняющих совершенно другие функции: например, устройства охранной сигнализации (Burglar Alarm) или компенсация измерений уровня жидкостей не могут быть отнесены непосредственно к системам безопасности или комфорта.
Говоря об общности автомобильных систем, рассматриваемых в настоящей публикации далее, можно отметить, во-первых, наличие акселерометров; во-вторых, их объединяет основное назначение, которое в общих чертах может быть определено как помощь водителю в предотвращении аварийных ситуаций и обеспечение комфорта сидящих в автомобиле людей.
Адаптивный круиз-контроль
Адаптивный круиз-контроль (Adaptive Cruise Control — ACC) — дальнейшее расширение традиционного круиз-контроля, позволяющего машине автоматически следовать за другой машиной на установленном безопасном расстоянии. ACC позволяет водителю фиксировать желаемый интервал и поддерживает его до максимальной скорости машины, также устанавливаемой водителем. Когда расстояние или скорость указывают на необходимость торможения, некоторые ACC закрывают дроссель и подают акустический сигнал, предупреждающий водителя о необходимости торможения. Передовые концепции, например система с ACC от Continental (рис. 7), уменьшают крутящий момент двигателя и задействуют торможение с максимальным усилием порядка 0,2-0,3g. Когда идущая впереди машина изменяет полосу движения или уходит с дороги, ACC вновь ускорит автомобиль до максимальной скорости.
За несколько лет ACC из лидирующих автомобилей, подобных Mercedes S-Class, мигрировал в модели среднего и низкого ценового класса. Следующее поколение полноскоростных ACC от Continental Corporation, если необходимо, замедлит машину до полной остановки, а не до 30 км/ч, как нынешние системы.
В состоянии остановки система будет детектировать любое движение впереди идущего автомобиля и подавать предупреждающий звуковой сигнал водителю, вслед за чем транспортное средство будет ускоряться автоматически до максимальной скорости, установленной водителем, сохраняя при этом необходимое безопасное расстояние в соответствии с фактическими условиями (трафиком) движения.
Давление в тормозной системе будет поддерживаться, чтобы надежно удерживать
машину в состоянии остановки без участия со стороны водителя. Другой функцией безопасности ACC, разрабатываемой Continental, является сокращение расстояния остановки по сигналам от датчиков. Давление в тормозной системе в этом случае будет увеличено для более быстрого торможения. Эта функция способна уменьшить кинетическую энергию при столкновении до 50%, что особенно важно для малых автомобилей.
Концепции интеллектуального управления от Continental IPAS (Intelligent Power Assisted Steering) и ESAS (Electric Steer Assisted Steering), интегрирование которых в 2006 году планируется в ESP II, предполагают осуществление помощи водителю в управлении на поворотах, при торможении и на скользких поверхностях.
Еще одна из удобных возможностей интеллектуальных ACC помимо идентификации текущей полосы движения — мониторинг транспортных средств, следующих по параллельным полосам.
Данные от большого числа датчиков создают фактическую картину движения, окружающего автомобиль. Системы помощи водителю, подобные ACC, задействуют радары, гироскопы, датчик угла рулевого колеса, датчики скорости колес и акселерометры.
Различные акселерометры, размещенные в автомобиле в соответствии с сетевым протоколом, предоставляют информацию ACC и другим системам об ускорении или торможении автомобиля, а также в случае, если автомобиль выполняет поворот или меняет полосу движения.
Разработки Continental AG в области реализации функций помощи водителю, несмотря на менее значимую роль в этом акселерометров по сравнению с другими видами датчиков, свидетельствуют, прежде всего, о том, что система помощи водителю может быть исчерпывающей. Датчики и обрабатывающая электроника объединяются в интегрированные блоки, которые стоят дешевле, проще в инсталляции и открывают значительные перспективы для будущих применений.
Акселерометры в системах активной подвески
В системах комфорта акселерометры применяются для адаптивного управления ездой в зависимости от дорожных условий, в том числе в электронно-управляемых системах подвески (см. рис. 8). Так называемая активная подвеска — Active Suspension — предполагает наличие акселерометров вертикального ускорения на каждом колесе с целью придания жесткости или смягчения подвески для оптимального комфорта и безопасности пассажиров.
Рис. 8. Акселерометры систем контроля подвески: а — low-g-акселерометры Continental; б — емкостной датчик ускорений Texas Instruments для контроля подвески, динамики, ABS, контроля сцепления и неровности дороги (OBDII)
Активные системы подвески перемещают каждое колесо вверх и вниз относительно корпуса машины в ответ на дорожные аномалии. С активной подвеской машина может одновременно обеспечивать как плавную поездку на мягкой подвеске, так и высокие возможности управления и маневрирования, ассоциируемые с жесткой подвеской.
Большинство активных систем активизирует перемещение колес посредством электронно-управляемых клапанов, используя насос высокого давления с гидравлическими цилиндрами. На случаи системных сбоев на каждом колесе предусмотрены пружины, чтобы избежать «насыщения» подвески; они также могут уменьшить колебания корпуса машины.
Другие варианты активных систем подвески основаны на использовании электрических двигателей или электромагнитов. Один из вариантов — на каждом колесе устанавливаются соленоиды, которые одновременно активируют перемещение колес и поддерживают вес машины вместо стандартных пружин.
В любой системе датчики определяют вертикальное положение колеса и усилие дороги, действующей на колесо. Жесткость амортизаторов корректируется для безопасности и плавной езды. Некоторые системы также используют «предварительный просмотр дороги» (радарные или лазерные датчики). Акселерометры сообщают компьютеру, когда машина ускоряется, тормозит или выполняет поворот. Компьютер непрерывно обрабатывает информацию и определяет положение каждого колеса.
В машинах высшего ценового класса система подвески, известная как компьютерная или электронно-управляемая подвеска ECS (Electronically Controlled Suspension), также спо-
собна управлять креном корпуса, продольным поворотом, торможением, ускорением и высотой езды. В машинах без датчика угла рулевого колеса боковой акселерометр измеряет центробежное усилие; дополнительные акселерометры могут использоваться для измерения крена [26]. Автомобильные акселерометры корпуса измеряют обычно до 1-3 g, датчики узла колеса — вплоть до 12 g. Эти датчики обычно бывают автономными (см. рис. 8 и 1).
Как нововведение последних лет, ECS, прежде всего, нашла свое применение в машинах верхнего сегмента рынка, подобно Mercedes Benz или BMW, где стоимостные издержки на системы комфорта ($2000-3000) менее значимы для потребителя в сравнении с общей ценой машины и уровнем обеспечиваемого ими удобства. Постепенно эта система мигрирует в менее дорогие машины, производимые в больших объемах в расчете на среднего потребителя.
Еще одной автономной функцией является активный контроль наклона, который поднимает штанги стабилизатора в передней и задней подвеске, чтобы сопротивляться наклону кузова при повороте. Управляющий модуль получает сигнал бокового ускорения от установленного на корпусе акселерометра и направляет давление от насоса к гидравлическим цилиндрам, которые поднимают штанги стабилизатора, повышая сопротивление наклону и увеличивая дорожное сцепление. Система деактивируется на низких скоростях.
Системы охранной безопасности
Передовые пассивные противоугонные системы Passive anti-theft systems (PATS) надежно защищают новые автомобили от угона использованием специального кодового ключа зажигания, ответственного за запуск и функционирование двигателя, с беспроводным приемопередатчиком. Примером является система SecuriLock T" Ford с 72 миллиардами возможных кодов (это означает, что каждый Ford, проданный в течение следующих 10 млрд лет, будет снабжен уникальным кодом).
Тем не менее угоняемые машины поднимаются домкратом и устанавливаются на платформы грузовиков или, в большинстве случаев, просто буксируются прочь. В ответ автопроизводители разрабатывают более надежные иммобилизаторы с датчиками ускорения, детектирующими подъем машины и ее наклон (изменение наклона).
Гравитационные инклинометры в системах охранной сигнализации (Vehicle burglar alarms) обнаруживают, поднят ли весь автомобиль, или отклонен только один его угол (с намерением добраться до колес или при попытке буксировки), и включают охранную сигнализацию [27]. Low-g-акселерометры (±0,5-2 g) используются в ограниченном частотном диапазоне 0-10 Гц. Типичный измерительный диапазон высокочувствительных инклинометров — 0-15° (0,3 g).
Рис. 7. Система помощи водителю от Continental с поддержкой полноскоростного адаптивного круиз-контроля и интеллектуального управления IPAS (Intelligent Power Assisted Steering) на поворотах, при торможении и на скользких поверхностях
28
компоненты
датчики
Рис. 9. Акселерометры, используемые в навигационных системах: а — акселерометры First Technology для навигационных систем,
динамической стабилизации и охранной сигнализации (противоугонных систем); б — двухосевой MEMS-акселерометр ADXL202 Analog Devices; в — трехосевой комплект акселерометров и магнитометров для продольных, поперечных и вертикальных измерений Microstrain
Электронная парковка тормозов
Электронная парковка тормозов EPB (Electronic Parking Brakes) использует инклинометры для измерения угла наклона транспортного средства, чтобы регулировать усилие торможения для обеспечения необходимого продольного наклона.
Электронная парковка обеспечивает низкоскоростной контроль сцепления и предотвращает обратное скольжение машины на наклонных поверхностях, особенно при использовании вместе с автоматической коробкой передач. Система автоматически запирается и освобождается при парковке или запуске.
Применение EPB позволяет удалить стандартные узлы — механический рычаг и проводной жгут; при этом в большинстве моделей автомобилей также освобождается пространство между передними сиденьями, которое может использоваться для других целей. Сигнал инклинометра может быть подключен к дистанционным системам для безопасной парковки в очень плотных точках.
Акселерометры в системах динамического контроля и компенсации
Огромное число потенциальных применений существует также для акселерометров в системах динамического контроля и компенсации любых параметров, измеряемых в процессе передвижения автомобиля.
Компенсация и коррекция измерений уровня жидкости (Fluid Level Compensation) в машинах может быть осуществлена с использованием информации о наклоне от инклинометра. (Применимо к измерению уровня масла при запуске или при движении вверх или вниз в горах.)
В системах регулировки положения фар (Headlamp Adjustment) согласно нагрузке автомобиля инклинометр учитывает автоматическую установку фар и обеспечивает получение надежной информации различными системами помощи водителю, включая радары расстояния.
Навигационные системы
Концепции современных навигационных систем базируются на предоставлении водителю своевременных и четких инструкций от компьютера с доступом к базе данных, который рассчитывает маршрут от точки отсчета к пункту назначения. Инструкции в речевой, графической форме или в виде прокручивающейся видеокарты подаются водителю, когда машина приближается к соответствующему перекрестку; если водитель отклоняется от предполагаемого маршрута, компьютер выбирает альтернативный маршрут и предоставляет новые инструкции.
Чтобы давать своевременные инструкции, компьютер должен знать текущее положение
машины. Обычно для этого используется автомобильная навигация на основе системы глобального позиционирования GPS (Global Positioning System), которая сегодня установлена в современных автомобилях высшего и среднего ценового класса.
На случай, когда автомобили теряют сигнал GPS в течение коротких интервалов, GPS может быть объединена с другими методами определения курса, например, дедуктивным методом счисления пути или инерциальной навигацией. (Другие методы навигации включают в себя сопоставление с картой и дельтаизмерения.)
Минимальная входная информация должна включать: набор начальных координат, направление пути и скорость.
Счисление пути и инерциальная навигация используют датчики скорости колес и (или) акселерометры и гироскопы для прослеживания перемещения и положения машины. Акселерометры используются для вычисления скорости как интеграла ускорения. Цифровой компас или гироскоп определяет направление пути. Информация затем переводится системой навигации в положение относительно точки, в которой сигнал GPS был потерян.
Существует метод определения скорости, согласно которому акселерометр определяет интервалы времени между столкновениями с неровностями дороги передних и задних колес (на участках линейного движения автомобиля) [28]. На локальных участках дорог или шоссе всегда присутствуют неровности, которые немедленно переводятся в удары и толчки колес автомобиля, синхронно детектируемые акселерометром. Для автомобиля с данной колесной базой и зависимым интервалом столкновений с неровностями дороги вычисление скорости может быть выполнено согласно уравнению [28]:
v = (W [м]/T1[v])x(3600 v)/(1000км) (1)
где v — скорость (км/ч); W [м] — колесная база (м); Tj [v] — интервал времени между ударами передней и задней оси (с).
Проблемой при регистрации данных во время движения на дорогах для акселерометра является необходимость различать пару разнесенных во времени пиков ускорения (фактически четыре пика) от вибраций автомобильной подвески с учетом различных неровностей на различных участках дорог, что требует системы фильтрации.
Для инерциальной навигации и противоугонных систем предназначены акселерометры First Technology (рис. 9а) и трехосевые аналоговые MEMS-датчики ускорения 2 g/6 g LIS3L02 STMicroelectronics. Для навигационных систем рекомендован также ADXL202 Analog Devices (рис. 9б), ШИМ-выход которого характеризуется рабочим циклом, во времени пропорциональным амплитуде ускорения. 50-процентный рабочий цикл соответствует нулевому ускорению, чувствительность характеризуется изменением рабочего цикла на 12,5% за 1 g.
Специально для трехосевых навигационных измерений разработан комплект 3DM от Microstrain на основе акселерометров, магнитометров для продольных, поперечных и вертикальных измерений (рис. 9в).
Контроль двигателя
Датчик неровности дороги в автомобильном инженерном дизайне применяется также для того, чтобы исключать шанс сбоев электронной диагностики двигателя. В связи с введением новых требований по токсичности OBDII (CARB) появилась необходимость выявлять каждый случайный пропуск зажигания по всем цилиндрам. Предусмотренная для этого методика основывается на обработ-
ке картины плавности работы коленчатого вала на соответствующих оборотах.
При движении по неровным участкам дороги на угловую скорость коленчатого вала оказывает влияние колесо. Датчик неровности дороги (см. рис. 10а и рис. 8б) регистрирует ускорение автомобиля, прямым результатом которого являются флуктуации скорости коленчатого вала.
Для того чтобы установить, происходят колебания скорости коленчатого вала вследствие пропуска зажигания или вследствие плохой дорожной поверхности, передовые системы управления двигателем регистрируют пропуски зажигания отдельных цилиндров. По сигналам от акселерометра о неровной дороге функция распознавания пропусков зажигания на это время блокируется.
Сенсорный элемент датчика неровности дороги Bosch (рис. 10а) объединяет поворотный элемент, состоящий из двух антипарал-лельных поляризованных пьезоэлектрических слоев. Если ускоряющая сила (диапазон измеряемых ускорений ±5 g) приложена к элементу, механическое напряжение генерирует изменение электрического заряда на поверхностях поворотного элемента, которое оценивается электронной схемой.
Датчики вибрации пьезоэлектрического типа пригодны также для обнаружения акустических колебаний, например нерегулярного горения в двигателях и эксплуатации
в жестких рабочих условиях. Основные области их применения:
• контроль детонации двигателей внутреннего сгорания (рис. 10б,в);
• защита машинных инструментальных средств;
• обнаружение кавитации;
• мониторинг подшипников;
• системы охранной сигнализации.
Системы наблюдения давления в шинах
Одно из потенциальных высокообъемных применений для технологий MEMS и WIMS (см. далее) формируют системы проверки давления в шинах (TPS — Tire Pressure Monitoring), введение которых предписывается актом U. S. Government's NHTSA's TREAD (Transportation Recall Enhancement, Accountability and Documentation). Введение систем проверки давления шин регламентировано во всех машинах, которые будут выпущены в США начиная с 2006 года, согласно стандарту FMVSS № 138 [29-31]. По прогнозам автопромышленных аналитиков, более чем 17 миллионов TPS будет установлено в автомобилях уже к 2007 году.
Правила NHTSA Final Tire Pressure Monitoring Rule предписывают всем автомобилям устанавливать TPS, для того чтобы сигнализировать водителю, когда давление в шине снижается более чем на 25%. Результаты исследования [30] показывают, что 27% легковых автомобилей в США обычно имеет по крайней мере одну значительно недока-чанную (на 25%) шину.
Проверка предназначена не только для обнаружения спущенной шины. Давление шины непосредственно связано с автомобильной безопасностью:
• снижение управляемости («under steering» вследствие низкого давления передней шины и «over steering» вследствие низкого давления задней шины);
• значительное уменьшение срока службы шины вследствие перекачки или недокач-ки (отклонения в 0,4х105 Па от оптимального давления соответствуют потере 30% срока службы);
• недокачка на каждые 0,6х105 Па увеличивает потребление топлива примерно на 4%;
• гидропланирование на мокрых участках на высоких скоростях (выше 100 км/ч);
• недокачка шины на 50% (1,2х105 Па вместо 2,4х105 Па) на скоростях более 100 км/ч увеличивает расстояние торможения автомобилей с ABS до 10 м;
• некорректное давление шины мешает управлению подвеской.
По оценкам NHTSA, введение TPS позволит сохранить 120 жизней в год, в то время как средняя цена TPS составит всего $48,44-69,89 на машину.
Снижение давления выше определенного предела активизирует систему тревоги.
На приборной панели загорается индикатор, предупреждающий о низком давлении.
Существуют два способа реализации TPS. Согласно первому датчики давления, установленные в каждом колесе, периодически посылают данные на приемник. В прямой системе каждая система проверки давления шины содержит микроконтроллер и высокочастотный RF-передатчик, который передает информацию водителю на приборную панель.
Другой способ задействует четырехколесную систему ABS, включая датчики скорости колес, акселерометры и локальный компьютер. Если давление в шине становится низким, данное колесо будет вращаться быстрее, чем другие колеса. Различия в скорости позволяют детектировать низкое давление, предупреждающий индикатор будет сигнализировать об этом водителю.
В настоящее время поставщики автоэлектроники предпочитают косвенным методам метод прямой проверки давления (предписываемый NHTSA), согласно которому каждая автомобильная шина снабжена датчиком давления в узле колеса. Косвенные методы вычисляют давление шины из других параметров, поэтому фактически таким образом осуществляется оценка, а не точное чтение. Кроме того, не все автомобили оснащены ABS.
Акселерометры используются совместно с прямой системой TPM и, размещаясь в шине, активируют TPM только в случае, когда колесо находится в движении, что позволяет продлить срок службы датчиков давления, питающихся от батареи (в активных системах TPS, в отличие от пассивных систем, не использующих батареи).
Новые системы TPS характеризуются многофункциональностью и проникновением беспроводных технологий. Например, Motorola (Freescale) разработала чипсет MPXY8000 для прямого измерения давления и температуры в шине с радиочастотным передатчиком.
Легислация TPS в США логически подводит к обсуждению нескольких следующих направлений, формируемых сегодня на рынке автомобильных датчиков.
Первое направление — стратегическое — главным образом реализуется в увеличении числа беспроводных датчиков, в том числе беспроводных микромеханических (Wireless microsystems — WIMS) датчиков, например, давления, многие из которых непосредственно адресованы автомобильным системам и TPS (рис. 11). WIMS представляют собой комбинацию интегрированных схем, мик-роэлектромеханических систем, сенсоров и исполнительных микросистем, а также фотонной технологии на чипе ИС; WIMS считывают, обрабатывают, передают информацию.
Research and Markets прогнозирует, что мировые продажи устройств MEMS и WIMS приблизятся к $100 млрд в 2009 году, в течение
Рис. 10. Датчики систем управления двигателем: а — датчик неровности дороги Bosch 0 273 101 021; б — пьезоэлектрические датчики вибрации двигателя (датчики детонации) Bosch 0 261 231/148/153/118
с диапазоном измерений 0,1—400g на 1—20 кГц; в — новый пьезокерамический датчик детонации SiemensVDO с диапазоном измерений 0—400g и частотным диапазоном 3—25 кГц
30
компоненты
датчики
Беспроводные сенсоры для автомобилей
Измеряют деформацию, крутящий момент, температуру, ускорение и ориентацию
Контроль качества размеров зазора на внешней части крыла корпуса и двери
Измерение ускорений и перемещений в системе подвески
Измерение давления и температуры в шине
Контроль вибрации и мониторинг деформации колес
Рис. 11. Концепция беспроводных инерциальных систем в автомобиле Microstrain
следующих 25 лет их потенциальные продажи ожидается измерять в триллионах долларов [32].
Вторая концепция, имеющая самое непосредственное отношение к акселерометрам, представляет собой объединение датчиков в многофункциональные сенсорные кластеры и также характеризуется ярко выраженным проникновением беспроводных технологий (рис. 12).
Сенсорные кластеры
Концепция автоэлектроники автомобилей следующих поколений предполагает использование единого автомобильного IMU (Inertial Measurement Unit). Сенсорная группа с шестью степенями свободы будет выполнять сенсорные функции для многих систем: контроля динамики автомобиля (см. рис. 4), предупреждения событий «rollover», развертывания подушек безопасности, навигации, управления колесами; многие другие системы могут обслуживаться одним IMU, который в состоянии заменить десятки отдельных датчиков (рис. 12).
Systron Donner Automotive Division ведет разработку микрогироскопа, объединенного с MEMS-акселерометрами.
Коммерчески доступным в настоящее время является трехосевой блок 3DM-GX1 AHRS от Microstrain, объединяющий функции трехосевых акселерометров, магнитометров и датчиков угловой скорости (рис. 12а), сигналы которых, получаемые в полном диапазоне 360° по всем трем осям, обрабатываются во встроенной схеме с мультиплексором, 16-битным АЦП и микроконтроллером, с выходным сигналом преимущественно в цифровом формате, индицирующим его ориентацию в статическом или динамическом рабочем окружении; выходные режимы
и статические настройки работы при этом программируются пользователем.
Crossbow Technology предлагает широкий спектр продукции для автомобильного тестирования — серию акселерометров TG и инерциальную волоконно-оптическую систему FOGAUTO (Fiber Optic Gyro Automotive) VG700AA (рис. 12б) с тремя гироскопами, трехосевым MEMS-акселерометром и DSP. Система VG700AA способна детектировать угловое положение автомобиля относительно земли и имеет интерфейс RS-232 или аналоговые выходы.
Новинка 2005 года— ^NAV от Crossbow (рис. 12в) — миниатюрный датчик для наземных и воздушных транспортных средств. 9-осевой сенсорный блок включает акселерометры, датчики угловой частоты вращения и магнитометры, а также датчики статического и динамического давления и GPS-ресивер. Радиоуправление позволяет напрямую подключать удаленные сервомеханизмы к устройству.
MEMSENSE в 2005 году анонсировала MAG3 (рис. 12г) — блок IMU размерами 17,5x17,5x10 мм для инерциальных измерений, комбинирующий трехосевой акселерометр, трехосевой датчик угловой скорости и магнитометр.
Новейшее дополнение MEMSENSE (рис. 12д) — блок инерциальных измерений на микропроцессорной основе nIMU размерами 45x22,5x12,5 мм.
Еще одна новинка 2005 года — беспроводной датчик ориентации и инерциальных измерений IMU от MicroStrain Inc. (рис. 12е). Его размеры 44x58x21 мм, вес 45 г без батареи. Датчик включает три ортогональных гироскопа, три ортогональных акселерометра, микропроцессор, сборщик данных и радиотрансивер. Опции коммуникаций — беспроводной интерфейс IEEE 802.15.4, USB, RS-232/485 и шина CAN. Устройство обеспе-
Рис. 12. Сенсорные кластеры и развитие концепции беспроводных автомобильных блоков инерциальных измерений:
а — трехосевой 3DM-GX1 AHRS Microstrain, объединяющий функции трехосевых акселерометров, магнитометров и датчиков угловой скорости; б — Crossbow VG700AB — волоконно-оптическая
вертикальная гиросистема для автомобильного тестирования и блок инерциальных измерений; в — 9-осевой сенсорный блок pNAV от Crossbow Technology — миниатюрный датчик для наземных и воздушных транспортных средств; г— MAG3Memsense— блок IMU для инерциальных измерений;
д— блок инерциальных измерений nIMU Memsense; е — новый MicroStrain Inertia-Link — беспроводной
автомобильный датчик ориентации IMU
чивает: регулируемую скорость дискретизации, цифровые режимы вывода данных, программируемый диапазон полной шкалы ±1200°/с или ±10 g, а также беспроводной коммуникационный диапазон 70 м.
Заключение
Чтобы успешно внедрять акселерометры во вновь разрабатываемые автомобильные системы, необходимо выполнить еще один шаг — проанализировать перспективные рабочие принципы и произвести анализ существующей элементной базы MEMS-акселерометров, обсуждение которых будет темой следующей публикации. ■
Литература
20. Murray C. Airbags inflate need for a parts redesign // EE Times. 06/07/04. http://www.embedded.com/ showArticle.jhtml?articleID=21401632
21. Kong H., Wallner E., Delphi Automotive Systems. Automotive rollover angular rate sensors. SAE Technical Paper Series 1999-01-430, International Congress and Exposition. Detroit, Michigan, USA. March 1999. www.delphi.com/pdf/techpapers/ 1999-01-0430.PDF.
датчики
22. Viano D. C., Parenteau Ch. S. Rollover Crash Sensing and Safety Overview. 2004 SAE World Congress. Detroit, Michigan, USA. March 2004. www.delphi.com/pdf/techpapers/2004-01-0342.pdf, www.sae.org
23. Peter J. Schubert, David Nichols, Edward J. Wallner, Henry Kong, Jan K. Schiffmann. Electronics and Algorithms for Rollover Sensing. SAE World Congress. Detroit, Michigan, USA. March 2004. www.delphi.com/pdf/techpapers/2004-01-0343.pdf, www.sae.org
24. Nice K. How Crash Testing Works. www.howstuffworks.com/crash-test.htm
25. Recording Automotive Crash Event Data. Augustus «Chip» Chidester, Hinch J., Mercer T. C., Schult K. S. www.nhtsa.dot.gov/cars/problems/studies/record/ chidester.htm
26. Tilt-Sensing with Kionix MEMS Accelerometers. PN: AN005 — 040915. www.kionix.com/App-Notes/ AN005 KXM52 Tilt Sensing 040916.pdf
27. Weinberg H., Lemaire Ch. Using The ADXL202 Accelerometer As A Multifunction Sensor (Tilt,
Vibration And Shock) In Car Alarms. Technical note Analog Devices. www.analog.com
28. Shih P., Weinberg H. A Useful Role For The ADXL202 Dual-Axis Accelerometer In Speedometer-Independent Car-Navigation Systems. www.analog.com/library/analogDialogue/ archives/ 35-04/ADXL202
29. Jeff Burgess. Tire Pressure Monitoring: An Industry Under Pressure // Sensors Magazine. July 2003. www.sensorsmag.com/articles/0703/29
30. Thiriez K. K., Ferguson E., Subramanian R. 12 & 15 Passenger Vans Tire Pressure Study: Preliminary Results. DOT HS 809 846 Traffic Safety Facts Research Note. May 2005. www-nrd.nhtsa.dot.gov/ pdf/nrd-30/NCSA/RNotes/2005/809846.pdf
31. Jeff Burgess. Tire Pressure Monitoring System Reference Design. Application Note AN1951/D Rev 1, 05/2003. Motorola Inc. www.freescale.com/ files/sensors/doc/app_note/AN1951.pdf
32. The New Dimension in Microsystems. MegaTech Resources. Jan 2005. www.researchandmarkets.com/ reports/c12046
Производители автомобильных акселерометров и гироскопов:
Analog Devices Inc. (ADI) www.analog.com
Aleph International Corporation
www.aleph-usa.com Alpha Technologies Inc. www.alphat.com
Continental Teves AG & Co.,
Conti Temic microelectronic GmbH
www.contiteves.de, www.conti-online.com Crossbow Technology, Inc. www.xbow.com Delphi Technologies www.delphi.com/
products/auto/conn_int/intellek DENSO International America, Inc
www.densocorp-na.com BREED Technologies , Inc. www.breedtech.com Endevco Corp. www.endevco.com/
monitoring/products_vibration.htm www.endevcomedical.com Entran www.entran.com/atoc.htm
Honeywell International Inc. (Inertial sensor)
www.inertialsensor.com First Technology www.1firsttech.com
Freescale Semiconductor, Inc. (Motorola)
www.freescale.com Fujikura Ltd. www.fujikura.co.jp
Kionix www.kionix.com
Kistler www.kistler.com
Measurement Specialties, Inc.,
www.msiusa.com/sensors www.memsense.com
www.memsic.com
www.microstrain.com
www.monitran.co.uk
Memsense Memsic, Inc Microstrain Monitran Ltd Orion Devices LTd.
www.btinternet.com/~oriondevicesltd/acc.htm
PCB Piezotronics www.pcb.com
Robert Bosch Gmbh www.bosch.com,
www.boschusa.com, www.bosch.de, www.rtc.bosch.com
SensorOne
www.sensorone.com/SA20_Home.asp Schmidt Technology GmbH
www.schmidt-feintechnik.de
Siemens VDO Automotive AG
www.siemensvdo.com,
www.usa.siemensvdo.com,
www.usa.siemens.com
Silicon Designs
www.silicondesigns.com/Prod.html
Silicon Sensing Systems (SSS) BAE SYSTEMS and Sumitomo Precision Products Ltd Summit Instruments, Inc.
www.summitinstruments.com/index.htm STMicroelectronics www.st.com
Systron Donner Automotive Division,
BEI Systron Donner Inertial Division
www.systronauto.com Texas Instruments, Inc. www.focus.ti.com,
www.ti.com/snc/products/sensors/auto-cas.htm TOKAI RIKA CO., LTD www.tokai-rika.co.jp
VTI Technologies www.vti.fi/en/index.html Infineon Technologies AG, Sensonor,
An Infineon Technologies Company
www.infineon.com MicroSensors, Inc. (Irvine Sensors Corporation)
www.microsensors.com
Список производителей автомобильных модулей и систем на основе акселерометров:
ADVICS CO., Ltd,
ADVICS Manufacturing Ohio, Inc.
www.advics-ohio.com www.aisin.com, www.aisinworld.com www.aisin-aw.co.jp www.autoliv.com www.combi-intl.com
AISIN SEIKI CO.,LTD
Aisin AW Co., Ltd.
Autoliv Inc.
Combi USA, Inc.
CORRSYS-DATRON Sensorsystems, Inc
www.corrsys-datron.com Dorel Juvenile Group, Inc. www.djgusa.com Renesas Technology Corp. www.renesas.com SmarTire Systems Inc. www.pressurealert.net Scantec GmbH www.scantek.de
TAKATA Americas www.takata.com.
TOKAI RIKA CO., LTD www.tokai-rika.co.jp/en Visteon Corporation www.visteon.com
