Разработка системы активной безопасности автомобиля с датчиком продольного ускорения

Работа (дипломный проект) выполнена в полном объеме, с соблюдением всех ГоСТов и стандартов.
Дипломный проект был защищен в 2014 году на высшую оценку приемной комиссии. ...

Введение…………………………………………………………………….……...5
1 Обзор существующих систем безопасности автомобиля………………...…7
1.1 Общие сведения о системах безопасности……………………………………7
1.2 Общие сведения о системе ESP………………………………………………..9
1.3 Устройство и принцип работы системы активной безопасности ESP…....15
2 Описание элементов устройства системы курсовой устойчивости…….........17
2.1 Общее описание системы…………………………………………………….17
3 Обзор современных датчиков, микроконтроллеров и других устройств….19
3.1 Выбор микроконтроллерного комплекта………………………………….24
4 Описание датчиков входящих в систему ESP……………………………..….33
4.1 Описание датчика угла поворота рулевого колеса………………………….33
4.2 Описание датчика бокового ускорения……………………………………...33
4.3 Описание датчика рыскания………………………………………………...34
4.4 Описание датчика давления в тормозной системе ………………………....35
4.5 Описание датчика продольного ускорения………………………………….35
4.6 Описание конструкция датчика продольного ускорения……………..….36
5 Определение структуры системы активной безопасности автомобиля с датчиком продольного ускорения……………………………………………...39
6 Алгоритмы работы системы…………………………………………………..41
6.1 Основной алгоритм работы датчика продольного ускорения при установке в систему ESP на автомобиль с одним ведущим мостом………………………41
6.2 Алгоритмы обработки сигналов датчиков………………………………...43
7 Синтез принципиальной схемы устройства…………………………………..45
7.1 Принципиальной схемы управления системой активной безопасности….45
7.2 Разработка конструкция и системы управления датчика продольного ускорения………………………………………………………………………….47
8 Безопасность и экологичность системы…………………………………….50
8.1 Системный анализ надежности и безопасности активной системы безопасности автомобиля…………………………………………………...……50
8.2 Мероприятия по повышению надежности и безопасности системы ESP..54
8.3 Пожарная безопасность……………………..……………………………….58
8.4 Защита окружающей природной среды……………………………………..64 9 Технико-экономическое обоснование работы………………………….……68
9.1 Анализ соотношения затрат и прибыли……………………………………..68
9.2 Перечень критериев разработанного устройства, отличающихся от подобных аналогов……………………………………………………………….71
9.3 Расчет затрат на этапе проектирования………………………………………71 9.4 Графический метод CVP-анализа……………………………………………..74 9.5. Трудоемкость определена по опыту аналогичных разработок……………7

По статистическим данным ГИБДД, около 95% всех ДТП, имеющих место на равнинных скоростных дорогах во время дождя, пурги, гололеда, происходят по вине водителей, в результате совершенных ими ошибок в управлении. Ряд американских, немецких и японских исследователей не согласны с такой трактовкой причин ДТП. Аналитики Rompe, Kappler и Brown провели более тщательную обработку полицейской информации о ДТП и указали, что только в 19% всех случаев виноваты неопытность, невнимательность или беспечность водителя; 31% ДТП приходится на несовершенство автомобиля, оставшиеся 50% ДТП имели место, когда водитель просто не успевал среагировать. Forster делает вывод, что человек, как инерционное звено в системе «автомобиль — водитель — дорога», должен быть освобожден от необходимости выполнения мгновенных (быстрее 0,1с) действий, и за него такие действия должна выполнять бортовая электронная автоматика.
Тема дипломного проекта «Разработка система активной безопасности автомобиля с датчиком продольного ускорения» актуальна и значима, так как в ней предлагается решение обозначенной проблемы - безопасности водителя и пассажиров автомобиля.
Объектом исследования по теме работы является электрооборудование автомобиля.
Предмет исследования – это система активной безопасности автомобиля, датчики, электронный блок управления, исполнительные механизмы.
Целью дипломного проекта является разработка системы активной безопасности автомобиля с датчиком продольного ускорения. Основным предназначением системы активной безопасности автомобиля является предотвращение аварийной ситуации. При возникновении такой ситуации система самостоятельно (без участия водителя) оценивает вероятную опасность и при необходимости предотвращает ее путем активного вмешательства в процесс управления автомобилем. Применение системы активной безопасности позволяет в различных критических ситуациях сохранять контроль над автомобилем или, другими словами, сохранить курсовую устойчивость и управляемость автомобиля.
Для достижения поставленной задачи необходимо:
- обзор существующих систем безопасности автомобиля;
- определить структуру системы;
- рассмотреть функциональные связи устройств;
- выбрать датчики, привести их описание;
- составить алгоритм функциональных связей системы;
- привести схему электрическую принципиальную и конструкцию датчика продольного ускорения;
- рассчитать стоимость разработки и производства системы;
- рассмотреть вопросы безопасности и экологичности системы.
Научной новизной данной системы является структура системы активной безопасности автомобиля с датчиком продольного ускорения.
Практическая ценность данной работы состоит в том, что предлагаемая система позволит снизить риск угрозы жизни и здоровья человека, а так же возможность устанавливать данную систему на автомобиль с одним ведущим мостом.
Разработанная система реализуется на выпускаемых промышленностью устройствах. Для выполнения дипломного проекта используется научно техническая, периодическая литература, справочники, нормативные документы
-ГОСТ,ПУЭ

В
VIH
Входное напряжение высокого уровня
Кроме выводов XTAL1 , RESET
0.6 VCC(2)
VCC + 0.5
В
VIH1
Входное напряжение высокого уровня
Вывод XTAL1, выбрана внешняя синхронизация
0.7 VCC(2)
VCC + 0.5
В
VIH2
Входное напряжение высокого уровня
Вывод сброса RESET
0.85 VCC(2)
VCC + 0.5
В
VOL
Выходное напряжение низкого уровня (3)(порты A,B,C,D, E, F, G)
IOL = 20 мА, VCC = 5В
IOL = 10 мА, VCC = 3В
0.7
0.5
В
VOH
Выходное напряжение высокого уровня (4)(порты A,B,C,D)
IOH = -20 мА, VCC = 5В
IOH = -10 мА, VCC = 3В
4.0
2.2
В
IIL
Входной ток утечки через линию ввода-вывода
Vcc = 5.5В, лог. 0 (абс. значение)
8.0
мкА
IIH
Входной ток утечки через линию ввода-вывода
Vcc = 5.5В, лог. 1 (абс. значение)
8.0
мкА
RRST
Сопротивление подтягивающего резистора на входе сброса
30
100
кОм
RPEN
Сопротивление подтягивающего резистора на входе PEN
25
100
кОм
RPU
Сопротивление подтягивающего резистора на линиях ввода-вывода
20
100
кОм
ICC
Потребляемый ток
4 МГц, VCC = 3В, активный режим (ATmega128L)
5
мА
8 МГц, VCC = 5В, активный режим (ATmega128)
20
мА
4 МГц, VCC = 3В, режим холостого хода (ATmega128L)
2
мА
8 МГц, VCC = 5В, режим холостого хода (ATmega128)
12
мА
Режим выключения (Power-down)(5)
Стор. таймер включен, VCC = 3В
< 25
40
мкА
Стор. таймер отключен, VCC = 3В
< 10
25
мкА
VACIO
Входное напряжение смещения аналогового компаратора
VCC = 5В
Vвх = VCC/2
40
мВ
IACLK
Входной ток утечки аналогового компаратора
VCC = 5В
Vвх = VCC/2
-50
50
нА
tACID
Задержка на инициализацию аналогового компаратора
VCC = 2.7В
VCC = 5.0В
750
500
нс
tACID
Задержка распространению сигнала в аналоговом компараторе
VCC = 2.7В
VCC = 5.0В
750500
нс
Для проекта будет использован промышленный вариант исполнения, с напряжением питания 2.7 – 5.5 В.
Тип корпуса 64А представлен на рисунке 3.1
Рисунок 3.1 – Внешний вид микроконтроллера Atmega 128
4 Описание датчиков входящих в систему ESP
4.1 Описание датчика угла поворота рулевого колеса.
Датчик предназначен для передачи на блок управления системы ABS значение угла поворота рулевого колеса. Датчик способен определять угол до 720 градусов, то есть до четырех полных оборотов рулевого колеса, рисунок 4.1.
Рисунок 4.1 Датчик угла поворота рулевого колеса
4.2 Описание датчика бокового ускорения.
Датчик определяет силы, действующие на автомобиль при повороте, которые могут быть переданы. По этим данным система оценивает, какие перемещения автомобиля могут быть выполнены при текущих дорожных условиях без риска потери управляемости, рисунок 4.2.
Рисунок 4.2 Датчик бокового ускорения
4.3 Описание датчика рыскания.
Датчик определяет, воздействуют ли на кузов крутящие моменты. Он позволяет определить, вращается ли кузов вокруг одной из трех пространственных осей (в зависимости от того, в каком положении установлен датчик). Датчик системы ESP позволяет определить, поворачивается ли автомобиль вокруг вертикальной оси. В этом случае речь идет об измерении рыскания, рисунок 4.3.
Рисунок 4.3 Датчик рыскания
4.4 Описание датчика давления в тормозной системе.
Датчик предназначены для передачи данных, используемых при вычислении тормозного усилия и управления давлением на входе в насос, рисунок 4.4.
Рисунок 4.4 Датчик давления в тормозной системе.
4.5 Описание датчика продольного ускорения.
Датчик продольного ускорения изображенный на рисунке 4.5, находится в правой части центрального тоннеля пола ближе к стойке. Он требуется в основном для полноприводных моделей. На автомобилях с одним ведущим мостом система вычисляет продольное ускорение с использованием данных от датчика давления в тормозной системе, датчиков частоты вращения колес и данных, получаемых от системы управления двигателем. На полноприводных автомобилях с муфтой Haldex передние и задние колеса жестко соединены. Значение фактической скорости автомобиля, определяемое с использованием значений частоты вращения отдельных колес, не всегда является точным в некоторых условиях, если, например, сцепление колес с дорогой недостаточно, а муфта Haldex включена. Измеренное значение продольного ускорения используется как подтверждение теоретического значения скорости автомобиля.
Рисунок 4.5 Датчик продольного ускорения
4.6 Описание конструкция датчика продольного ускорения
Основным элементом датчика является микромеханическая система с двойным камертоном, изготовленным из кристаллов кремния и заключенным в корпус небольшого электронного элемента на плате датчика. Рассмотрим упрощенную схему двойного камертона. В своей сужающейся части он соединен с другим кремниевым элементом, который в целях упрощения описания конструкции здесь не рассматривается. Двойной камертон состоит из камертона возбудителя и камертона измерителя.
Рисунок 4.6 Конструкция датчика продольного ускорения
Принцип работы датчика: при подаче на кремниевый камертон напряжения переменного тока в нем индуцируются колебания. Две части камертона настроены таким образом, что камертон возбудителя имеет резонансную частоту колебаний 11 кГц, а камертон измерителя – 11,33 кГц. При подаче на двойной камертон напряжения переменного тока с частотой 11 кГц камертон возбудителя производит индуцированные колебания, а камертон измерителя – нет. Камертон, производящий индуицированные колебания, реагирует на воздействие силы более инертно, чем масса, находящаяся в покое. Результат использования такой конструкции. В то время как камертон измерителя и оставшаяся часть датчика движутся вместе с автомобилем при воздействии на него вращательного ускорения, совершающая колебания часть двойного камертона (камертон возбудителя) начинает двигаться в этом направлении с определенной задержкой.
Следовательно, двойной камертон поворачивается как штопор. Это вращательное движение приводит к изменению в распределении заряда камертона, измеряемого электродами, распределение заряда анализируется электронной системой датчика и передается на блок управления.
Рисунок 4.7 Принцип работы датчика продольного ускорения
При неработоспособности или отсутствия данных от датчика продольного ускорения расчет фактической скорости автомобиля при неблагоприятных дорожных условиях становится невозможным. В этом случае функции ESP и TCS становятся неработоспособными. Функция EBD остается работоспособной.
5 Определение структуры системы активной безопасности автомобиля с датчиком продольного ускорения
Все блоки системы, рассмотренные в п.3, составляют структурную схему разработанной микроконтроллерной системы активной безопасности автомобиля с датчиком продольного ускорения, рисунок 5.
Рисунок 5 – Структурная схема системы активной безопасности с датчиком продольного ускорения
Система содержит три основных блока, блок курсовой устойчивости, блок управления двигателем и блок отвечающий за раскрытие подушек безопасности, задача всех взаимосвязанных блоков заключается в контроле безопасного движения автомобиля а так же координацию работы ДВС.
Формирователи входных сигналов некоторых датчиков представляют собой масштабирующие и буферные усилители, согласующие сигналы датчиков по уровню и по мощности с входами микроконтроллера.
Сигналы с формирователей поступают на многоканальный АЦП, встроенный в микроконтроллер.
Для программирования и диагностики системы управления предусмотрены соответствующие разъемы. Для уменьшения числа используемых портов устройства предполагается, что диагностика и программирования осуществляются через один порт. Для этого может быть использован параллельный порт.
Программирование и диагностика системы осуществляется посредством персональной ЭВМ или ноутбука, поэтому требуется наличие соответствующего интерфейса. При использовании ноутбука может потребоваться преобразователь, работающий с напряжениями последовательного интерфейса 3 В.
Также для осуществления связи с другими блоками управления, желательно наличие CAN-интерфейса или соответствующего преобразователя.
6 Алгоритмы работы системы
6.1 Основной алгоритм работы датчика продольного ускорения при установке в систему ESP на автомобиль с одним ведущим мостом
Система активной безопасности автомобиля с датчиком продольного ускорения активируется при включении зажигания. При подаче питания, система автоматически выходит в режим тестирования, тестируется контроллер, а так же все датчики и нагрузка системы. Результаты тестирования передаются по CAN интерфейсу на информационное табло автомобиля для оповещения водителя. Если какое либо устройство системы неисправно, то выводится так же оповещение о неисправности системы управления, информируя водителя о возникшей неисправности, и система завершает работу или переходит в доезной режим.
В случае отказа одного из датчиков, производится дополнительная проверка датчиков утечки газа, если датчики утечки газа исправны, то включается доездной режим.
После успешного прохождения тестирования система находится в режиме определения рабочей программы, которая определяет работу системы параметр.
Алгоритм работы системы, описанный выше, приведён на рисунке 6.
Рисунок 6 - Алгоритм работы датчика продольного ускорения при установке в систему ESP на автомобиль с одним ведущим мостом
6.2 Алгоритмы обработки сигналов датчиков
Сигналы с датчиков проходят следующие этапы предварительной обработки:
– проверка на достоверности;
– дискретная фильтрация;
– проверка на технологические границы.
Проверка на достоверность заключатся в том, что скорость изменения сигналов с датчиков не должна превышать известные предельные значения. Данный алгоритм может быть описан следующей последовательностью действий.
1 Считывается сигнал i-ого датчика Xi(k), где k – текущий дискретный момент времени. Если выполнено условие
, (2.1)
то сигнал с датчика считается достоверным. Осуществляется переход на пункт 3 данного алгоритма.
В первый момент времени при k=1, проверка на достоверность не производится, т.к. показаний датчиков только один отчет.
2 Производится увеличение счетчика недостоверных значений сигналов датчиков
. (2.2)
Если , то выдается сообщение о неисправности датчика и осуществляется переход на конец алгоритма.
3 Сигнал датчика достоверен, поэтому приступаем к дискретной фильтрации. Алгоритм фильтрации осуществляется в соответствии с фильтром низких частот первого порядка, который описывается уравнением:
, (2.3)
где – постоянная времени фильтра;
– выход фильтра;
– вход фильтра.
Так как уравнение (2.3) реализуется в ЭВМ, то его необходимо преобразовать в дискретную форму. Для этого воспользуемся методом интегрирования Эйлера, который означает кусочно-постоянную аппроксимацию интегрируемой функции. В этом случает уравнение (2.3) принимает вид:
, (2.4)
где – интервал дискретизации.
Алгоритм (2.4) осуществляет сглаживание высокочастотных шумов входных сигналов. Высокочастотными являются шумы, полоса пропускания которых выше значения . При этом для различных датчиков постоянные времени могут быть различными.
4 Проверка на выход за технологические границы означает проверку выхода сигналов датчиков за минимально и максимально допустимые значения. Данная проверка осуществляется в соответствие с выражением
, (2.5)
. (2.6)
Если выражения (2.5), (2.6) не выполняются, то осуществляется выдача соответствующей сигнализации о выходе в недопустимые эксплуатационные режимы.
5 Конец алгоритма.
7 Синтез принципиальной схемы устройства
7.1 Принципиальной схемы управления системой активной безопасности
Головным объектом управления системы является микроконтроллер ATmega 128, к нему подключаются датчики через входные делители и производится фильтрация высокочастотных помех, чтобы защитить микросхему, от перенапряжения используются диоды, все детали схемы герметично закрыты в защитном боксе.
Принципиальная схема системы активной безопасности автомобиля с датчиком продольного ускорения представлена на рисунке 7.1.
Рисунок 7.1- Принципиальная схема системы активной безопасности автомобиля с датчиком продольного ускорения
Как видно на схеме, используемый в разработке датчик продольного ускорения напрямую подключен к ключу зажигания, чтобы система не передавала данные на МК СУ, когда двигатель не запущен.
Сопротивления делителей рассчитываются по формулам:
, (3.1)
, (3.2)
, (3.3)
где U1 входное напряжение 12в;
U2 выходное напряжение логического уровня 5В.
Уравнения (3.1) – (3.3) определяют соотношения для расчета трех сопротивлений. Остальные сопротивления вычисляются аналогично.
Максимальный ток входа микропроцессора около 10 мА. Разъем для передачи данных построен на микросхеме MAX232CPE, она служит для последовательной связи с компьютером, для диагностики или обновления прошивки микроконтроллера.
Основные характеристики микросхемы MAX232CPE приведены в таблице 7.1.
Таблица 7.1 – Основные характеристики микросхемы MAX232CPE
Название параметра
Измеряется
Значение
Напряжение питания
В
5
Скорость передачи
Кбит/сек
220
Номинальная мощность внешних конденсаторов
мкФ
0.1
Температурный диапазон
работы
С
-40..+85
Распределение выходной частоты с микроконтроллера Atmega 128, осуществляется четырех каскадным операционным усилителем LM324. Микросхема LM324 представляет собой мощный ключ, управляемые порты контроллера, подключенные к таймерам, используемым для генерации ШИМ сигналов. Микросхема имеет защиту от пониженного и повышенного напряжений, выходы микросхемы защищены обратными диодами. Основные электрические параметры микросхемы LM324 приведены в таблице 7.2.
Таблица 7.2 – Основные электрические характеристики микросхемы LM324
Параметр
Измеряется
Значение
Напряжение смещения
мВ
12
Напряжение питания
минимум
В
3
максимум
В
32
Количество каналов
шт.
4
Питание микросхем осуществляется стабилизатором КР142ЕН5Б напряжения. Стабилизатор служит для питания основных схем микропроцессора его напряжение стабилизации равно 5 Вольт.
7.2 Разработка конструкция и системы управления датчика продольного ускорения
Исходя из поставленной задачи в Пикаде, была разработана и спроектирована схема управления системой активной безопасности с датчиком продольного ускорения, рисунок 7.2. В качестве микроконтроллера применен Atmega 128.
Рисунок 7.2 – 3D модель системы активного управления с датчиком продольного ускорения
Датчик продольного ускорения 8E0 907 637 A разрабатывался для измерения значения продольного ускорения. Он устанавливается в правую часть центрального тоннеля пола ближе к стойке автомобиля. Такая система уже применяется на автомобилях с полным приводом марки «Шкода Етти».
Говоря о других областях применения данного датчика еще раз подчеркнем, что он измеряет значение продольного ускорения. Благодаря этому на его основе можно строить самые разнообразные системы контроля ускорения в единицу времени.
Датчик 8E0 907 637 A является уникальным в своем роде продуктом и интерес к нему довольно высок. Облегчить знакомство с ним позволяет отладочный комплект К1Т33794BBEУМ. В него входит плата с датчиком 8E0 907 637 A и 8-разрядным микроконтроллером в котором,
Рисунок 7.3 - Отладочная плата комплекта К1Т33794ВВЕУМ
содержится демонстрационная прикладная программа. На компакт-диске имеется вся необходимая техническая информация, в том числе и программа для подключения к персональному компьютеру, реализующая интерфейс с платой (рисунок 7.3). Ее ориентировочная стоимость для конечного заказчика в России составляет около 3000 руб.
8 Безопасность и экологичность системы
8.1 Системный анализ надежности и безопасности активной системы безопасности автомобиля.
Проанализируем причины отказа в работе активной системы безопасности автомобиля с датчиком продольного ускорения и построим дерево отказов (рисунок 8.1).
Рассмотрим первый блок причины антропогенного характера. Он подразделяется на две ветви:
1 ненадлежащая эксплуатация - превышение номинальной мощности системы мощностью потребления. Это может произойти, если произведен:
- неверный расчет параметров системы управления двигателя;
- неквалифицированный монтаж, который в свою очередь может произойти по причине:
- неквалифицированный персонал – например, без опыта работы или не имеющие специального образования. Это происходит:
а) халатности руководителя работ;
б) поиск наибольшей финансовой выгоды (руководитель решил экономить на квалифицированных рабочих, взяв на произведение монтажа рабочих без опыта работы);
в) недостаточно средств на произведение надлежащего монтажа.
2 отсутствие текущего ремонта (отказ в работе двигателя, происходит часто из-за того, что не было произведено текущих ремонтов, прописанных в журнале работ). Это происходит по причине:
- отсутствие средств на надлежащий ремонт (своевременная замена Электрооборудования и т.д.);
- халатное отношение (руководитель работ забывает про сроки эксплуатации электрооборудования).
Рассмотрим второй блок причины природного характера. Он подразделяется на две ветви:
Первая ветвь - повреждение природной стихией (сильный ветер, снегопад и другие природные факторы). Это может произойти:
- неучтены природные особенности местности (местный климат температура воздуха, количество выпадение осадков в год и другие). Это в свою очередь может произойти из-за:
- нет сведений (у предприятия не было сведений на данный климат);
- не учтены в проекте (данная система управления двигателя была не предназначена для данной местности);
- форс-мажор;
Вторая ветвь - повреждение системы управления двигателя фауной местности (проникновение в двигатель мелких животных).
Рассмотрим третий блок причины технического характера. Он подразделяется на две ветви.
Первая ветвь поломка комплектующего аппарата происходит:
- изменение состояния детали происходит в результате:
перегрева детали. Это в свою очередь возникает из-за:
- резкого изменения температуры;
- КЗ (короткое замыкание) внутри системы управления двигателя может произойти:
а) повреждение изоляции (в результате старения оборудования);
б) коррозии, окисления детали;
в)выработка рабочего ресурса;
Скачок напряжения может произойти из-зааварии или КЗ.
Рассмотрим четвертый блок причины технологического характера. Он подразделяется на две ветви:
Первая ветвь - неквалифицированный проект (невыполнение строительных норм, ПУЭ, СНиП). Это может произойти:
- недостаточно средств у предприятия;
- отсутствие специалиста в области разработки;
Вторая ветвь - отсутствие контроля при разработке (предприятие не имеет специального оборудования или специалиста, контролирующего данный процесс). Это происходит из-за:
- халатное отношение руководителей предприятия;
- недостаточно средств на покупку оборудования или наем специалиста.
Рисунок 8. 1 - Дерево причин отказов системы
8.2 Мероприятия по повышению надежности и безопасности системы ESP.
Повышенная надежность и бортовая самодиагностика неисправностей, как отдельных компонентов, так и всей системы в целом обеспечивают безопасную экс­плуатацию системы ESP.
Повышение надежности работы накладывает дополнительные требования на срок службы компонентов, на процесс их производства, на функциональные взаимосвязи между компонентами, на методы диагностирования неисправностей в системе. Многие источники неисправностей должны быть локализованы в процессе работы или уменьшена вероятность того, что неисправности произойдут.
Основные принципы повышения надежности и поиска неисправностей в системе ESP были взяты из программного обеспечения бортовой самодиагности, внедренного с системы ABS и ASR. Бортовая самодиагностика контролирует все компоненты, которые электрически соединены с ЭБУ. Контролируются электрические соединения, сигналы и их действия. Помимо этого в систему ESP были внедрены новые средства и программное обеспечение. Например, исполнительные гидромеханизмы проверяются путем создания коротких циклов модуляции давления с последующим анализом сигналов от датчика давления. Таким же путем проверяется и исправное функционирование насосов, дифференциального регулятора давления и электромагнитных гидроклапанов.
Датчики контролируются по трем программам.