УДК 681.51

Исследование и разработка бортовой информационно-управляющей системы транспортного средства

Кондрахин Владимир Сергеевич – магистрант МИРЭА – Российского технологического университета.

Аннотация: В данной статье мною была исследована и разработана бортовая информационно-управляющая система подвески транспортного средства. Было произведено множество действий, включая разработку структурной и электрической принципиальных схем, выбор элементной базы, а также создание алгоритма работы для различных ситуаций во время движения автомобиля. Также было создано программное обеспечение для контроллера, который управляет системой. Результаты экспериментов показали, что разработанная мной бортовая информационно-управляющая система снижает нагрузку на элементы подвески на 20-25% по сравнению с неавтоматизированной системой и является эффективной.

Ключевые слова: бортовая информационно-управляющая система, адаптивная подвеска, регулируемая подвеска, лазерные дальномеры, электромагнитные клапаны, моделирование системы, Amesim.

Бортовая информационно-управляющая система (БИУС) автомобиля очень сложна, так как должна непрерывно оценивать все показатели движения, состояние элементов автомобиля, информировать водителя о полученных данных и генерировать действия, управляющие автомеханизмами с целью исполнения самых разных задач.

БИУС функционирует следующим образом: сигнальные импульсы от всех датчиков, которые установлены на машине, передаются в компьютер, генерирующий выводы о состоянии подсистем и механизмов, и предоставляющий эти сведения управляющим системам и водителю. Устройство информационной части БИУС включает датчики, диагностирующие данные от объекта наблюдения; преобразователи, получающие автосигналы с датчиков, преобразуя их в цифровые данные для последующей расшифровки; устройства, обрабатывающие все сведения и оценивающие диагностированные данные, следуя запрограммированному алгоритму; устройства вывода результатов диагностики, записывающие их на какой-либо носитель.

Другие важные компоненты информационно-управляющей структуры автомобиля:

  • Электронный блок управления (ЭБУ), в работе которого используются цифровые технологии, основанные на интегральных микросхемах. ЭБУ включает 7 микросхем и 4 блока: усилитель входных сигналов ABS, формирующий и усиливающий сигнальные импульсы от датчиков; управляющий блок ABS, усиливающий приводную мощность в тормозном модуляторе; расчетный блок ABS, выполняющий сложные математические операции, сравнивающий скорости колес, в том числе угловые, определяющий степень их замедления или заноса, выдающий команды соответствующим механизмам; блок ABS, который отслеживает ошибки, отключающий при неисправности антиблокировочную тормозную систему, тогда как ведущая система тормозов продолжает оставаться рабочей.
  • Система антипробуксовки электрогидравлическая (ASR), или система, контролирующая тягу, которая должна предотвращать потерю сцепления шин с дорогой при помощи контролирования скольжения колес. Антипробуксовочная система гарантирует стабильность автосредства и меняет колесное скольжение в рамках приемлемых показателей в моменты ускорения, когда чрезмерный крутящий момент стремительно увеличивает частоту вращения колес.
  • VDC - система динамического управления, обеспечивающая устойчивость при вождении и работающая в комплексе с системой тормозов. Она предугадывает поворот машины и позволяет ей двигаться по запланированному курсу. Достоинства ASR и ABS дополняются VDC, значительно повышая степень безопасности водителя в течение всего времени поездки. Система VDC активно помогает водителю, увеличивая и поддерживая динамическую устойчивость в критические моменты, а также в различных режимах торможения, ускорения, передвижения на небольших скоростях, при меняющихся весовых нагрузках. VDC способна поддерживать управляемость даже в аварийных и непредвиденных ситуациях, и улучшать проходимость автомобиля на очень плохом дорожном покрытии за счет более полной эксплуатации потенциала, возникающего при трении между дорогой и шинами. VDC изменяет параметры рулевого управления посредством сервоконтроля скольжения колес, причем система следит и за углом курса, и за скоростью по отношению к вертикальной оси. VDC применима и при вождении на маленькой скорости, активируясь в момент частичного торможения, выполняемого на предельных физических возможностях управления машиной. Подобное управление автомобилем учитывает 3 направления движения относительно плоскости дорожного покрытия – поперек, вдоль, относительно вертикальной оси. При этом система берет во внимание и номинальное ведение, то есть как действует человек за рулем, и фактическое – как реально ведет себя автосредство. Разница между ними должна быть минимальной, для этого сила скольжения шин должна контролироваться механизмами исполнения команд VDC. Устойчивостью курса машины управляют главный контроллер системы наряду с контроллерами колесного скольжения. Одновременно блок отслеживания непрерывно оценивает показатели угла курса.

Управляющая система автомобиля оценивает также сигнальные импульсы от датчиков, контролирующих давление в тормозной системе и положение колес, и от органов, управляющих функционированием двигателя. На базе сигнальных импульсов от датчиков, отслеживающих угловую скорость, скорость вращения колес, поперечное ускорение, рассчитываются показатели степени сцепления между дорогой и шинами, скорость движения машины. Для достижения минимальной разницы между характеристиками требуемого и действительного состояния система непрерывно рассчитывает моменты движения по отношению к вертикальной оси. Контроллер VDC определяет изменения параметров скольжения шин, чтобы получить нужный момент рыскания. Далее, сигналы от контроллеров скольжения колес и тормозного модулятора давления, который влияет на тяговое усилие, передаются в блок, управляющий тягой двигателя. Гидравлический модулятор давления, у которого имеются расширенные возможности ASR, обеспечивает повышенную степень торможения (причем при самых разных температурах), поддерживая при этом требуемое разделение контуров торможения. При помощи интерфейса CAN устанавливается нужный крутящий момент двигателя.

Информационно-управляющая система, которая установлена в автомобиле, выполняет целый ряд очень важных функций: отображение актуального режима управления; недопущение слишком большого крена машины во время торможения, ускорения, либо при повороте; снижение шумовых эффектов и вибраций, передающихся в салон, путем авторегулирования жесткости амортизаторов; отслеживание жесткости подвески, регулирование ее параметров в соответствии с выбранным режимом движения и скорости. Помимо того, БИУС должна управлять подвеской в широком скоростном диапазоне и не быть чересчур усложненной, что положительно влияет на ее рабочую стабильность, стоимость и легкость ремонта.

К БИУС предъявляются достаточно непростые требования:

  • Потребляемая мощность – не более десяти ватт;
  • Питание от источника постоянного тока 12V ± 15 процентов;
  • Время отклика элементов, исполняющих команды - не больше двадцати миллисекунд;
  • Мощность, ими потребляемая - до пятидесяти Вт;
  • Наличие трехосевого гироскопа;
  • Раздельное управление амортизаторами;
  • Ход подвески не более ста миллиметров, с клиренсом автосредства не меньше ста миллиметров;
  • Легкость настройки, стабильность функционирования модуля.

При разработке БИУС главным этапом считается расчет алгоритмов, регулирующих подвеску, поскольку именно она определяет безопасность и комфортность вождения.

Наиболее часто применяемый алгоритм – так называемая адаптивная подвеска, с авторегулировкой затухания и жесткости, зависящей от способа вождения и конкретного состояния дорожного покрытия. Подобный тип регулирования подвески заметно повышает комфортность и снижает утомление человека за рулем.

Другой распространенный алгоритм – подвеска активного типа, когда затуханием и жесткостью управляют специальные исполнительные механизмы. Он точнее контролирует параметры подвески, обеспечивая повышенный в сравнении с первым вариантом уровень удобства и безопасности.

Кроме того, используются и алгоритмы гибридного типа, объединяющие положительные качества как активной, так и адаптивной подвесок, позволяя достигать наилучшего сочетания управляемости, стабильности и комфортности передвижения.

Система, управляющая подвеской, - достаточно сложная конструкция, поэтапно регулирующая демпфирующие способности амортизаторов. Всего насчитывают 5 этапов такого регулирования:

  1. Инициализация контроллера, запускающего процесс управления БИУС;
  2. Сбор сигнальных импульсов от датчиков, обеспечивающих данными о скорости, а также ускорении и перемещении разных компонентов автомобиля;
  3. Расшифровка принятых сигналов и определение на основе всех показателей, активация каких механизмов необходима, чтобы отрегулировать демпфирующие свойства амортизаторов;
  4. Расчет воздействия на исполнительные механизмы подвески;
  5. Вывод сигналов индикации и возвращение к пункту 1.

Сложная технологичная система, управляющая жесткостью подвески, быстро и высокоточно регулирует демпфирующие свойства автомобильных амортизаторов. Последовательное выполнение всех этапов гарантирует эффективность этой системы, обеспечивающей дополнительный комфорт для водителя.

В ходе программной реализации БИУС авторами статьи была создана программа для контроллера, в среде программной разработки Arduino IDE с использованием C++. Программа включает ряд подпрограмм, выстраивающих бесконечный цикл, по ходу которого происходит прием сигналов от различных датчиков, их расшифровка и расчет на этой основе действий управления электромагнитными клапанами. Нижерасположенный скриншот подтверждает успешное предстартовое компилирование программы и верность кода.

1

Рисунок 1. Успешная компиляция программы.

Было разработано две экспериментальные модели одной структуры: одна - с ¼ массы автомобиля с автоматизированной системой, управляющей жесткостью подвески, функционирующая в программном пакете Amesim; вторая - без такой системы управления. Этот эксперимент позволял точно определить, насколько эффективно функционирует система управления, рассчитать ее оптимальные характеристики, наглядно продемонстрировать действие адаптивной системы в сравнении с пассивной.

По итогам работы мы выявили, что адаптивная управляющая структура заметно уменьшает ударные нагрузки, понижает их резкость, значительно гасит колебательную амплитуду подвески, когда отсутствуют изменения рельефа покрытия, уменьшая переходный период.

Были проведены три экспериментальные серии, которые выявили наилучший диапазон для регулирования (300-3000 Н*с/м), обеспечивающий необходимое демпфирование колебаний на низких частотах и предотвращающий повышение степени высокочастотных вибраций, передающихся на корпус автомобиля от подвески. Можно сделать вывод, что использование такой управляющей системы заметно повышает комфортность вождения, а также делает его более безопасным.

Важно отметить, что исследуемая система улучшает сцепление шин с покрытием дороги, способствуя дополнительной безопасности водителя и пассажиров. Поскольку улучшаются параметры демпфирования, использование информационно-управляющей системы понижает общую усталость человека за рулем. Адаптивная система подвески, если сравнивать ее с пассивной, значительно повышает общую комфортность поездок.

Следовательно, все полученные экспериментальные данные подтверждают высокую эффективность БИУС подвески автомобиля, которая делает вождение гораздо комфортнее и безопаснее.

Список литературы

  1. Бортовые информационно-управляющие системы автомобилей" А. И. Гребенников, А. В. Сухарев, А. А. Хорев, 2018г. – 200с.
  2. Разработка архитектуры и программного обеспечения бортовой информационно-управляющей системы автомобиля" Н. В. Кожевникова, Е. В. Михайлова, А. В. Сергеев, 2018 г. – 154с.
  3. Разработка бортовой информационно-управляющей системы на основе микроконтроллера STM32F4" А. В. Кузнецов, Д. В. Переверзев, А. В. Сергеев, 2019 г. – 100с.
  4. Разработка алгоритмов функционирования бортовой информационно-управляющей системы на основе искусственного интеллекта" Е. В. Михайлова, Н. В. Кожевникова, А. В. Сергеев, 2018 г. – 170с.
  5. Особенности проектирования бортовой информационно-управляющей системы для автомобилей с гибридным приводом" В. А. Шевченко, О. А. Шевченко, Д. В. Болдырев, 2019 г. – 137с.
  6. Анализ эффективности бортовой информационно-управляющей системы в условиях городского транспорта" И. А. Попова, А. А. Краснов, А. В. Шестаков. 2020 г. – 191с.

Интересная статья? Поделись ей с другими: