Adaptivna Regulacija Razmaka i Brzine Voznje - ACC

SVEUILITE U MOSTARU FAKULTET STROJARSTVA I RAUNARSTVA

AUTOMOBILSKI MEHATRONIKI SUSTAVI

ADAPTIVNA REGULACIJA RAZMAKA

I BRZINE VONJE - ACC

Mr.sc. Miroslav Grubii, dipl. ing. stroj.

Mostar, oujak 2014.

PRILOG 5

1 Mr.sc. Miroslav Grubii

4. ADAPTIVNA REGULACIJA RAZMAKA I BRZINE VONJE ACC

4.1. Funkcija ACC sustava

Elektroniko upravljanje svoju znaajnu primjenu ima u svim sustavima motornih vozila. Pored

sustava pogona, sigurnosni i komforni sustavi vozila u velikoj mjeri primjenjuju elektroniko

upravljanje. Primjena ovog upravljanja u oblasti komfora i aktivne sigurnosti opisana je u

nastavku na primjeru ACC sustava. Adaptivna regulacija razmaka i brzine vonje ACC (engl.

Adaptive Cruise Control) je jedan sloeni elektroniki upravljani sustav u motornim vozilima

koji je u stvari potpora vozau u cilju poveanja komfora vonje i predstavlja znatno proirenje

funkcije u odnosu na konvencionalni sustav za regulaciju brzine (tempomat). Osnovna funkcija

ACC sustava je automatsko reguliranje zadanog razmaka u odnosu na vozilo koje se kree ispred

kao i automatsko reguliranje zadane brzine vonje (slika 4.1.).

Slika 4.1. Funkcija ACC sustava

Za funkcioniranje sustava adaptivne regulacije razmaka i brzine vonje voza mora definirati

eljenu brzinu vozila i razmak u odnosu na vozilo koje se kree ispred (ulazni parametri), a ACC

sustav vri automatsko reguliranje razliitih veliina stanja (bez sudjelovanja vozaa) kako bi se

PRILOG 5


odrale zadane vrijednosti ulaznih parametara. Vozilo s integriranim ACC sustavom, koje se

kree zadanom konstantnom brzinom, preko radarskog senzora utvruje brzinu i razmak vozila

koje se kree ispred (slika 4.1. a). Ukoliko je brzina vozila ispred manja od definirane brzine

vozila s ACC sustavom razmak izmeu njih se smanjuje, uslijed ega se aktivira ACC sustav

koji odrava konstantnim unaprijed zadani razmak (slika 4.1. b). U tom sluaju se vozilo

automatski usporava smanjivanjem gasa, promjenom stupnja prijenosa automatskog mjenjaa, a

po potrebi i koenjem. Iz komfornih razloga se pritom maksimalni stupanj koenja ograniava na

25% od maksimalno mogueg. Nakon skretanja vozila ispred s putanje vozila s adaptivnom

regulacijom, ACC sustav automatski poveava brzinu vozila do unaprijed definirane vrijednosti

(slika 4.1. c). Ovaj sustav prepoznaje nepomine objekte i ne reagira na njih. Adaptivna

regulacija razmaka i brzine vonje slui rastereenju vozaa i time indirektno pridonosi

poveanju sigurnosti u prometu. Provoenje ove regulacije izvodi se potpuno automatski uz

sudjelovanje upravljakih ureaja motora, automatskog mjenjaa, ESP-sustava, kao i velikog

broja senzora. U cilju besprijekornog funkcioniranja ACC sustava neophodna je razmjena velike

koliine informacija izmeu upravljakih ureaja koja se obavlja preko CAN sabirnice.

Automatizirani cjelokupni proces u ACC sustavu ipak u odreenim ekstremnim prometnim

situacijama iziskuje aktiviranje konice od strane vozaa.

4.2. Fizikalne zakonitosti za odreivanju brzine i razmaka pomou radar-a

ACC sustav je u stvari inteligentni tempomat, a za njegov rad neophodne su informacije, u

svakom trenutku vremena, o veliinama razmaka u odnosu na vozilo ispred, brzini i poziciji

vozila ispred. Ukoliko se ispred vozila s ACC sustavom nalazi istovremeno vie vozila, na

temelju primljenih informacija o njihovoj brzini i razmaku upravljaki ureaj ACC sustava vri

odabir vozila prema kojem se bazira adaptivna regulacija.

Mjerenje razmaka u odnosu na vozilo ispred ACC sustav izvodi na temelju radarske tehnike. Na

prednjoj strani vozila postavljen je radarski senzor (slika 4.2.) unutar kojeg je integriran odailja

i prijemnik. Osnovni princip mjerenja zasniva se na odailjanju mikrovalnog signala u vidu

elektromagnetskih valova s radarskog sustava vozila prema vozilu ispred (slika 4.2.). Na povrini

ciljnog vozila ispred elektromagnetski valovi se reflektiraju i potom se detektiraju u osjetljivom

prijemniku radarskog senzora. Razmak izmeu vozila odreuje se mjerenjem vremena koje je

potrebno signalu da prevali put do ciljnog vozila i natrag. Direktno mjerenje ovog proteklog

PRILOG 5


vremena je vrlo komplicirano, stoga se primjenjuje indirektno mjerenje postupkom poznatim kao

FMCW (engl. Frequency Modulated Continuous Wave). Kod FMCW postupka radarski

odailja alje signal s vremenski promjenljivom frekvencijom fC, pri emu promjena frekvencije

(modulacija) iznosi 200 MHz unutar 1 ms, a radar u ACC sustavu koristi signale frekvencije u

podruju od 76 do 77 GHz (slika 4.3.). Umjesto direktnog mjerenja vremena do povratka

signala, kod FMCW postupka se odreuje razlika u frekvenciji fD izmeu odaslanog i

zaprimljenog (reflektiranog) signala to je mogue znatno lake utvrditi. Ova razlika u

frekvenciji fD izravno ovisi o razmaku izmeu vozila. to je vei razmak izmeu vozila, vea je i

frekvencijska razlika fD izmeu odaslanog i reflektiranog signala, dulje je i proteklo vrijeme

potrebno da se reflektirani signal ponovo zaprimi (slika 4.3.).

d Razmak izmeu vozila v1 Brzina vozila iza v2 Brzina vozila ispred vrel Relativna brzina fC - Modulirana frekvencija odaslanog signala fD - Razlika u frekvenciji izmeu odaslanog i reflektiranog signala

Slika 4.2. Princip mjerenja razmaka izmeu dva vozila radarskom tehnikom

Slika 4.3. Raunanje udaljenosti primjenom FMCW postupka

Radar (odailja i prijemnik)

Reflektirani signal Odaslani

signal

d

v2 v1

fC fD

vrel = v2 v1

Vrijeme t

Frekvencija f (GHz)

76.7

76.6

76.5

fD

Odaslani signal

Reflektirani signal

PRILOG 5


Elektromagnetski valovi radara se rasprostiru brzinom svjetlosti, stoga proteklo vrijeme od slanja

signala s odailjaa radara pa do prijema reflektiranog signala u prijemniku radara iznosi:

c

d2 (4.1)

gdje je:

d razmak izmeu vozila

c brzina svjetlosti (299 792 458 m/s)

Brzina promjene frekvencije kod FMCW postupka (brzina modulacije ) iznosi:

t

fm

d

d (4.2)

Pritom je frekvencijska razlika fD izmeu odaslanog i reflektiranog signala dana izrazom:

mfD (4.3)

Uvrtavanjem izraza (4.3) u izraz (4.1), umjesto proteklog vremena , dobije se izraz za

raunanje razmaka izmeu vozila, pa je:

m

cfd D

2

(4.4)

Prema izrazu (4.4) jednostavnim odreivanjem frekvencijske razlike fD izmeu odaslanog i

reflektiranog signala jasno je definirana vrijednost razmaka izmeu vozila.

Za funkcioniranje sustava adaptivne regulacije razmaka i brzine vonje neophodno je saznanje o

brzini vozila koje se kree ispred vozila s ACC sustavom. Za utvrivanje ove brzine koristi se

fizikalna zakonitost poznata kao Dopplerov efekt. Uslijed kretanja vozila s ACC sustavom

razliitom brzinom u odnosu na vozilo od kojeg se odaslani signali reflektiraju, javlja se pojava

da, zbog Dopplerovog efekta, zaprimljeni reflektirani signal ima frekvencijski pomak u odnosu

na frekvenciju odaslanog signala. Ovaj frekvencijski pomak se naziva jo i Dopplerova

frekvencija i iskazuje se izrazom:

c

fvf CrelD

2

(4.5)

gdje je:

vrel = v2 v1 relativna brzina vozila ispred u odnosu na vozilo iza (slika 4.2.)

fC modulirana frekvencija odaslanog signala radara

c brzina svjetlosti, tj. brzina kojom se rasprostiru elektromagnetski valovi radara

Frekvencijski pomak pri Dopplerovom efektu izravno ovisi o brzini oba vozila kao i frekvenciji

odaslanog signala jer je brzina rasprostiranja signala (brzina svjetlosti) konstantna. Ako se

PRILOG 5


razmak izmeu vozila smanjuje, znai da je brzina vozila iza (v1) vea od brzine vozila ispred

(v2). U tom sluaju dolazi do poveanja frekvencije reflektiranog signala fR u odnosu na

frekvenciju odaslanog signala fC upravo za vrijednost Dopplerovog pomaka fD pa je:

DCR fff (4.6)

U obrnutom sluaju, kada je brzina vozila iza (v1) manja od brzine vozila ispred (v2), razmak

izmeu vozila se poveava, tada je frekvencija reflektiranog signala fR je nia u odnosu na

frekvenciju odaslanog signala fC za vrijednost Dopplerovog pomaka fD, pa je:

DCR fff (4.7)

Nakon zaprimanja reflektiranog signala, radarski senzor (prijemnik) taj signal alje upravljakom

ureaju ACC sustava koji ga analizira i jednostavno odreuje veliinu promjene frekvencije u

odnosu na odaslani signal. Na taj nain je definirana vrijednost Dopplerovog pomaka fD. Tako je

iz izraza (4.5) jasno definirana relativna brzina vozila vrel, pa je:

C

Drel

f

fcv

2

(4.8)

Brzina vozila s ACC sustavom v1 (vozilo iza) je poznata i preko CAN sabirnice se prosljeuje

ACC upravljakom ureaju. Saznanjem vrijednosti relativne brzine vozila prema izrazu (4.8),

jasno je iz jednakosti vrel = v2 v1 definirana traena brzina vozila ispred v2.

Za mjerenje brzine i razmaka izmeu vozila moe se koristiti i LIDAR ureaj (engl. Light

Detection And Ranging). Stoga pojedini proizvoai automobila koriste ACC sustave bazirane

na LIDAR tehnologiji. LIDAR radi na istom principu kao i ranije opisani radarski sustav, s tim

da se umjesto signala s elektromagnetskim valovima (koje koristi radar) odailjaju svjetlosni

signali takoer u mikrovalnom podrju. LIDAR ureaj s optikim mjernim principom koristi

ultraljubiasto i infracrveno svjetlosno zraenje, kao i zraenje u podruju vidljive svjetlosti.

Primjena LIDARA u ACC sustavima jo uvijek je u znaajnoj mjeri manja od primjene radara,

ali tendencija je da bi se to u skoroj budunosti moglo promijeniti.

4.3. Konstrukcija i komponente ACC sustava

Kao i drugi sustavi motornih vozila s elektronikim upravljanjem i ACC sustav regulacije koristi

signale senzora, obrauje ih u upravljakom ureaju na temelju ega se aktiviraju potrebni

aktuatori u cilju reguliranja ranije zadanog stanja vonje. Za definiranje trenutnog dinamikog

PRILOG 5


stanja vozila, ACC koristi signale senzora iz drugih sustava vozila, a za reguliranje razmaka i

brzine vonje takoer koristi aktuatore iz drugih sustava vozila (slika 4.4.), to je razlika u

odnosu na veinu drugih sustava s elektronikim upravljanjem.

Slika 4.4. Komponente ACC sustava regulacije

ACC sustav regulacije je preko CAN sabirnice povezan na Gateway preko kojeg se vri

razmjena informacija s drugim sustavima. Na taj nain upravljaki ureaj ACC sustava prima

potrebne informacije od senzora iz drugih sustava upravljanja. Najvanije informacije

preuzimaju se od senzora elektronskog programa stabilnosti (ESP sustav), preko kojih se

precizno definira dinamika vozila. Tako se preko senzora za brzinu vrtnje odreuje vrijednost

zakretanja vozila oko svoje vertikalne osi, a senzori poprenog i uzdunog ubrzanja odreuju

veliine ubrzanja vozila u tim smjerovima. Preko ABS senzora definiran je broj okretaja svakog

kotaa vozila, a takoer vana veliina koja se koristi pri ACC regulaciji je kut zakrenutosti

upravljaa vozila u svakom trenutku. Na vrijednost ovog kuta direktno utjee voza prilikom

rukovanja vozilom, a mjeri se senzorom postavljenim ispod upravljaa. Pored ovih senzora,

kojima je precizirano definirano kretanje vozila u svim smjerovima, ACC sustav koristi i svoj

vlastiti radarski senzor za odreivanje razmaka i brzine vozila koje se kree ispred (slika 4.4.).

Upravljaki ureaj ACC sustava integriran je zajedno s radarskim senzorom u jedno kuite

(slika 4.5.) koje je privreno ispod prednjeg odbojnika vozila, a cijela ova jedinica je

konstruirana tako da moe raditi sigurno i bez smetnji u temperaturnom podruju od 40 C pa

do +80 C [64]. Preko odailjako-prijemne jedinice (Radar-Transceiver) alju se radarski signali

s moduliranom frekvencijom i zaprimaju se reflektirani signali na nain kako je to opisano u

Senzori Senzor vrtnje oko

vertikalne osi vozila

Senzor uzdunog i poprenog

ubrzanja vozila

Senzor broja okretaja kotaa

Senzor kuta zakretanja upravljaa

Upravljaki ureaj ACC sustava Radar senzor

Upravljaki ureaj motora Upravljaki ureaj mjenjaa Upravljaki ureaj za ESP

Motor Mjenja Konice Aktuatori

PRILOG 5


prethodnom odjeljku ovog rada. Lea ACC upravljake jedinice posjeduje elektrini grija koji

onemoguava smetnje koje mogu nastupiti nakupljanjem snijega i leda na njenu povrinu. Cijeli

ureaj je otporan na prodor vode i vodene pare, ne smetaju mu vibracije vozila prilikom vonje

na loim cestama i otporan je na udare kamenia s ceste i drugih vanjskih stranih tijela.

Slika 4.5. Konstrukcija upravljakog ureaja i radarskog senzora ACC sustava

Upravljaki ureaj ACC sustava tvrtke Bosch (slika 4.5.) posjeduje tri tiskane ploe. Na tiskanu

plou 1 povezana je odailjako-prijemna jedinica radara. Ova ploa sadri sve potrebne

komponente za digitalnu obradu signala dobivenih od radarskog senzora, a glavna funkcija joj je

obraun pozicije (razmaka) i brzine vozila koje se kree ispred. Glavna komponenta tiskane

ploe 1 je mikroprocesor za obradu digitalnog signala. Preko tiskane ploe 2 provodi se

regulacija ACC sustava. Ploa sadri mikroprocesor koji izvodi sve obraune potrebne za

regulaciju vozila, a na njoj je integriran i regulator napona, kao i druge komponente potrebne za

ukljuivanje i kontrolu aktuatora. Na tiskanoj ploi 3 integrirana je elektrina utinica preko koje

se ACC upravljaki ureaj i radarski senzor povezuju s elektrinom mreom vozila i na taj nain

opskrbljuju elektrinom strujom potrebnom za rad ureaja. Preko utinice na ovoj ploi vri se

putem CAN sabirnice neophodna razmjena podataka s ustalim upravljakim ureajima u vozilu i

sa eksternim dijagnostikim ureajem. Sve tri tiskane ploe su meusobno povezane fleksibilnim

spojem inei tako funkcionalnim ACC upravljaki ureaj.

Osnovni zadaci upravljake jedinice ACC sustava (upravljaki ureaj s radarskim senzorom) su:

- prepoznati objekte, tj. vozila koja se kreu ispred

- izvriti odabir vozila prema kojem e se izvoditi adaptivna regulacija razmaka i brzine

1. Tiskana ploa 1

2. Oscilatorski blok

3. Izvor elektromagnetskih valova

4. Lea

5. Spoj za grijanje lee

6. Tiskana ploa 3

7. Tiskana ploa 2

8. Radarska odailjako-prijemna jedinica

(Radar-Transceiver)

PRILOG 5


- vriti stalno raunanje vrijednost razmaka i brzine vozila ispred

- provesti automatsku regulaciju prema ranije zadanim postavkama vozaa.

Utvrivanjem pozicije i brzine promatranog vozila, te odreivanjem razmaka izmeu vozila,

ACC upravljaki ureaj definira potrebne regulacijske postupke, pa se potrebni podaci preko

CAN sabirnice i Gateway-a prosljeuju prema CAN sabirnici pogona, tj. prema upravljakim

ureajima motora, mjenjaa i ESP sustava (slika 4.4.). Na temelju primljenih informacija

upravljaki ureaj motora preko aktuatora vri automatsko reguliranje ubrzavanja ili usporavanja

vozila, preko elektrinog aktiviranja gasa (EGAS) kod Otto motora, ili promjenom koliine

ubrizgavanja goriva kod Diesel motora, na nain kako je opisano u 3. poglavlju ovog rada. U

cilju postizanja adaptivne regulacije razmaka i brzine vonje, po primitku podataka od ACC

upravljakog ureaja, upravljaki ureaj automatskog mjenjaa vri potrebnu promjenu stupnja

prijenosa aktiviranjem elektromagnetskih ventila u mehatronikom sklopu mjenjaa. U cilju

regulacije zadanog razmaka upravljaki ureaj ESP sustava, na temelju zahtjeva ACC

upravljakog ureaja, automatski (bez sudjelovanja vozaa) provodi aktiviranje konice.

Konica se aktivira reguliranjem porasta i potom smanjenja tlaka koenja. Posebna pozornost se

pri tom posveuje komfornom koenju, a kako bi se postigla odgovarajua kvaliteta koenja (bez

naglog koenja) regulacija tlaka koenja se nadzire preko ugraenog senzora tlaka. Pregled

jednog cjelokupnog sustava adaptivne regulacije razmaka i brzine vonje prikazan je na slici 4.6.

na primjeru ugradnje u vozilo Audi A8.

Slika 4.6. Pregled cjelokupnog ACC sustava Audi A8

ACC upravljaka jedinica

Grija radarskog senzora

Upravljaki ureaj motora

Upravljaki ureaj autom. mjenjaa

Upravljaki ureaj ESP sustava

Gateway

Prikazna jedinica za informacije

Jedinica za rukovanje

multimedijom

Upravljaki ureaj prikazne jedinice za

informacije

Upravljaki ureaj elektronike stupa upravljaa i senzor kuta

zakretanja upravljaa

Upravljaki ureaj kontrolne ploe

Ruica za ukljuivanje ACC sustava

CA

N-d

ijagn

oza

CAN-pogon

CAN-regulacija razmaka

MOST-Bus

CAN-komfor

CAN-kombi

PRILOG 5


Sastavni dio svakog ACC sustava su i komponente za rukovanje, preko kojih korisnik vozila vri

ukljuivanje i iskljuivanje ACC regulacije, a ujedno preko ovih komponenti voza zadaje

eljenu brzinu kao i eljeni razmak, to predstavlja temelj na kojem se zasniva provoenje ACC

regulacije. Sva trenutna dinamika stanja vozila, kao i status povoenja adaptivne regulacije

razmaka i brzine vonje, u svakom trenutku su na raspolaganju vozau i prikazuju se na ekranu

jedinice za informacije.

4.4. Podeavanje senzora za regulaciju razmaka vozila

Kako bi sustav adaptivne regulacije razmaka i brzine vonje radio pouzdano i bez funkcijskih

smetnji nuno je da radarski senzor na vozilu bude vrlo precizno podeen u horizontalnoj i

vertikalnoj ravni. Posljedica pogrene podeenosti senzora moe se sagledati na navedenom

primjeru u nastavku. Kod novijih ACC sustava doseg radarskog signala za prepoznavanje vozila

koje vozi ispred iznosi oko 200 metara. Horizontalno odstupanje poloaja radarskog senzora od

samo 1, u odnosu na toan poloaj ugradnje senzora, na razmaku izmeu vozila od 130 metara

kao posljedicu ima odstupanje preko 2 metra, slika 4.7. (tg1=2,27/130). Zbog ovakve pogreke

u podeavanju senzora, upravljaki ureaj ACC sustava bi regulirao razmak u odnosu na vozilo

koje vozi ispred ali u drugom voznom traku (slika 4.7.). Stoga je potrebno vriti podeavanje

senzora nakon izvoenja radova na voznom postroju vozila, nakon zamjene samog radarskog

senzora i nakon demontiranja nosaa prednjeg branika.

Slika 4.7. Posljedica pogrene podeenosti radarskog senzora

1

2,27 m

PRILOG 5


Postupak podeavanja provodi se pomou ureaja za ispitivanje geometrije voznog postroja

vozila na kojem je integrirana naprava za precizno podeavanje radarskog senzora za regulaciju

razmaka u ACC sustavu (slika 4.8.).

Slika 4.8. Postupak podeavanja radarskog senzora za regulaciju razmaka

Na napravi za podeavanje je u visini radarskog senzora postavljen laser, a izmeu lasera i

radarskog senzora smjetena je ciljna ploa. Kroz otvor na sredini ciljne ploe prolazi svjetlosna

zraka lasera i pogaa ogledalo za podeavanje na radarskom senzoru vozila. Poslana laserska

zraka je paralelna u odnosu na os vozila koju mjeri ureaj za ispitivanje geometrije voznog

postroja. U sluaju idealno podeenog radarskog senzora, radarska zraka se odbija od ogledalo i

kroz srednji otvor ciljne ploe se projicira sama u sebe. Kod nepodeenog radarskog senzora

reflektirana laserska zraka ne prolazi kroz otvor ciljne ploe nego je pogaa u podruju jednog

njenog kvadranta (slika 4.9. a). Tada je potrebno, pomou vijaka za podeavanje ugraenih na

radarskom senzoru (slika 4.9. b), izvriti horizontalno i vertikalno podeavanje senzora tako da

reflektirana laserska zraka prolazi kroz srednji otvor ciljne ploe.

Naprava za podeavanje radarskog senzora (slika 4.10.) postavlja se 120 cm od radarskog

senzora i u sluaju pogrene podeenosti, kutovi odstupanja i (slika 4.9. a) podeavaju se

zakretanjem radarskog senzora preko vijaka za vertikalno i horizontalno podeavanje. Samo

ispravno podeen senzor jami pouzdanost funkcije ACC sustava.

Mjerna glava voznog postroja - lijevo

Mjerna glava voznog postroja - desno

Naprava za podeavanje radarskog senzora

Ciljna ploa

Laser

Radarski senzor

PRILOG 5


a) kvadranti ciljne ploe b) vijci za podeavanje radarskog senzora

Slika 4.9. Primjer pogrene podeenosti radarskog senzora

Slika 4.10. Naprava za podeavanje radarskog senzora

Primjena elektronikog upravljanja u ACC sustavu zasniva se, kao i kod svakog drugog sustava s

elektronikim upravljanjem, na koordiniranom radu izmeu senzora, upravljakog ureaja i

aktuatora. Meutim, ACC sustav nema veliki broj vlastitih senzora (posjeduje samo radarski

senzor), ve potrebne informacije crpi preko sabirnica podataka od upravljakih ureaja drugih

sustava. Takoer, ACC upravljaki ureaj opet preko sabirnica podataka (za potrebe svoje

regulacije) indirektno navodi aktuatore koji pripadaju drugim sustavima. Ovo su osnovne razlike

ACC sustava u odnosu na sustav elektronikog upravljanja radom motora s unutarnjim

izgaranjem (opisano u 3. poglavlju ovog rada), koji posjeduje veliki broj vlastitih senzora i

aktuatora. Sutina elektronikog upravljanja u oba ova sustava je ista, gdje do izraaja dolazi

vanost razmjene podataka izmeu velikog broja upravljakih ureaja u vozilu kao cjeline.

Ogledalo za podeavanje na radarskom senzoru

Vertikala na ogledalo

Uzduna os vozila

Vijak za horizontalno podeavanje

Vijak za vertikalno podeavanje

Ciljna ploa

Documents

Adaptivna Regulacija Razmaka i Brzine Voznje - ACC