VELEUČILIŠTE U ŠIBENIKU

SEMINARSKI RAD

Šibenik , 10.01.2013VELEČILIŠTE U ŠIBENIKU

ELEKTRONIČKI SUSTAVI U AUTOMOBILIMASEMINARSKI RAD

STUDENTI: ANTE BARIĆ,ANTONIO MIJOČBROJ INDEKSA: 125351031,12514 1031MENTOR: Mr.sc. DANIJEL MILETA dipl.ing

Šibenik 10.01.2013

2

Sadržaj

1. Uvod.....................................................................................................................4

2. Umrežavanje u automobilima...............................................................................5

3. ABS (Anti-lock Braking System)...........................................................................8

4. ESC (Electronic Stability Control).......................................................................10

5. ACC (Adaptive Cruise Control)...........................................................................12

6. LDWS (Lane Departure Warning Systems)........................................................14

7. Zaključak............................................................................................................16

Literatura....................................................................................................................17

3

1. Uvod

Zadnja četiri desetljeća je obilježio nagli porast broja i složenosti elektroničnih

sustava u automobilima. Elektronika danas ima veliku važnost u autoindustriji. Udio

elektronike u današnjim automobilima čini čak 23% ukupne proizvodne

cijene.Analitičari procjenuju da više od 80% inovacija u automobilskoj industriji je na

elektroničnim sustavima.Sa porastom broja elektroničkih sustava u automobilima

rastu i zahtjevi na strukturnu izgradnju jer u prosječnom automobilu više od 4

kilometra raznih vodova.

Njome se kontrolira doslovno svaki proces koji se odvija u automobilima, od

upravljanja, ubrzavanja, kočenja, održavanja stabilnosti, različitih upozorenja, do

sustava za zabavu.

U ovom radu biti će opisan način umrežavanja u automobilima, te neki od

najvažnijih inteligentnih sustava koji se koriste u autoindustriji danas.

4

2. Umrežavanje u automobilima

U automobilima se može povezati elektronička oprema na sličan način kao

što se može umrežiti više računala, primjerice LAN-om. Na taj način dolazi do

mogućnosti izmjene podataka među elektroničkim sustavima, te aplikacijama koje se

izvode. Nekada su se žicama spajale sve komponente, međutim, s porastom broja

komponenti nastao je problem prevelike mase vozila, te zauzimanje prostora i

smanjenje pouzdanosti. Ožičenje je tako postalo presloženo, a samim time i

najskuplja komponenta u vozilima.

Problem presloženog ožičenja uklonio se na način da se današnje mreže u

automobilima temelje na serijskim protokolima. Motorola je 1998. godine smanjila

masu ukupnog ožičenja za 15 kilograma u onda novoj klasi BMW-a na način da je

razvila kompletnu automobilsku mrežu temeljenu na LAN-u.

Controller Area Network (CAN) je serijski protokol razvijen od strane Bocha

u ranim osamdesetima. Definira standard za efikasnu i pouzdanu komunikaciju

između senzora, pokretača, kontrolera i ostalih čvorova u realnom vremenu. CAN je

u stvari standard u velikom broju ugrađenih umreženih kontrolnih sustava. Rani

razvoj CAN-a bio je usmjeren uglavnom na automobilsku industriju, a danas se, osim

u vozilima, primijenjuje i u ostalim proizvodima kao što su proizvodna mašinerija,

medicinska oprema, zgrade, strojevi za tkanje i sl.

U automobilskoj industriji, ugrađena kontrola je napredovala od samostalnih

sustava do integriranih i umreženih kontrolnih sustava. Umrežavanjem elektro-

mehaničkih podsustava postalo je moguće izmjeniti funkcionalnosti i hardver, što je

omogućilo ponovno korištenje i dodalo je određene nove mogućnosti. ECU

(Electronic Control Unit – elektronska kontrolna jedinica) u vozilima kontrolira motor,

turbo (ako postoji), hladnjak i sl., ali također i CAN komunikaciju. Kombinirajući

mrežne i mehatroničke module postalo je moguće reducirati ožičenje i broj

konektora, što je olakšalo proizvodnju i povaćalo pouzdanost. Uvođenje mreža u

5

vozila također je omogućilo efikasnije dijagnosticiranje i koordinaciju operacija za

odvojene podsustave.

Automobil može imati dvije ili više CAN mreža koje rade na različitim

brzinama, te se tu može napraviti sljedeća podjela:

niskobrzinski CAN (ili low-speed CAN) – radi na manje od 125 Kbps.

Koristi se za rad elektronike koja kontrolira sustave za komfor, kao što

je upravljanje prozorima ili namještanje sjedala. Većinu vremena

provodi u mirovanju, a aktivira se na korisnikov zahtjev. U slučaju

kada vozilo ne radi, low-speed CAN se isključuje, te tako štedi

akumulator vozila.

visokobrzinski CAN (high-speed CAN) – radi na brzinama i do 1 Mbps,

ali zbog visoke cijene koriste se dvostruko sporije mreže. Ovakav

sustav koristi se za upravljanje radom kritičnih sustav, kao npr.

tempomatom, ABS-om, radom motora, te sličnih sustava gdje veliku

važnost ima brzina odziva.

Postoje i razni drugi načini povezivanja. Osim žičnim vezama, sustav može

biti povezan i bežičnim vezama, od kojih su najpoznatije Bluetooth, Domestic Data

Bus (D2B), Time-triggered protocol (TTC), Mobile Media Link (MML), FlexRay, Time

Division Multiple Access (TDMA) i sl. S obzirom da svaki od ovih protokola ima

određene prednosti i mane, te su kompleksni i skupi, ne koriste se masovno u

automobilima. Za brži prijenos podataka koristi se FlexRay protokol kod naprednijih

sustava, kao što je X-by-wire sustav.

X-by-wire ima široku primjenu, ne samo u autoindustiji, već i u svim ostalim

vrstama transporta. Ovakav sustav zamjenjuje postojeće mehaničke i hidrauličke

veze se elektroničkim u potpunosti, čime dolazi do smanjenja mase, te rasta

pouzdanosti. Kod automobila „x“ označava naredbenu akciju, kao što je ubrzavanje,

kočenje i upravljanje. Veliki broj modernih automobila opremljen je drive-by-wire

sustavom i kombiniran je s mehaničkom podrškom. U budućnosti će se mehanika u

6

potpunosti zamijeniti sa elektroničkim rješenjima. Razlozi za ovaj razvoj su višestruki.

Iz razloga što hidraulički sustavi više neće biti potrebni u budućnosti, te će

elektronički uređaji biti sve manjih dimenzija, gustoća smještaja tih uređaja biti će

veća. Proizvođači se nadaju da će smanjiti proizvodne troškove koristeći nove

uređaje. Drugi glavni razlog za razvijanje novih rješenja jest taj da će biti integrirane

nove funkcije. Primjerice, ACC (ili Adaptive Cruise Control) koji regulira brzinu auta

na način da ubrzava i usporava, te održava razmak s vozilom ispred, još uvijek se

ugrađuje u automobile višeg cjenovnog ranga.

Kod automobila razlikujemo brake-by-wire (kočenje preko žice), steer-by-wire

(upravljanje preko žice), throttle-by-wire (ubrzavanje preko žice) i slične sustave.

Tako npr. papučica gasa i kočnice, ili upravljač, nema nikakvu mehaničku vezu sa

sustavima kojima upravlja. Ovo može biti i nedostatak, jer primjerice vozač na

upravljaču nema nikakav osjećaj o povratnoj reakciji sa kolnika, što se donekle

rješava ugradnjom elektro motora u upravljač.

7

3. ABS (Anti-lock Braking System)

ABS (Anti-lock braking system) je elektronički sustav ugrađen u gotovo sva

novija vozila, uključujući i motore. Funkcija ABS sustava je u osnovi sprječavanje

blokiranja kotača, što povećava stabilnost vozila te mu omogućava kraći zaustavni

put (put kočenja) na vlažnim i skliskim kolnicima. Ipak, na “mekanim” površinama kao

što su pijesak ili kolnik prekriven snijegom, ABS značajno produčuje zaustavni put, ali

time poboljšava upravljivost (kontrolu) nad vozilom. Time je ABS jedan od najvažnijih

sigurnosnih sustava u automobilu, koji spašava stotine tisuća vozača svakodnevno.

Od početnih ABS sustava koji su se ugrađivali u vozila, današnji su mnogo, mnogo

napredniji. Moderni ABS sustavi kontroliraju i raspodjelu (ravnotežu) kočenja između

prednjih i stražnjih kotača.

Sustav se sastoji od sljedećih (osnovnih) komponenti:

Senzori za mjerenje brzine kotača

Pumpa (hidraulični motor)

Ventili

Kontroler (brzo računalo koje koordinira cijelim procesom)

Prilikom kočenja aktivira se hidraulični sustav koji potiskuje oblogu kočnice

prema diskovima, te na taj način vozilo usporava. Ukoliko jedan kotač usporava brže

od ostalih, što je uglavnom rezultat blokiranja kotača, sustav automatski preko ventila

popušta pritisak kočenja na tom kotaču. Uloga pumpe je da povrati potreban pritisak

kočenja. ABS sustav reagira nevjerojatno brzo, mjereći brzine pojedinih kotača i

nekoliko puta u sekundi. ABS se može aktivirati na prednjim, ili na svim kotačima,

ovisno koji automobil vozite.

8

ABS Vam omogućava intenzivno kočenje, a pritom i upravljanje vozilom. Kod

naglog kočenja, prilikom blokiranja kotača ABS će otpustiti pritisak kočenja na kotaču

koji se blokira. Nakon toga će se pritisak postupno povećati dok se ne dođe do

granice blokiranja kotača. ABS održava pritisak kočenja upravo na toj granici, jer je to

najbrži način zaustavljanja vozila. Takve izmjene (kočenje/popuštanje/kočenje) se

događaju i do 20 puta u sekundi, puno brže nego li to mogu i najiskusniji vozači.

Slika 1. Elementi ABS sustava

9

4. ESC (Electronic Stability Control)

ESC je elektronski sustav za poboljšanje dinamičke stabilnosti i upravljivosti,

koji kočenjem pojedinim kotačima sprečava zanošenje i ispravlja putanju već

zanesenog automobila.

Početkom 1995. (tadašnji) Daimler-Benz izazvao je pravu senzaciju

sustavom ESC. Po prvi je put u automobil ugrañen sustav koji u kritičnoj situaciji

uspostavlja 'prinudnu upravu' nad vozačem.

Electronic Stability Control (engl. program elektronske kontrole) uveo je

revoluciju u postupak upravljanja. Mehanika upravljača i ovjesa te brojna elektronska

logistika za sprečavanje blokiranja kočenih i otežavanje proklizavanja pogonskih

kotača osiguravaju optimalne uvjete za upravljanje, ali ne mogu djelovati samostalno.

ESC je prva aktivna potpora upravljanju automobila, koja vozaču omogućuje

da u slučaju gubitka kontrole lakše doñe na željenu putanju. Danas svi automobili, od

kompaktne klase na više, barem u dopunskoj opremi imaju ESC.

'Ideja' koju koristi ESC je genijalna, ali ne i nova. Putanja se ispravlja

kočenjem pojedinih kotača, a na tom principu već gotovo cijelo stoljeće funkcionira

upravljački sustav gusjeničara - kad se želi skrenuti desno zakoči se (blokira) desna

gusjenica, i obrnuto. Kod automobila imamo četiri kotača, što omogućuje dobru

kontrolu nad upravljanjem

ESC sustavom upravlja 'pametna' elektronika, na temelju informacija koje

mjere odgovarajući senzori: zakrenutost upravljača, brzina vrtnje svakog kotača,

uzdužna i bočna brzina automobila, uzdužno i bočno ubrzanje automobila, a

najvažnija je brzina vrtnje automobila oko vertikalne osi (yaw rate). Na temelju tih

informacija precizno se proračunava položaj vozila u odnosu na željenu putanju te se

aktivira povremeno kočenje pojedinih kotača.

10

Slika 2. Proklizavanje preko prednjeg i zadnjeg kraja

11

5. ACC (Adaptive Cruise Control)

Adaptive Cruise Control, odnosno prilagodljiva kontrola krstarenja je

ekstenzija standardne kontrole krstarenja, odnosno tempomata. Vozilo opremljeno

ACC-om ima radar ili neki drugi senzor koji mjeri udaljenost do vozila koje se nalazi

ispred njega na cesti. U slučaju da nema vozila ispred, ACC vozila putuju pri brzini

koju je odredio vozač, kao i vozila sa tempomatom. Međutim, u slučaju da radar

detektira vozilo ispred nas, ACC sustav odlučuje dali naše vozilo može nastaviti

sigurno putovati pri željenoj brzini. Ako je vozilo ispred našeg preblizu ili putuje

manjom brzinom, ACC prebacuje sa kontrole brzine na kontrolu udaljenosti. Pri

kontroli udaljenosti ACC kontrolira i gas i kočnice kako bi održalo željenu udaljenost

od vozila ispred.

ACC sustav je autonoman, odnosno ne zavisi od bežične komunikacije ili

interakcije sa okolnim vozilima. Koristi samo vlastite senzore (kao npr. radar) kako bi

izvršilo zadatak održavanja željene udaljenosti od vozila ispred.

Slika 3. Način rada ACC-a

12

ACC sustav pruža vozaču ugodu i jednostavnost zato jer, za razliku od

običnog tempomata, preuzima i kočenje i ubrzavanje kod prisutnosti drugih vozila.

ACC sustavi mogu pridonijeti povećanoj sigurnosti na autocestama. Ovo je iz razloga

što statistika pokazuje da je preko 90% nesreća na autocestama izazvano ljudskom

pogreškom, samo mali postotak nesreća se događa zbog kvara ili vremenskih uvjeta.

S obzirom da ACC potencijalno smanjuje napor vozača i djelomično zamjenjuje

operacije vozača sa automatiziranim operacijama, očekuje se da će ACC dovesti do

smanjenja broja nesreća.

13

6. LDWS (Lane Departure Warning Systems)

LDWS je još jedan inteligentan sustav koji pomaže u vožnji. Glavna zadaća

mu je detektiranje nepoželjnih prelazaka preko crta koje označavaju pojedine trake i

to kod brzina većih od 80 km/h.

Sustav se uključuje kada vozilo prijeđe crtu. Rad sustava je slijedeći. Ako

vozač prijeđe preko crte na cesti, a da nije uključio pokazivač smjera sustav

automatski obavještava vozača vibriranjem sjedala. Postoje dva vibrirajuća motora

ugrađena u vozačevo sjedalo. Jedan se nalazi na lijevoj, a drugi na desnoj strani. To

omogućuje paljenje odgovarajućeg motora ovisno sa koje je strane vozač prešao

crtu. Sustav se aktivira pritiskom na gumb smješten na kontrolnoj ploči vozila i ostaje

uključen sve dok vozilo radi. Da bi detektirao nepoželjne prijelaze crte LDWS koristi

šest infracrvenih senzora. Senzori su smješteni u prednji odbojnik vozila i to po tri

komada sa svake strane. Svaki od njih ima crvenu emitirajuću diodu i detektirajuću

ćeliju. Prijelaz preko crte se detektira promjenom izmeñu reflektirane i primljene

zrake. Infinity je razvio svoj sustav koji ne koristi infracrvene senzore već kameru

smještenu u putničkoj kabini koja gleda na cestu kroz prednje staklo vozila.

Senzor može detektirati kako bijele, tako i privremene žute, crvene i plave

oznake korištene u nekim Europskim zemljama. Također sustav identificira pune i

isprekidane linije i ostale cestovne oznake kao što su strjelice za pokazivanje smjera,

ali ne i nestandardne simbole

LDWS ne čini nikakvu automatiziranu akciju da bi se izbjegao izlazak s

kolničke trake ili da preuzme kontrolu na vozilu, stoga vozač ostaje odgovoran za

sigurnosne operacije upravljanja vozilom. Kada vozilo putuje u centru kolničke trake,

nalazi se u „no warning zone“ (zone bez upozorenja) i sustav ne izdaje nikakvo

upozorenje. Kako vozilo odstupa od zone bez upozorenja, sustav izračunava vrijeme

potrebno da vozilo izađe iz kolničke trake. Također, izračunava liniju najranijeg i

najkasnijeg upozorenja (slika 5) . Linija najranijeg upozorenja je unutar ruba kolničke

trake, dok je linija najkasnijeg upozorenja izvan granica kolničke trake. Zona

upozorenja je zona između linija najranijeg i najkasnijeg upozorenja, te svaki put

kada vozilo prijeđe iz zone u bez upozorenja u zonu upozorenja, LDWS obavještava

da vozilo izlazi iz kolničke trake.

14

Slika 4. Prikaz granica zona upozorenja LDWS sustava

LDWS može biti direktno instaliran nakon kupnje vozila kod automehaničara,

a neki su postavljeni odmah pri izradi vozila. Kako tehnologija napreduje, ovom

sustavu dodavat će se nove značajke i komponente.

15

7. Zaključak

S obzirom da elektronika ima veliku važnost u autoindustriji, te se njome

danas kontroliraju svi procesi koji se odvijaju u automobilima, potrebno je bilo

osmisliti način umrežavanja u automobilima. Tako se danas, umjesto klasičnog

ožičenja, sustavi u vozilima umrežavaju serijski, poput računala. Jedan od takvih

sustava je Controller Area Network (CAN), razvijen od strane Bocha, te je standard

za komunikaciju između sustava u automobilima.

Osim ožičenja, u autoindustiji bilo je potrebno i minimizirati hidrauličke i

mehaničke sustave, čime se dodatno smanjuje masa i povećava pouzdanost. Jedno

od takvih rješenja jest x-by-wire, odnosno „upravljanje žicom“, gdje ne postoji

mehanička ni hidraulička veza između upravljačkih kontrola i sustava kojima one

upravljaju.

U automobilima se koriste mnogi inteligentni sustavi. Tako je ABS, jedan od

najvažnijih, sustav zadužen za sigurnije kočenje tako što će održati stabilnost

automobila i pri jakim kočenjima, te kočenjima na skliskim površinama. Sustavi poput

ESC-a osiguravaju stabilnost automobila pri većim brzinama i pokušajima naglih

promjena smjera. ACC sustav olakšava vozaču upravljanje na brzim cestama i

autocestama tako što održava željenu brzinu i sigurnu udaljenost sa vozilom koje se

nalazi ispred. Jedan od interesntnijih novih sustava je i LDWS, koji prati putanju

vozila unutar kolničkih traka te upozorava vozača u slučaju da vozilo napušta traku.

16

Literatura

1) Knjige

1. Bradley, D i Russel, D.W.: Mechatronics in Action, Case Studies in Mechatronich – Appcilations and Education, Springer, London, 2010.

2. Rajamani, R,: Vechile Dynamics and Control, University of Minnesota,

Minnesota, 2006.

2) Ostali izvori

Internet:

1. http://www.iihs.org/research/qanda/esc.html ,

2. www.google.com/url?

sa=t&source=web&cd=7&ved=0CFcQFjAG&url=http%3A%2F

%2Fciteseerx.ist.psu.edu%2Fviewdoc%2Fdownload%3Fdoi

%3D10.1.1.98.5846%26rep%3Drep1%26type%3Dpdf&rct=j&q=controlled

area

network&ei=0EXfTaudNoPMswbewYHGBQ&usg=AFQjCNGm2AAu2ES1

kkUcb6PqEurWcsqo0Q.

3. http://osg.informatik.tu-chemnitz.de/lehre/old/ws0809/sem/online/x-by-

wire.pdf,

4. ,http://www.fmcsa.dot.gov/facts-research/research-technology/report/

lane-departure-warning-systems.htm

5. http://www.petabrzina.com/abs-sustav-protiv-blokiranja-kotaca

17