CC BY
27Современное состояние и перспективы развития автомобильных систем мониторинга
давлений в шинах
Бузников С.Е. (inkaplus@yadex.ru)
Московский государственный институт электроники и математики
(Технический университет)
Широкий спектр мнений экспертов в области автомобильной безопасности, к числу которых относят себя большинство автомобилистов в России, как правило, характеризуется категоричностью суждений и полярностью оценок новинок автоэлектроники. В этом смысле, появление систем мониторинга давлений в шинах, в основном зарубежного производства, не является исключением из общего правила.
Рекламная деятельность дилеров зарубежных фирм, продвигающих свою продукцию на российском рынке, истинную ситуацию еще более запутывает. Это не позволяет потребителю сформировать адекватную оценку происходящего и сделать правильный выбор в ответе на вопрос: нужна ли ему вообще такая система или нет, а если нужна - то какая из предлагаемых?
Попытки разобраться в этой проблеме на эмоциональном или бытовом уровнях восприятия действительности, характерном для ряда представителей печатных и электронных СМИ, также не дают объективной картины и не могут рассматриваться всерьез.
Целью настоящей статьи является попытка приблизиться к истине, опираясь на результаты содержательного анализа проблемы, способов и средств ее решения, положенных в основу технической продукции, предлагаемой на современном рынке автоэлектроники.
Актуальность проблемы мониторинга давлений в шинах в движении определяется как соображениями безопасности, так и соображениями экономии горючего, ресурсов шин и подвески.
По данным статистических исследований компании Ро^е из-за пониженного давления в шинах в Западной Европе происходит до 75% всех автомобильных аварий и до 10 % аварий со смертельными исходами.
Необнаруженные падения давлений в шине приводят к непрогнозируемым изменениям направления движения при торможениях, разгонах и на виражах, особенно на скользких покрытиях.
Как показывают результаты исследований, подтверждаемые практическим опытом, критичными для шин управляемых передних колес являются разности давлений порядка 0.2 + 0.3 бар и 0.5 ^ 0.7 бар - для задних.
Другой, достаточно частой причиной столкновений, обусловленных разгерметизацией шин, является аварийная парковка на опасных участках с ограниченной видимостью из-за топологии трассы, условий освещенности, сужений дорожного полотна и др.
Постоянный мониторинг и своевременное обнаружение падений давлений в шинах на начальных стадиях этого процесса позволяют исключить как возникновение опасных асимметрий шин, так и обеспечить запас времени для принятия решения и выбора места безопасной аварийной парковки.
Экономия горючего, ресурсов шин и подвески на фоне аварий со смертельными исходами выглядит некоторым вторичным эффектом, однако использование таких систем позволяет их владельцу экономить деньги. Так, своевременное обнаружение падения давления в шине в результате ее прокола, предотвращает движение на ободе с последующим разрушением корда, отслоением протектора и необходимостью приобретения новой шины.
При современном уровне цен на наиболее распространенные модели шин ведущих западных фирм порядка $ 100 ^ 150, оснащение автомобиля системой мониторинга давлений стоимостью такого же порядка представляется обоснованным и понятным даже среднему потребителю.
Современное состояние проблемы мониторинга давлений в шинах автомобилей характеризуется двумя сложившимися направлениями ее решения с помощью:
- систем прямого измерения давлений;
- систем косвенного измерения давлений.
Первое направление исторически зародилось в японском проекте " Ниссан -2000" в начале 80-х годов 20 века. За основу была принята схема прямого измерения, содержащая полупроводниковые тензодатчики давлений, микроконтроллер обработки данных первичных измерений, приемно-передающее устройство и
источник автономного питания, размещаемые в монолитных блоках внутри каждой шины и приемно-передающего устройства, подключенного к бортовому компьютеру в салоне автомобиля.
В настоящее время ряд ведущих производителей шин (GoodYear, Dunlop, Continental, Mishelin, Nokia) выпускает такие системы мониторинга давлений по ценам в РФ от $ 300 до $ 600 за комплект.
К числу основных технических проблем, с которыми пришлось столкнуться разработчикам систем первого направления, относятся:
- значительное влияние температуры в полости шины на результаты измерения давления, что потребовало введения в состав измерительной части датчиков температур с целью компенсации температурной погрешности;
- экранирующее действие металлокорда шин для радиосигналов, что потребовало изменения конструкции и материалов кордов шин;
- недостаточная прочность монолитного блока датчиков и его элементов, в частности литиевых батарей, в условиях значительных перегрузок (более 250 g при скорости более 150 км/ч);
- ограниченный ресурс источников питания и жесткие ограничения по температуре (- 20 - + 100 С);
- значительная трудоемкость монтажа в колесах автомобиля, обусловленная необходимостью разбортовки шин с обязательной последующей балансировкой.
Решения последних 3-х технических проблем в настоящее время не найдены и образуют комплекс недостатков систем прямого измерения, дополняемый ограничением области их применения бескамерными шинами без металлокорда.
Решение проблемы замены металлокорда в конструкциях шин фирмой Firestone, дочерним предприятием концерна Brigestone, сопровождалось в 2000 г. серией катастроф, вызванных конструктивными дефектами кордов шин и их внезапными разрушениями, что привело к 270 смертельным случаям.
Этот прискорбный эпизод послужил толчком для разработки законопроекта об обязательном оснащении всех шин датчиками давления. Требование о включении датчиков давления рассмотренного типа в обязательную комплектацию автомобилей в США поступило в Белый Дом от Национальной Администрации по Дорожной Безопасности (NHTSA), а рассмотрение законопроекта ожидается осенью 2004 года.
Следует отметить то, что дефекты конструкции кордов шин логически никак не связаны с задачей мониторинга давлений, а для обнаружения недопустимых износов кордов должна решаться задача мониторинга их состояния. Решения этой задачи выходит за пределы потенциальных возможностей систем прямого измерения давлений.
Второе направление, основанное на косвенных измерениях разностей давлений по частотам вращения колес, получило развитие в конце 80-х годов 20 века, когда был опубликован патент на способ косвенного измерения давлений [1], авторами которого были сотрудники британской фирмы "Dunlop", старейшего производителя автошин.
В основе способа лежит линейная зависимость статического радиуса шины от давления воздуха в ней, определяемая законом Гука для упругих деформаций. По экспериментальным данным для шин со статическими радиусами от 250 до 320 мм изменение давления на 1 бар сопровождается изменением статических радиусов на 1 мм.
При прямолинейном движении без скольжений все колеса автомобиля имеют одинаковые линейные скорости, а угловые скорости определенным образом зависят от статических радиусов и, соответственно, от давлений. Падения давления в шине приводит к тому, что колесо начинает вращаться несколько быстрее других. Измерение частот и их обработка позволяют получить оценки разностей давлений и их абсолютных значений.
Привлекательность этого способа состоит в том, что он не требует для своей технической реализации никаких дополнительных аппаратных средств, если автомобиль оборудован датчиками антиблокировочной системы (ABS) и бортовым компьютером для обработки и отображения результатов измерений.
Естественно, что все проблемы и ограничения, характерные для систем прямого измерения давлений, полностью утрачивают свою остроту, что само по себе придает системам косвенных измерений несомненные преимущества.
В настоящее время для автомобилей с ABS фирмы Dunlop и Continental разработали системы Warnair и DDS, предлагаемые в качестве опций в составе ESP (Electronical Stability Programm) для автомобилей GM, BMW M3, 5, 7 серий и Mercedes Benz S и Е классов и других.
Стоимость этой опции для Mercedes Benz С -класса составляет $ 70.
Однако и это метод, используемый в неизменном виде, имеет существенные недостатки. К ним относятся:
- невозможность идентификации положения колеса с шиной пониженного давления, что обусловлено интегральным видом функционала F, используемого для оценки: F= | P1 - P2 - P3 + P4 |, где Pi (1 < I < 4) давления воздуха в i-ой шине; i = 1; 3 передняя и задняя шины левого борта и i = 2;4 передняя и задняя шины правого борта ;
- невозможность обнаружения одновременного снижения давления в недиагональных парах шин: P1, P2; P1; P3 ; P2, P4; P3, P4;
- значительный, для задачи оценивания частот, уровень шума измерений порядка 0.2 %, что ограничивает пороговое значение обнаружения падений давлений уровнем ~ 0.6 бар;
- дополнительное влияние на суммарную погрешность оказывают микроскольжения колес и прохождение виражей, что сопровождается ложными срабатываниями аварийной сигнализации.
Попытки западных инженеров преодолеть отмеченные недостатки на протяжении последних 15 лет не сопровождались сколь-нибудь заметными достижениями.
Включение же программ косвенных измерений в качестве дополнительной опции ESP в настоящее время носит, на наш взгляд, скорее рекламный характер.
Кроме того, область применения этих систем косвенного измерения ограничивается автомобилями, оборудованными датчиками ABS и бортовыми компьютерами.
Прогноз состояния рынка автомобильных систем активной безопасности
в РФ, США и Европе.
По оценкам рыночных аналитиков к 2008 году рынок автомобильных систем безопасности будет расти более, чем на 10 % в год и достигнет объема продаж в 6.8 млрд. долларов в основном за счет новых моделей.
Опубликованные в последнее время данные исследования специалистов General Motors Company (GMC) содержат выводы о неудовлетворительной психологической совместимости водителей и ABS. Основываясь на этих выводах, администрация GMC планирует отказаться от установки ABS на некоторые модели своих автомобилей. Такое решение для фирмы Bosch - крупнейшего производителя
ABS (примерно 23 млн. комплектов ежегодно) создает опасность резкого сокращения производства. Это, вероятно, объясняет необычную законодательную активность Минтранса РФ, обнародовавшего в сентябре 2004 г. проект закона об обязательном и срочном оснащении ABS и подушками безопасности всего отечественного автопарка, составляющего около 25 млн. единиц.
Сложность проблемы в экономическом аспекте определяется тем, что для придания статуса алгоритмической разрешимости задаче предотвращения столкновений необходимо оснащение многофункциональными системами активной безопасности всего автопарка, включая старые автомобили низших ценовых категорий. Учитывая, что стоимость ядра аппаратных средств, включая датчики и исполнительные устройства, наиболее распространенных зарубежных систем стабилизации продольных и поперечных скольжений колес (ABS, ASR, ЕSР и VCS) превышает тысячу долларов, возможность оснащения ими действующего парка автомобилей представляется весьма проблематичной.
Российские автозаводы традиционно ориентированы на производство автомобилей низшей ценовой категории и не оборудуют их ABS или другими системами активной безопасности.
Значительное количество иномарок 5 + 10 летнего возраста, эксплуатируемых в РФ (порядка нескольких миллионов), также не оснащены ABS и бортовыми компьютерами.
Российская и зарубежная шинная промышленность продолжают производить как и бескамерную, так и камерную резину с металлокордом.
В этих условиях продвижение на российском автомобильном рынке предлагаемых двух типов систем зарубежного производства сталкивается с объективными и практически непреодолимыми трудностями.
Учитывая, что западные стандарты безопасности с запаздыванием в 3 - 5 лет неминуемо будут вводиться и в России, автомобилистам остается лишь смириться с этим фактом и сосредоточить свои усилия на выборе системы мониторинга давлений, соответствующей их автомобилю, используемым шинам и личными финансовыми возможностями.
Следует отметить, что уже сегодня разработаны отечественные многофункциональные системы активной безопасности [2], предусматривающие индикацию водителю информации о приближении к границам опасных режимов, а
собственно управление тормозами, акселератором, трансмиссией и рулевым колесом выполняется водителем.
Цены на такие системы сегодня не превышают $ 150 - 200 в зависимости от объемов функций, их установка на автомобиле не вызывает затруднений, что снижает остроту экономического аспекта проблемы для автомобилей низшей ценовой категории.
Для автомобилей средней ценовой категории автоматическое выполнение некоторых функций, например, стабилизации продольных скольжений колес, требует дополнительных исполнительных устройств (управляемых гидроклапанов, гидронасосов и др.) что, естественно, несколько увеличивает цены на системы этого класса.
Для автомобилей высокой ценовой категории может предусматриваться автоматическое выполнение большинства функций управления за счет введения в состав системы датчиков дистанций, состояния внешней среды и др.
Общими функциями для интеллектуальных систем активной безопасности различных ценовых категорий являются косвенные измерения координат состояния и их динамических границ, а также индикация приближения к границам опасных режимов. Выбор уровня автоматизации управления и необходимой для этого конфигурации технических средств остается в этом случае за владельцем автомобиля любой ценовой категории.
В качестве примера интеллектуальной системы мониторинга давлений рассмотрим отечественную компьютерную систему ИНКА - ПЛЮС, разработанную в Московском государственном институте электроники и математики.
ИНКА - индикатор нормы колес автомобиля - система, предназначенная для измерения и индикации падений давления воздуха в шинах всех моделей легковых автомобилей российского и зарубежного производства.
ИНКА - система не имеет зарубежных аналогов, запатентована в РФ и зарегистрирована во Всемирной организации интеллектуальной собственности (WIPO).
Принцип действия ИНКА - системы основан на прецизионных измерениях частот вращения колес и использовании оригинальных математических моделей и алгоритмов [3] косвенных измерений.
В состав ИНКА - системы [4] входят:
- блок обработки и индикации информации (ИНКА - ПЛЮС), устанавливаемый на приборной панели (рис. 1)в удобном для водителя месте;
- датчики первичной информации индукционного типа, измеряющие приращение углов поворота колес (рис. 2);
- кабель связи, выполняющий коммутацию датчиков с блоком обработки и индикации информации;
- соединитель питания блока ИНКА - ПЛЮС, подключаемый в штатное гнездо прикуривателя.
Рис. 1. Блок обработки и индикации ИНКА - ПЛЮС на приборной панели автомобиля.
Датчики ИНКА - системы состоят из двух диаметрально расположенных постоянных магнитов, наклеиваемых внутри обода и индукционной катушки, устанавливаемой на тормозном щите с помощью кронштейна.
Датчики ИНКА - системы не подвержены влиянию температур в диапазоне - 40 + 120° С, загрязнений, вибраций, влаги и других реальных факторов. Срок их
службы практически не ограничен, а установка не требует внесения изменений в конструкцию агрегатов автомобиля.
Рис. 2. Датчик индукционного типа ИНКА - системы.
Датчики ИНКА - системы подключены к блоку обработки и индикации информации по токовой схеме, что позволяет полностью подавить электромагнитные помехи от распределителя зажигания и других источников помех.
Датчики ИНКА - системы не требуют подключения к источнику питания и не нуждаются в повторных настройках, регулировках и техническом обслуживании в процессе эксплуатации.
Независимо от того, какая судьба ожидает AB S в ближайшем будущем в США и Европе, разработка математического обеспечения прецизионных измерений координат состояния автомобиля, включая давление воздуха в шинах, может использоваться в форме коммерческого продукта как в сложившейся конфигурации технических средств ABS, так и с датчиками ИНКА - систем.
Для ИНКА - систем отсутствуют ограничения по типам шин, необходимости демонтажа и дополнительной балансировки колес, по сроку эксплуатации, что
определяется использованием датчиков индукционного типа, проводной линии связи и схемы расположения магнитов на ободе колеса.
Идеология построения ИНКА - систем допускает наращивание функций косвенных измерений переменных состояния и их динамических границ программным путем без увеличения количества датчиков первичной информации, что обеспечивает как полную наблюдаемость и управляемость объекта в движении, так и решение задачи предотвращения столкновений в ее наиболее полной алгоритмически разрешимой постановке. Относительно низкая стоимость комплекта ИНКА - системы и отсутствие ограничений по установке датчиков позволяют оснащать ими все модели автомобилей, включая автомобили низших ценовых категорий.
Сравнительный анализ технических характеристик ИНКА - систем, известных западных моделей, состояния и перспектив развития рынка автомобильных систем безопасности в РФ, Западной Европе и США, позволяет сделать вывод о том, что ИНКА - системы наиболее адаптированы к российским условиям и могут успешно конкурировать с системами аналогичного назначения и на западном рынке.
Литература
1. John C. Walker, Thomas Holmes. Method of detecting a deflated tire on vehicle. US Patent (№ 4, 876.528) Oct. - 1989. - 24.
2. Бузников С.Е. Автомобильные ИНКА-системы контроля // Конверсия в машиностроении, 1995, № 1, с. 47-50.
3. Бузников С.Е. Математическое обеспечение ИНКА-систем контроля давления в шинах // Измерительная техника, 1994, № 7, с. 45-48.
4. Бузников С.Е., Елкин Д.С. Компьютерная система активной безопасности автомобиля ИНКА - ПЛЮС.// http:// www.12v-club.ru/articles/6/114/index.html, 07.09.2004.
