خودروها چگونه هوشمند می شوند؟
نویسنده: قاسم غفاری
با افزایش تعداد خودروها و به تبع آن افزایش تصادفات و نیز تمایل مشتریان به استفاده از سامانه های پیشرفته تر و راحت تر و این که عصر حاضر عصر اطلاعات نام گذاری شده و نیز با توجه به گسترش استفاده از رایانه ها در بیشتر امور، استفاده از سامانه های مکاترونیکی نیز به عنوان نمونه ای از این امر در حال گسترش است. صنعت خودرو، به عنوان صنعتی پررونق و پرمشتری، زمینه بسیار مناسبی را برای استفاده از سامانه های مکاترونیکی فراهم می کند، تا هم رضایت مشتری فراهم شده و هم امنیت و آسایش بیشتری برای سرنشینان ایجاد شود. در این مقاله به کاربردهای مکاترونیک در خودروها می پردازیم.
در دیدگاه علم مکاترونیک، خودرو به عنوان سامان های که سهم بخش مکانیکی در آن زیاد است مورد توجه قرار می گیرد و هدف مکاترونیک این است که تا جایی که امکان دارد از سهم بخش مکانیکی کاسته و آن را بر عهده بخش های الکترونیکی و رایانه ای بگذارد و البته در بین دو بخش الکترونیک و رایانه نیز همین حالت وجود دارد که سعی بر این است که در اینجا نیز سهم قسمت های الکترونیکی کم شده و بخش های رایانه ای سهم بیشتری را در کار کرد سامانه دارا باشد. برای درک این مفهوم می توان شکل صفحه 64 را مورد توجه قرار داد.
سیر تکامل مکاترونیک را می توان در خودرو مشاهده کرد. تا دهه 1960 تنها سامانه الکترونیکی که روی خودروها نصب می شد، رادیو بود و تمام عملیات دیگر در خودرو با روش های کاملا مکانیکی یا الکتریکی انجام می گرفت. مانند استاتر یا سامانه شارژ باتری. در مدل های قدیمی خودروها هیچ گونه سامانه ایمنی هوشمندی وجود نداشت و تنها سامانه ایمنی به کار رفته سپر خودرو بود که در زمان تصادف از سرنشینان محافظت می کرد. کمربند ایمنی در اوایل دهه 1960 به بازار عرضه شد که میزان ایمنی سرنشینان را تا حدی افزایش می داد که سامانه عملکرد آنها نیز کاملا مکانیکی بود. تمام بخش های خودرو نیز توسط راننده و از طریق سامانه های کاملا مکانیکی کنترل می شدند. به عنوان نمونه، قبل از ظهور حسگرها و میکروکنترلرها یک سامانه مکانیکی برای توزیع الکتریسیته برای جرقه زدن در زمان معینی که مخلوط بنزین و هوا در سیلندرها در حالت کاملا فشرده قرار داشت، استفاده می شد (سامانه مکانیکی دلکو و چکش برق) که زمان بندی احتراق متغیر کنترلی مدنظر بود. این فرایند مکانیکی که کنترل زمان بندی احتراق را برعهده داشت، از لحاظ میزان سوخت مصرفی بهینه نبود. مدل کردن فرایند احتراق در موتور خودرو نشان داد که برای افزایش بازدهی موتور و کاهش میزان سوخت مصرفی، زمانی بهینه وجود دارد که باید در آن زمان عمل جرقه زدن انجام گیرد. این زمان بندی به عواملی نظیر بار (وزن خودرو)، سرعت و دیگر کمیت های قابل اندازه گیری وابسته است.
سامانه جرقه زدن الکترونیکی یکی از اولین سامانه های مکاترونیکی خودروها ست که در اواخر دهه 1970 به بازار معرفی شد. سامانه جرقه زن الکترونیکی از یک حسگر تشخیص موقعیت میل لنگ، حسگر تشخیص وضعیت میل بادامک، حسگر تشخیص میزان جریان هوای ورودی، حسگر تشخیص وضعیت دریچه کنترل سوخت و میکروکنترلری که زمان ایجاد جرقه را تعیین می کند، تشکیل شده است.
سامانه ترمز ABS را می توان نوعی سامانه مکاترونیکی در نظر گرفت که امروزه روی خودروها نصب می شود. استفاده از سامانه های مکاترونیکی در خودرو های بیشتر جنبه ایمنی دارد که به چند نمونه از آن در اینجا اشاره می کنیم:
1- سامانه جلوگیری از خوابیدن راننده در حال رانندگی: این سامانه مجهز به یک دوربین و یک سامانه پردازش تصویر برای تحت نظر داشتن چشم های راننده است. وقتی که راننده به خواب رود و چشم هایش بسته شود، این سامانه شروع به هشدار دادن کرده تا راننده را بیدار کند و به طور همزمان ترمزها را به کار انداخته تا سرعت خودرو کاهش یابد و از بروز خطر جلوگیری می کند.
2- سامانه تشخیص موانع در اطراف خودرو در حال حرکت: یک رادار در خودرو نصب می شود که فاصله خودرو تا موانع و خودرو های اطراف را اندازه گیری می کند و با توجه به سرعت خودرو وقتی فاصله از مانع مقدار معینی کمتر شود خود به خود سرعت را کم کرده و در صورت لزوم خودرو را متوقف می کند.
3- سامانه های تشخیص عیوب خودرو: این سامانه ها مجهز به حسگرهایی هستند که عوامل گوناگونی را از جمله میزان روغن موتور، سالم بودن سامانه ترمزها، بسته بودن درب ها در حال حرکت، بسته شدن کمربند ایمنی و... بررسی کرده و در صورت لزوم به راننده اخطار می دهند.
5- سامانه های جلوگیری از سرخوردن و چپ شدن خودرو در سرپیچ ها و مسیرهای لغزنده: پایداری خودرو در شرایط سخت حرکتی، از جمله هنگام حرکت در پیچ یا سطوح لغزنده یکی از مهم ترین ارکان برای حفظ سلامت سرنشینان می باشد. بسیاری از رانندگان درکی از مفاهیم رانندگی نداشته و در شرایط فوق با توجه به چسبندگی کم خودرو به سطح جاده نمی توانند خودرو را کنترل کنند. در هنگام حرکت خودرو در پیچ های تیز، خودرو ممکن است دچار کم دور زنی یا بیش دورزنی شود. در حالت اول خودرو از مسیر خود خارج شده و به سمت بیرون پیچ می رود و در حالت دوم به سمت داخل پیچ حرکت می کند. در این حالت سامانه کنترل الکتریکی ESP وظیفه اقدامات اصلاحی را به عهده خواهد داشت. در حالت اول با ترمز کردن چرخ جلو سمت بیرون پیچ و در حالت دوم با ترمز کردن چرخ عقب داخل پیچ باعث افزایش پایداری خودرو می شود. در این سامانه حسگر سرعت خودرو، حسگر زاویه غربیلک فرمان، حسگر فشار ترمز و سوئیچ چراخ ترمز اطلاعات را به سامانه کنترل الکترونیکی ازسال می کنند و این سامانه نیز با کاهش سرعت خودرو و فعال سازی سامانه ترمز، چرخ مورد نظر را ترمز می کند. این سامانه تلفیقی از مکاترونیک و سامانه هیدرولیک است. واحد هیدرولیک دارای شیرهای برقی و پمپ هیدرولیک است که از واحد کنترل الکتریکی این سامانه فرمان می گیرند. واحد کنترل الکترونیکی این سامانه واحد ترمز ضد قفل را هنگام
ترمزگیری کنترل می کند.
از دیگر کاربردهای سامانه های مکاترونیکی در خودروها می توان به سامانه هایی که به رانندگی راحت تر کمک می کند اشاره کرد.
از جمله این سامانه ها می توان به:
1- سامانه پارک خودکار
2- سامانه ای که به رانندگی در مسیرهای باریک کمک می کند
3- سامانه راننده خودکار
4- سامانه مخصوص رانندگی در شب یا در هوای مه آلود که دید کافی برای راننده وجود ندارد. اشاره کرد.
سامانه های مکاترونیکی دیگری نیز در خودروها وجود دارد که معروف به سامانه های رانندگی با سیم (Drive by wire) هستند. منظور از سامانه رانندگی با سیم این است که بخش های مکانیکی که در خودرو نقش انتقال نیرو یا حرکت را بر عهده دارند با قسمت های الکترونیکی و مکاترونیکی جایگزین شوند. به طور مثال می توان به سامانه فرمان خودرو اشاره کرد که به محور چرخ های جلو متصل بوده و جهت حرکت خودرو را تعیین می کند. در سامانه کاملا مکانیکی غریبک با میل فرمان به محور چرخ های جلو متصل است، اما در سامانه مکاترونیکی میل فرمان حذف شده و به جای آن حسگرهایی در غربیلک نصب شده اند که میزان چرخش آن را به راست یا چپ را حس می کنند و سپس از طریق سیم این اطلاعات به میکروکنترلر ارسال شده و میکروکنترلر به محرک های الکتریکی که در محل محور چرخ ها نصب شده اند فرمان می دهد که به اندازه زاویه مشخصی که متناسب با میزان چرخش غربیلک توسط راننده است، محور چرخ ها را به راست یا چپ حرکت دهند. نظیر این سامانه را می توان برای ترمز یا دیگر بخش های خودرو نیز به کار برد.
For System 1:
0.95*0.95*0.95*0.95*=0.81
For System 2:
0.95*0.95*0.95*0.95*0.95=0.77
برای رفع این مشکل و جلوگیری از پیشامد خسارات احتمالی در موارد مهمی مانند خودرو که جان انسان ها در میان است، معمولا یک سامانه مکانیکی به طور موازی با سامانه مکاترونیکی بسته می شود که اگر زمانی سامانه مکاترونیکی از کار افتاد سامانه مکانیکی جایگزین سریعا وارد عمل شود و از بروز خسارت جلوگیری کند.
باید گفت که یک خودرو با تعداد 30 تا 60 عدد میکروکنترلر، بیش از 100عدد موتور الکتریکی، نزدیک به تعداد بسیار زیادی از حسگرها و سیم بندی و هزاران خط کد نرم افزاری را به سختی می توان یک سامانه مکانیکی صرف دانست.
منبع: دانشمند ش 572
مکاترونیک چیست؟
واژه مکاترونیک اولین مرتبه در دهه 1970 توسط شرکت "یاساکاوا الکتریک "به کار برده شد و منظور از آن سامانه ای است که تلفیقی از سامانه های مکانیکی، الکترونیکی و رایانه ای باشد.در دیدگاه علم مکاترونیک، خودرو به عنوان سامان های که سهم بخش مکانیکی در آن زیاد است مورد توجه قرار می گیرد و هدف مکاترونیک این است که تا جایی که امکان دارد از سهم بخش مکانیکی کاسته و آن را بر عهده بخش های الکترونیکی و رایانه ای بگذارد و البته در بین دو بخش الکترونیک و رایانه نیز همین حالت وجود دارد که سعی بر این است که در اینجا نیز سهم قسمت های الکترونیکی کم شده و بخش های رایانه ای سهم بیشتری را در کار کرد سامانه دارا باشد. برای درک این مفهوم می توان شکل صفحه 64 را مورد توجه قرار داد.
سیر تکامل مکاترونیک را می توان در خودرو مشاهده کرد. تا دهه 1960 تنها سامانه الکترونیکی که روی خودروها نصب می شد، رادیو بود و تمام عملیات دیگر در خودرو با روش های کاملا مکانیکی یا الکتریکی انجام می گرفت. مانند استاتر یا سامانه شارژ باتری. در مدل های قدیمی خودروها هیچ گونه سامانه ایمنی هوشمندی وجود نداشت و تنها سامانه ایمنی به کار رفته سپر خودرو بود که در زمان تصادف از سرنشینان محافظت می کرد. کمربند ایمنی در اوایل دهه 1960 به بازار عرضه شد که میزان ایمنی سرنشینان را تا حدی افزایش می داد که سامانه عملکرد آنها نیز کاملا مکانیکی بود. تمام بخش های خودرو نیز توسط راننده و از طریق سامانه های کاملا مکانیکی کنترل می شدند. به عنوان نمونه، قبل از ظهور حسگرها و میکروکنترلرها یک سامانه مکانیکی برای توزیع الکتریسیته برای جرقه زدن در زمان معینی که مخلوط بنزین و هوا در سیلندرها در حالت کاملا فشرده قرار داشت، استفاده می شد (سامانه مکانیکی دلکو و چکش برق) که زمان بندی احتراق متغیر کنترلی مدنظر بود. این فرایند مکانیکی که کنترل زمان بندی احتراق را برعهده داشت، از لحاظ میزان سوخت مصرفی بهینه نبود. مدل کردن فرایند احتراق در موتور خودرو نشان داد که برای افزایش بازدهی موتور و کاهش میزان سوخت مصرفی، زمانی بهینه وجود دارد که باید در آن زمان عمل جرقه زدن انجام گیرد. این زمان بندی به عواملی نظیر بار (وزن خودرو)، سرعت و دیگر کمیت های قابل اندازه گیری وابسته است.
سامانه جرقه زدن الکترونیکی یکی از اولین سامانه های مکاترونیکی خودروها ست که در اواخر دهه 1970 به بازار معرفی شد. سامانه جرقه زن الکترونیکی از یک حسگر تشخیص موقعیت میل لنگ، حسگر تشخیص وضعیت میل بادامک، حسگر تشخیص میزان جریان هوای ورودی، حسگر تشخیص وضعیت دریچه کنترل سوخت و میکروکنترلری که زمان ایجاد جرقه را تعیین می کند، تشکیل شده است.
سامانه ترمز ABS را می توان نوعی سامانه مکاترونیکی در نظر گرفت که امروزه روی خودروها نصب می شود. استفاده از سامانه های مکاترونیکی در خودرو های بیشتر جنبه ایمنی دارد که به چند نمونه از آن در اینجا اشاره می کنیم:
1- سامانه جلوگیری از خوابیدن راننده در حال رانندگی: این سامانه مجهز به یک دوربین و یک سامانه پردازش تصویر برای تحت نظر داشتن چشم های راننده است. وقتی که راننده به خواب رود و چشم هایش بسته شود، این سامانه شروع به هشدار دادن کرده تا راننده را بیدار کند و به طور همزمان ترمزها را به کار انداخته تا سرعت خودرو کاهش یابد و از بروز خطر جلوگیری می کند.
2- سامانه تشخیص موانع در اطراف خودرو در حال حرکت: یک رادار در خودرو نصب می شود که فاصله خودرو تا موانع و خودرو های اطراف را اندازه گیری می کند و با توجه به سرعت خودرو وقتی فاصله از مانع مقدار معینی کمتر شود خود به خود سرعت را کم کرده و در صورت لزوم خودرو را متوقف می کند.
3- سامانه های تشخیص عیوب خودرو: این سامانه ها مجهز به حسگرهایی هستند که عوامل گوناگونی را از جمله میزان روغن موتور، سالم بودن سامانه ترمزها، بسته بودن درب ها در حال حرکت، بسته شدن کمربند ایمنی و... بررسی کرده و در صورت لزوم به راننده اخطار می دهند.
5- سامانه های جلوگیری از سرخوردن و چپ شدن خودرو در سرپیچ ها و مسیرهای لغزنده: پایداری خودرو در شرایط سخت حرکتی، از جمله هنگام حرکت در پیچ یا سطوح لغزنده یکی از مهم ترین ارکان برای حفظ سلامت سرنشینان می باشد. بسیاری از رانندگان درکی از مفاهیم رانندگی نداشته و در شرایط فوق با توجه به چسبندگی کم خودرو به سطح جاده نمی توانند خودرو را کنترل کنند. در هنگام حرکت خودرو در پیچ های تیز، خودرو ممکن است دچار کم دور زنی یا بیش دورزنی شود. در حالت اول خودرو از مسیر خود خارج شده و به سمت بیرون پیچ می رود و در حالت دوم به سمت داخل پیچ حرکت می کند. در این حالت سامانه کنترل الکتریکی ESP وظیفه اقدامات اصلاحی را به عهده خواهد داشت. در حالت اول با ترمز کردن چرخ جلو سمت بیرون پیچ و در حالت دوم با ترمز کردن چرخ عقب داخل پیچ باعث افزایش پایداری خودرو می شود. در این سامانه حسگر سرعت خودرو، حسگر زاویه غربیلک فرمان، حسگر فشار ترمز و سوئیچ چراخ ترمز اطلاعات را به سامانه کنترل الکترونیکی ازسال می کنند و این سامانه نیز با کاهش سرعت خودرو و فعال سازی سامانه ترمز، چرخ مورد نظر را ترمز می کند. این سامانه تلفیقی از مکاترونیک و سامانه هیدرولیک است. واحد هیدرولیک دارای شیرهای برقی و پمپ هیدرولیک است که از واحد کنترل الکتریکی این سامانه فرمان می گیرند. واحد کنترل الکترونیکی این سامانه واحد ترمز ضد قفل را هنگام
ترمزگیری کنترل می کند.
از دیگر کاربردهای سامانه های مکاترونیکی در خودروها می توان به سامانه هایی که به رانندگی راحت تر کمک می کند اشاره کرد.
از جمله این سامانه ها می توان به:
1- سامانه پارک خودکار
2- سامانه ای که به رانندگی در مسیرهای باریک کمک می کند
3- سامانه راننده خودکار
4- سامانه مخصوص رانندگی در شب یا در هوای مه آلود که دید کافی برای راننده وجود ندارد. اشاره کرد.
سامانه های مکاترونیکی دیگری نیز در خودروها وجود دارد که معروف به سامانه های رانندگی با سیم (Drive by wire) هستند. منظور از سامانه رانندگی با سیم این است که بخش های مکانیکی که در خودرو نقش انتقال نیرو یا حرکت را بر عهده دارند با قسمت های الکترونیکی و مکاترونیکی جایگزین شوند. به طور مثال می توان به سامانه فرمان خودرو اشاره کرد که به محور چرخ های جلو متصل بوده و جهت حرکت خودرو را تعیین می کند. در سامانه کاملا مکانیکی غریبک با میل فرمان به محور چرخ های جلو متصل است، اما در سامانه مکاترونیکی میل فرمان حذف شده و به جای آن حسگرهایی در غربیلک نصب شده اند که میزان چرخش آن را به راست یا چپ را حس می کنند و سپس از طریق سیم این اطلاعات به میکروکنترلر ارسال شده و میکروکنترلر به محرک های الکتریکی که در محل محور چرخ ها نصب شده اند فرمان می دهد که به اندازه زاویه مشخصی که متناسب با میزان چرخش غربیلک توسط راننده است، محور چرخ ها را به راست یا چپ حرکت دهند. نظیر این سامانه را می توان برای ترمز یا دیگر بخش های خودرو نیز به کار برد.
معایب سامانه های مکاترونیکی
سامانه های مکاترونیکی با همه مزایایی که دارند دارای این عیب نیز هستند که معمولا قابلیت اطمینان در آنها پایین است و این امر در مواردای که عدم کارایی این سامانه ها منجر به خسارت جبران ناپذیری شود، مانند زمانی که جان انسان ها در میان باشد بسیار اهمیت می یابد. به طور مثال در سامانه Drive by wire که در بالا مطرح شد اگر بر حسب اتفاق، زمانی فرمان مکاترونیکی از کار بیفتند ممکن است خسارت جبران ناپذیری به وجود آید. در حالی که قابلیت اطمینان در سامانه های مکانیکی به نسبت از سامانه های مکاترونیکی بالاتر است. این مسئله از اینجا ناشی می شود که بنا به تعریف قابلیت اطمینان همواره عددی کوچک تر از یک است و قابلیت اطمینان برای یک سامانه برابر حاصلضرب قابلیت اطمینان تک تک زیر سامانه هاست و معمولا سامانه های مکاترونیکی به نسبت سامانه های مکانیکی از اجزا و زیر سامانه های بیشتری تشکیل شده اند و این باعث می شود که قابلیت اطمینان کل سامانه کاهش یابد. به طور مثال دو سامانه را در نظر بگیرید که یکی از 4 زیر سامانه و دیگری از 3 زیر سامانه تشکیل شده باشند و در حالتی خوش بینانه فرض می کنیم که قابلیت اطمینان برای زیر سامانه های هر دو سامانه برابر 95% باشد و به محاسبه قابلیت اطمینان دو سامانه می پردازیم:For System 1:
0.95*0.95*0.95*0.95*=0.81
For System 2:
0.95*0.95*0.95*0.95*0.95=0.77
برای رفع این مشکل و جلوگیری از پیشامد خسارات احتمالی در موارد مهمی مانند خودرو که جان انسان ها در میان است، معمولا یک سامانه مکانیکی به طور موازی با سامانه مکاترونیکی بسته می شود که اگر زمانی سامانه مکاترونیکی از کار افتاد سامانه مکانیکی جایگزین سریعا وارد عمل شود و از بروز خسارت جلوگیری کند.
باید گفت که یک خودرو با تعداد 30 تا 60 عدد میکروکنترلر، بیش از 100عدد موتور الکتریکی، نزدیک به تعداد بسیار زیادی از حسگرها و سیم بندی و هزاران خط کد نرم افزاری را به سختی می توان یک سامانه مکانیکی صرف دانست.
منبع: دانشمند ش 572
تاریخ : شنبه 91/2/2 | 6:43 عصر | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
