Мехатронные системы в помощь человеку.
Одной из перспективных областей внедрения мехатронных систем на сегодняшний день является автомобилестроение. Если говорить о производстве автомобилей, то внедрение таких систем позволяет достичь определенной гибкости производства, более чутко отзываться на веяния моды, быстро внедрять новейшие разработки ученых, конструкторов, доносить их до конкретного потребителя продукции. Сам автомобиль, тем более, современный автомобиль, является объектом повышенного, внимания со стороны конструкторской мысли. Современная эксплуатация автомобиля требует от него повышенных требований по безопасности управления, в силу все возрастающей автомобилизации населения ужесточения требований по экологической чистоте. Особенно это актуально для крупных городов. Для создания таких условий и призвано создание мобильных следящих систем, контролирующих и корректирующих параметры работы узлов и агрегатов, достигая оптимальных показателей по экологичности, безопасности, удобству эксплуатации автомобиля. Насущная необходимость'комплектовать двигатели автомобилей более сложными и дорогими топливными системами во многом объясняется введением все более жестких требований по содержанию вредных веществ в отработавших газах, что, к сожалению, у нас пока не актуально.
Какие характеристики были у вашего настольного компьютера пяти- семи летней давности? Сегодня системные блоки конца XX столетия кажутся атавизмом и претендуют разве что на роль печатной машинки. Похожая ситуация с автомобильной электроникой.
Современную машину невозможно представить без компактных управляющих блоков и исполнительных механизмов - актюаторов. Несмотря на опасения скептиков, их внедрение идет семимильными шагами: нас уже не удивишь электронным впрыском топлива, сервоприводами зеркал, люков и стекол, электроусилителем руля и мультимедийными развлекательными системами. А ведь внедрение в автомобиль электроники, по сути, начали с самого ответственного участка - тормозов.
В далеком 1970 году совместная разработка "Бош11 и "Мерседес-Бенц" под скромной аббревиатурой АБС совершила переворот в активной безопасности. Антиблокировочная система не только обеспечила управляемость машины с нажатой "в пол" педалью, но и позволила создать несколько смежных устройств - например, систему тягового контроля (TCS). Идея была впервые реализована еще в 1987 году одним из лидеров разработки бортовой электроники - фирмой "Бош".
По сути, тяговый контроль - антипод АБС: последняя не дает колесам скользить при торможении, a TCS - при разгоне. Электронный блок отслеживает тягу на колесах посредством нескольких датчиков скорости. Стоит водителю сильнее обычного "топнуть" по педали акселератора, создав угрозу проскальзывания колеса, устройство попросту "придушит" двигатель.
"Аппетит" конструкторов рос год от года. Уже через несколько лет была создана ESP - программа курсовой устойчивости (Electronic Stability
Program). Оснастив автомобиль датчиками угла поворота, скорости вращения колес и поперечного ускорения, тормоза заставили помогать водителю в наиболее сложных ситуациях. . Подтормаживая то или иное колесо, электроника сводит к минимуму риск сноса машины при быстром прохождении сложных поворотов. Следующий шаг: компьютер научили подтормаживать... сразу три колеса. В иных случаях только так можно стабилизировать автомобиль, пытающийся уйти с безопасной траектории.
Но пока электронике доверяли лишь "надзорную" функцию. Давление в гидравлическом приводе водитель по-прежнему создавал педалью.
Традицию нарушила электрогидравлическая SBC (Sensotronic Brake Control), с прошлого года серийно устанавливаемая на некоторые модели "Мерседес-Бен ц". Гидравлическая часть системы представлена аккумулятором давления, главным тормозным цилиндром и магистралями. Электрическая - насосом, создающим давление 140-160 атм., датчиками давления, скорости вращения колес и хода педали тормоза. Нажимая последнюю, водитель не перемещает привычный шток вакуумного усилителя, а давит на "кнопку", подавая сигнал компьютеру, - словно управляет неким бытовым прибором. Последний рассчитывает оптимальное давление для каждого контура, а насос через управляющие клапаны подает жидкость к рабочим цилиндрам.
Прелесть новинки - быстродействие, совмещение функций АБС и • системы стабилизации в одном устройстве. Есть и другие преимущества. Например, если резко сбросить ногу с педали газа, тормозные цилиндры подведут колодки к диску,'приготавливаясь к экстренному торможению. Система связана даже со... стеклоочистителями. По интенсивности работы "дворников" компьютер делает вывод о движении в дождь. Реакция -короткие и незаметные для водителя касания колодок о диски для просушки. Ну а если "повезло" встать в пробку на подъеме, не стоит волноваться: машина не откатится назад, пока водитель будет переносить ногу с тормоза на газ. Наконец, при скорости менее 15 км/ч можно активировать функцию так называемого плавного замедления: при сбросе газа машина будет останавливаться так мягко, что водитель даже не почувствует финального "клевка".
А если электроника откажет? Ничего страшного: специальные клапаны полностью откроются, и .система будет работать подобно традиционной, правда, без вакуумного усилителя.
Пока конструкторы не решаются полностью отказаться от гидравлических устройств тормозов, хотя именитые фирмы уже вовсю разрабатывают "безжидкостные" системы. Например, "Делфай" объявила о решении большинства технических проблем, еще недавно казавшихся тупиковыми: мощные электромоторы - заменители тормозных цилиндров разработаны, а электрические исполнительные механизмы удалось сделать даже компактнее гидравлических.
Компания "Бош" также готова наладить производство электромеханических тормозов, но пока воздерживается от смелых
прогнозов о массовом производстве. Основная причина задержки - высокая стоимость изделия и... неготовность иных систем автомобиля.
По мнению специалистов, "серийных электронных тормозов мы не увидим, пока в автомобиле не появится дублирующая 42-вольтовая сеть, которая не позволит машине превратиться в неуправляемый снаряд в случае сбоя в основной электросети.
А ведь так называемое управление по проводам - тормозами, акселератором, рулем - позволило бы решить много технологических проблем, а заодно... уравнять "праворукие" и "леворукие" машины. Чтобы превратить одну в другую, достаточно будет передвинуть баранку, блок приборов и педальный узел. Такие автомобили уже есть - например, "Бертоне-Фило" (ЗР, 2001, № 6). Правда, он пока лишь концепт. Но ведь всего лет пять-семь назад мы и не думали, что на наших столах будут стоять столь совершенные компьютеры.
Механическая связь порвана: в системе SBC команда от педали тормоза идет на электронный блок и лишь потом - к гидравлическим исполнительным механизмам.
В экстремальных ситуациях водителю помогает "ассистент экстренного дотормаживания". В вакуумный усилитель тормозов встроены датчики скорости, перемещения штока педали тормоза и электромагнитный клапан. Стоит скорости перемещения превысить определенный порог, электронные имозгии открывают клапан, увеличивая давление воздуха в камере усилителя; тормозное усилие достигает .максимума, но АБС предотвращает блокировку колес.
Возможно, вскоре число колодок на каждом колесе вырастет до трех. Фирма "Делфай" прочит будущее конструкции, в которой третья колодка расположена между двумя "плавающими" дисками. Энергия поглощается сразу четырьмя поверхностями. Масса "двойного брейкбургера" на две трети меньше традиционного тормозного механизма, а требуемое для работы давление - вдвое ниже.
Автоматический стояночный тормоз уже прижился на дорогих моделях. Нажатием кнопки водитель активирует систему стабилизации, которая автоматически повышает давление в приводе тормозов, прижимая колодки к дискам. Затем вмрнтированный в цилиндр электромагнитный клапан "запирает" тормоза.
Автомобили меняются буквально на глазах: из бездумного исполнителя человеческой воли превращаются в некое подобие разумного существа, решающего проблемы творчески. Примеры: коробки передач, подстраивающиеся под стиль езды, или подвески, "щупающие" дорогу. А у некоторых машин уже есть... глаза.
В мегаполисах приходится "ловить11 миллиметры, втискиваясь в ряд автомобилей у тротуара. Здесь помогают системы, получившие название "парктроник".
В бамперы встроены ультразвуковые датчики (по четыре в переднем и заднем), сканирующие пространство вокруг машины. Устройство
срабатывает, когда до препятствия остается около 1,5 м: моргают светодиоды на панели приборов и дребезжит зуммер. Чем ближе объект, тем короче паузы между звуковыми сигналами и "краснее11 лампочки. В 20 сантиметрах от препятствия машина начинает "голосить" постоянно. В некоторых автомобилях на дисплей перед водителем выводится картинка: машинка и разноцветные зоны, показывающие расстояние до препятствия, а звук для убедительности исходит из колонок штатной аудиосистемы.
Более сложные и чуткие устройства умеют распознавать объект не только сзади и спереди, но и по бокам. Таким парктроникам необходима, разумеется, более подробная информация, а, следовательно, дополнительные датчики - минимум по шесть в каждом бампере.
Первые устройства, поддерживающие заданную скорость, так называемые круиз-контроли, по сути, встраивали в механическую "цепь" (тягу или тросик) между педалью газа и дроссельной заслонкой.
Одна из древних конструкций работала так. Водитель орудовал специальной кнопкой в торце подрулевого переключателя. Нажал и отпустил - стрелка спидометра замерла на заданной отметке. Удерживая кнопку, можно разогнаться до выбранной скорости. Блок управления, сравнивая заданные параметры с фактическими, командовал шаговым двигателем, который управлял педалью акселератора. Человек мог вмешаться в работу системы, например, на обгоне.
В более поздних системах пневматическое устройство воздействовало непосредственно на дроссельную заслонку. Электромагнитный клапан, которым командовал блок' управления, дозировал разрежение в полости управляющего механизма. Диафрагма вытягивала шток, связанный с приводом дроссельной заслонки.
Толчок развитию "круизов" дала электроника: она избавила от механической связи между педалью газа и двигателем. Управляющий блок общается теперь с компьютерами мотора и коробки передач. Такие устройства точнее, быстрее и, что немаловажно, компактнее.
Оставался один шаг до так называемых адаптивных систем, способных поддерживать не только заданную скорость, но и безопасную дистанцию. В переднюю часть автомобиля встроили "всевидящее око" - радар, работающий в режиме приема и передачи. По времени прохождения сигнала он вычисляет расстояние от автомобиля до о'бъекта и информирует блок управления.
Водитель задает скорость, компьютер послушно удерживает стрелку спидометра на нужной отметке. Но если на пути медленный автомобиль, а вы не тормозите и не пытаетесь его обогнать, система "душит" двигатель, а при необходимости активирует тормоза. Путь свободен - вновь набирает заданную скорость.
Конечно, даже адаптивный круиз-контроль не позволяет отвлечься от дороги. Разработчики специально предупреждают: устройство создано, в первую очередь, для комфорта, а не для предотвращения аварий. Например, тормоза может "включить" лишь па 25% от максимальной эффективности. Нужно остановиться быстрее - давите на педаль сами. Кроме того, у системы
довольно узкий кругозор: в поле зрения не попадает даже мотоциклист, движущийся в нескольких метрах от вас по краю того же ряда. Ввести в заблуждение умную технику может и попутный автомобиль на вираже: занимает соседнюю полосу, но становится "мишенью" радара.
Ксеноновые фары потихоньку теснят "галогенки". А в блок-фары все чаще ставят дополнительные лампы с поворотными рефлекторами. Адаптивный свет следует за поворотом руля, освещая "слепой" для обычных фар изгиб дороги. При подъезде к перекрестку, когда водитель включил указатель поворота, одна из фар отклоняется, освещая обочину и прилегающую дорогу. Но ведь при перестроении из ряда в ряд свет, бьющий в сторону, может помешать другим водителям! Чтобы этого избежать, электроника отслеживает скорость автомобиля.