Adaptacyjna regulacja prędkości jazdy ACC sterowana komputerowo na podstawie produktu firmy Bosch

Człowiek coraz więcej czasu spędza w samochodzie przemieszczając się z jednego miejsca na drugie. Jazda często bywa nużąca lub pełna momentów wymagających natychmiastowej reakcji. Wymaga sporego wysiłku od kierowcy. Ciągłe reagowanie na zmieniający się przed kierowcą ruch, na przyspieszanie, zwalnianie - wymusiło  skonstruowanie różnorodnych systemów ułatwiających kierowanie pojazdem. 
Jednym z takich rozwiązań jest adaptacyjna regulacja prędkości ACC ( z ang. Adaptive Cruise Control), układ znany też z niemieckiego określenia jako tempomat. System ten pozwala na poruszanie się samochodu ze stałą prędkością określoną przez kierowcę - funkcja ta nosi nazwę  "Cruise Control".
Układ ten montowany jest z przodu samochodu. Jeśli przed pojazdem znajdzie się inny samochód to system ACC dostosuje prędkość jazdy do pojazdu poprzedzającego go. Oczywiście wcześniej zaingeruje w układ hamulcowy i zachowa ustaloną wcześniej przez kierowcę odpowiednią odległość. Odstęp pomiędzy pojazdami jest utrzymywany proporcjonalnie do zmieniającej się wartości prędkości pojazdu poprzedzającego (zmiana odległości odbywa się automatycznie bez ingerencji kierowcy). Gdy pas ruchu zwolni się, kierowca pojazdu wyposażonego w ACC może przyspieszyć jazdę poprzez wciśnięcie pedału gazu - bez względu na utrzymywaną przez tempomat wcześniej prędkość. Życzenie kierowcy jest nadrzędne w stosunku do działania adaptacyjnej regulacji prędkości. Dopiero zwolnienie pedału oddaje ponowną kontrolę prędkości tempomatowi, a wciśnięcie hamulca spowoduje wyłączenie ACC.
Obecnie najnowsza wersja układu - ACCplus, pozwala na jazdę nie tylko na autostradzie ale również w zatłoczonym mieście, poruszając się trybem Stop-and-Go z prędkością niższą niż 30 km/h. Możliwa prędkość zadana mieści się w zakresie 0 - 200 km/h. System ten montowany jest seryjnie od 2006 roku w Audi Q7.

Tempomat jest w każdej chwili przygotowany na zmianę punktu odniesienia w kolumnie pojazdów, w razie takiego przypadku gdy nagle pomiędzy aktualnie poprzedzający pojazd wjedzie kolejny lub wyjedzie dawny punkt odniesienia układu ACC. W takim  przypadku tempomat elektronicznie zmniejszy prędkość za pomocą elektronicznej aktywacji układu hamulcowego lub zwiększy do wcześniej określonego zakresu prędkości ingerując w układ sterowania silnika.



System ACC

System ACC jest tak skonstruowany, aby nie tylko pokonywać proste odcinki drogi lecz również zakręty. Tempomat jest w stanie przewidzieć tor jazdy swojego pojazdu, dzięki czemu układ ten prawidłowo działa również na zakrętach. Korzysta z układu ESP (elektronicznego układu stabilizacji toru jazdy), który dostarcza mu sygnały z czujników zbierających dane o przebiegu jazdy. Dla pełnego komfortu jazdy adaptacyjna regulacja prędkości najlepiej współdziała z automatyczną skrzynką biegów. Kierowca decyduje o zakresie prędkości z jaką ma się poruszać pojazd wyposażony w ACC oraz o odległości jaką musi zachować od pojazdu poprzedzającego. W nowoczesnych samochodach służą do tego różnorako skonstruowane włączniki, wskaźniki umiejscowione jak najbliżej kierownicy. Parametry zadane wyświetlane są na zintegrowanym ekranie (wyświetlaczu).

Budowa systemu ACC

Budowa układu ACC

Podstawowym elementem adaptacyjnej regulacji prędkości jest RADAR (Radio Detecing and Ranging) spełniający funkcję czujnika odstępu. Pracuje na falach milimetrowych. Wszystkie obiekty przewodzące prąd elektryczny, do których zaliczają się wszyscy uczestnicy ruchu drogowego wytwarzają echo radaru. Fale elektromagnetyczne wysłane przez radar odbijają się od obiektu i są odbierane przez odbiornik w postaci echa. Proces ten może odbywać się nawet przy złych warunkach atmosferycznych (mgła, deszcz, śnieg). Prawidłowa nazwa tego urządzenia to radarowy zespół układu ACC, gdyż w skład niego wchodzą nie tylko czujniki ale również układy logiczne regulacji.

1 - płytka drukowana 1
2 - korpus generatora
3 - źródła promieniowania (promiennik  prętowy)
4 - soczewka
5 - zestyk ogrzewania soczewki
6 - płytka drukowana 3
7 - płytka drukowana 2
8 - radarowy moduł nadawczo - odbiorczy (RTC).

 

Tab. 1. Parametry radaru Boscha (źródło: Adaptacyjna regulacja prędkości jazdy ACC. Informator techniczny Bosch)

Parametr
Wartość

Zasięg

2... 120 m

Mierzalna prędkość względna

-50... +50 m/s

Szerokość kątowa

+/- 4 stopnie

Rozdzielczość

0,85 m, 1,7 m/s

Jednostka pomiaru

10 Hz

Zakres częstotliwości

76... 77 GHz

Średnia moc nadajnika

ok. 1mW

Szerokość pasma

Ok. 200 MHz

 

 Budowa i funkcje mikrokomputera

Główne elementy elektroniczne wchodzące w skład zespołu radarowego układu ACC to trzy płytki drukowane i radarowy moduł nadawczo-odbiorczy.
Podstawowe zadania spełniane przez cyfrowe elementy elektroniczne:

  • cyfrowa obróbka sygnału,
  • regulacja i nadzorowanie napięcia,
  • przetwarzanie sygnału na postać cyfrową za pomocą szybkiej transformacji Fouriera FFT (Fast Fourier Transformation)
  • obliczanie odległości pomiędzy pojazdem wyposażonym w układ ACC a pojazdem poprzedzającym,
  • obliczanie prędkości względnej pomiędzy pojazdami,
  • przewidywanie zmiany toru jazdy (np. zakręt),
  • sterowanie elektronicznym: układem ESP, układem regulacji silnika, automatyczną skrzynką biegów oraz zestawem wskaźników podającym informacje kierowcy,
  • możliwość sprawdzania poprawności działania zespołu radarowego układu ACC poprzez złącze wielostykowe,
  • sterowanie ogrzewaniem soczewki, przydatne szczególnie zimą - zapobiega osadzaniu się na jej powierzchni warstwy lodu, śniegu.

Wszystkie potrzebne do prawidłowego działania parametry zewnętrzne układu ACC są zbierane za pomocą czujników. W ten sposób uzyskiwane sygnały wejściowe mogą być:

  • analogowe -  o zakresie napięcia od kilku miliwoltów do 5 V, (np. przebieg napięcia z czujnika ciśnienia, sonda lambda, potencjometr),
  • cyfrowe - obejmują nastawy przełączania, zakres napięcia od 0 V do napięcia akumulatora  (np. wartość "luki czasowej” nastawianej przez kierowcę, impulsy prędkości obrotowej czujnika hallotronowego),
  • impulsowe - sygnały indukcyjnych czujników prędkości obrotowej o zakresie napięcia od 0,5 V-100 V (tzn. zawartość informacyjna w przebiegach czasowych, np. sygnał znacznika kąta).

Przetwarzanie danych w sterowniku

1 - cyfrowe sygnały wejściowe, 2 - analogowe sygnały wejściowe, 3 - element zabezpieczający, 4 - wzmacniacz, filtr, 5 - przetwornik analogowo-cyfrowy, 6 - cyfrowe przetwarzanie sygnałów, 7 - przetwornik cyfrowo-analogowy, 8 - przełącznik mocy, 9 - wzmacniacze mocy

Rys. 3. Przetwarzanie danych w sterowniku (źródło: Adaptacyjna regulacja prędkości ACC. Informatory Bosch)


Następnie sygnały te przechodzą szereg procesów (filtrowanie, wzmacnianie, kształtowanie impulsów) oraz przetwarzaniu analogowo-cyfrowemu przy użyciu metod cyfrowej obróbki sygnałów. Moduły sprzętowe przetwarzają sygnały w systemie czasu rzeczywistego na funkcje. Tak przetworzone dane trafiają do rejestru CPU, skąd procesor może je w każdej chwili pobrać do dalszej obróbki. Proces sterowania i regulacji jest realizowany softwarowo, dzięki zainicjowanych w nich algorytmach obliczających, regulujących. Sterowanie to odbywa się również przy pomocy protokołu. Zawarte w nim reguły określają m.in. sposoby dostępu do szyny danych, strukturę wiadomości, kodowanie bitowe i kodowanie danych, rozpoznanie błędów i opis usterek, a także lokalizacja błędnie działających modułów połączonych magistralą CAN. Wymiana informacji pomiędzy sterownikami odbywa się za pomocą pojedynczych połączeniach szeregowych.

Tabela 2. Prędkości transmisji i okres indukcji na poszczególnych magistralach (źródło: Na podstawie danych zawartych w książce: Adaptacyjna regulacja prędkości ACC. Informator techniczny Bosch)

Magistrala

Prędkość transmisji

Okres indukcji [ms]

multipleksowa

10 kbit/s  - 125 kbit/s

5 - 100

danych trakcyjnych

125 kbit/s - 1 Mbit/s

0,5 - 10

telekomunikacyjna

10 kbit/s - 125 kbit/s

5 - 100

 

Radarowy zespół układu ACC

1 - dielektryczny rezonansowy generator wzorcowy DRO, 2 - promiennik prętowy,
3 - SRAM, 4 - flash, 5 - mikrokontroler 16-bitowy, 6 - przyłącze 5 V (cyfrowe),
7 - zestyk 3 A, 8 - wtyk MQS z modułu nadawczo-odbiorczego CAN, 9 - generator Gunna,
10 - ASIC CC610, 11 - regulator włączenia 4,1 V, 12 - DSP 5602, 13 - regulator 8 V,
14 - przyłącze 5 V (analogowe), 15 - interfejs dla szyny K

Rys. 4.  Radarowy zespół układu ACC (elementy elektroniczne) (źródło: Adaptacyjna regulacja prędkości ACC. Informator techniczny Bosch)

 

Płytka drukowana 1 - moduł obróbki sygnału SPU (Signal Processing Unit),
element ten zajmuje się cyfrowym przetwarzaniem sygnałów. Oblicza prędkość i położenie na podstawie wstępnych danych z modułu radarowego. Najważniejszy element tej płytki to cyfrowy procesor sygnałowy DSP 5602. Przystosowany szczególnie do szybkiego wykonywania dużej liczby operacji obliczeniowych takich jak mnożenie, dzielenie. Dzięki temu elementowi w module SPU obliczane są takie parametry jak: odbicia fal, odległość pomiędzy pojazdami, względna prędkość, kąt i tracking. Na płytce drukowanej 1 znajduje się także układ scalony ASIC CC610 - opracowany przez firmę Bosch specjalnie na potrzeby układu adaptacyjnej regulacji prędkości. Pełni funkcję digitalizacji sygnałów. Kolejnym elementem jest przetwornik cyfrowo-analogowy DAC (Digital-Analog Converter). Służy do regulacji częstotliwości w pętli sprzężenia zwrotnego FLL (Frequency Locked Loop) jak również do modulacji liniowej częstotliwości nadawczej. Wytwarza schodkowy sygnał napięcia. Trzy zmieszane sygnały wzmacniane są na odcinku wznoszącym charakterystyki napięcia za pomocą wzmacniacza wstępnego. Wzmocnione i zmieszane sygnały ulegają digitalizacji przy rozdzielczości 12 bitów. Następnie są filtrowane i przetwarzane przy użyciu algorytmu szybkiej transformaty Fouriera FFT. Dzięki temu algorytmowi następuje szybkie przekształcenie sygnałów czasowych w sygnały częstotliwości. Proces modulacji w czasie sterowany jest przez procesor DSP. Układ scalony CC610 wykonuje obliczenia, które procesor pobiera za pomocą portu szeregowego. Wyniki obliczeń są zapisywane przejściowo w pamięci SRAM. Kolejne sekwencje operacji matematycznych są realizowane przez program zapisany w odrębnej pamięci SPU-Flash-EEPROM. Obliczone wartości: odległość, prędkość, kąt są przekazywane dalej do RPU (płytka drukowana 2).
Płytka drukowana 2 - jest to moduł regulacji RPU (Regulation Processing Unit). Najważniejszą częścią tego elementu jest 16-bitowy mikrokontroler, który wykonuje obliczenia regulujące napięcie oraz inne elementy kontrolne i obwody. Mikrokontroler zawiera w sobie mikroprocesor, RAM, Bus-controller, ADC (przetwornik analogowo-cyfrowy), licznik, cyfrowe interfejsy do EEPROM, do SPU, do obwodu diagnostycznego i do zegara (generator taktujący).
Płytka drukowana 3 -  składa się z wtyku MQS z modułu nadawczo-odbiorczego magistrali CAN (moduł dwukierunkowy), dławików i kondensatorów przeciwzakłóceniowych.  Moduł nadawczo-odbiorczy pozwala na diagnozowanie usterek. W wbudowanej pamięci EEPROM na płytce drukowanej 2 zapisywane są kody usterek, co pozwala na szybkie zdiagnozowanie niesprawnego układu ACC.
Moduł obróbki sygnału SPU, moduł regulacji RPU oraz moduł nadawczo-odbiorczy tworzą jeden mikrokomputer. Działa on tak samo jak "zwykły" komputer domowy PC. To maszyna magazynująco-rejestrująca.


Tab. 3. Główne parametry techniczne CPU (Central Processing Unit)

Parametr
Wartość

Długość słów

4 - 32 bitów

Częstotliwość taktowania

1 - 40 MHz

Liczba taktów na instrukcję

1 - 32 taktów (np. operacja dodawania - 6 taktów, a mnożenia 32 takty)

 

Mikrokomputer

Rys. 5. Mikrokomputer

Oprócz mocy obliczeniowej technicy postawili mu dodatkowe wymagania:

  • praca w czasie rzeczywistym,
  • jak najmniejsza waga oraz rozmiary jak najmniej zajmujące przestrzeń, które osiągnięto dzięki zastosowaniu:
  • wielowarstwowości - ścieżki przewodzące usytuowane jedna nad drugą o grubości zaledwie 0,035 i 0,07 mm;
  • wykorzystanie elementów SMD (Surface Mounted Devices) - ich zalety to: małe rozmiary, gładka powierzchnia, nie mają otworów lub pól kontaktowych, można je przyklejać bądź montować na płytkę drukowaną;
  • dedykowane układy scalone (ASIC).
  • odporność na wpływy otoczenia:
  • odporność na temperatury w zakresie od -40o C do +125o C, wilgoć;
  • odporność na zakłócenia elektromagnetyczne i brak wpływu na złe działanie innych urządzeń elektronicznych;
  • odporność na wstrząsy - wytrzymałość na przeciążenia rzędu 30-krotnej wartości przeciążenia ziemskiego;
  • wodoszczelność, odporność na różnego typu substancje chemiczne - takie jak sól, oleje.

Przyszłość układu ACC

W przyszłości układ ACC będzie powszechnie stosowany w samochodach klasy średniej i kompaktowej.
Cele konstruktorów i producentów ACC jakie będą im stawiane:

  • ograniczenie kosztów wyprodukowania kolejnych elementów układu ACC, produkcja wielkoseryjna,
  • stopniowa minimalizacja elementów układu ACC,
  • zwiększanie kąta detekcji radaru, lepsza poprawa jakości sygnałów,
  • lepsza ocena toru jazdy przy wykorzystaniu nawigacji satelitarnej oraz odpowiednio przetwarzanego obrazu z wideokamer.