Pencualexandruleonard8412 [306817]

UNIVERSITATEA „POLITEHNICA” DIN BUCUREȘTI

FACULTATEA TRANSPORTURI

Departamentul Telecomenzi și Electronică în Transporturi

PROIECT DE DIPLOMĂ

București

2018UNIVERSITATEA „POLITEHNICA” DIN BUCUREȘTI

FACULTATEA TRANSPORTURI

Departamentul Telecomenzi și Electronică în Transporturi

Sisteme de siguranță cu aplicabilitate în domeniul autovehiculelor rutiere

București

2018

Cuprins

Capitolul 1. Oportunitate si justificarea temei 1

1.1 Introducere 1

1.2 Statistici accidente în România 5

1.3 Prezentare a situației accidentelor din România cauzate în principal de viteza excesivă 9

1.4 Obiectivul lucrării 11

Capitolul 2. Senzori, Traductoare și Achiziții de date 12

2.1 Senzori 12

2.2 Traductoare 16

2.3 Sisteme de tipul achiziții de date 23

Capitolul 3. Sisteme electronice din cadrul automobilului 28

3.1 Sistemul de antiblocare a roții la frânare sau ABS 28

3.2 Sistemul de stabilitate electronic sau ESP sau ESC 29

3.3 Sistemul de Airbag ( Pernă de aer) 31

3.4 Pilotul automat adaptiv (adaptive cruise control) 34

3.5 Sistemul de asistență la parcare 35

3.6 Sistemul de monitorizare al unghiului mort 38

3.7 Sistemul de iluminare adaptivă 39

Capitolul 4. Studiu de caz 41

4.1 Prezentarea soluției tehnice 41

4.2 Schema Electrică a sistemului 44

4.3 Schema logică a sistemului 45

4.4 Codul sursă al sistemului 46

4.5 Echipamente folosite din cadrul acestui sistem. 48

4.6 Situații ipotetice în care un sistem de avertizare se dovedește a fi folositor. 53

4.7 Concluzia 55

Dicționar explicativ de termeni și abrevieri 56

Bibliografie 57

Oportunitate si justificarea temei

Introducere

Un sistem rutier reprezintă o rețea de transport cu scopul de a servi utilizatorului o [anonimizat], eficientă și utilă cu rolul de a [anonimizat], [anonimizat], autobuzul, troleul, tramvaiul, [anonimizat], precum biciclete si scutere electrice.

Acest tip de sistem este reprezentat print-o [anonimizat], [anonimizat], dar un sistem rutier eficient nu are rolul doar de a [anonimizat]. Un sistem eficient joacă un rol foarte important în sporirea economiei.

[anonimizat], [anonimizat], centuri ocolitoare ale centrelor orașelor. Drumul în sinea lui reprezintă una dintre cele mai vechi metafore pentru o [anonimizat] s-a născut în secolul al 17-lea odată cu creșterea călătoriei în scop comercial.

Un bun principiu de a crea o rețea modernă de drumuri se împarte în mai multe feluri:

– [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat], case, magazine, zone care să faciliteze întreprinderea de noi locuri de muncă și mici afaceri.

– Maximizarea diversității a mijloacelor de transport. Un oraș interconectat inteligent are obligația de a facilita un transport, ușor, ieftin și sigur călătorilor. Oamenii au nevoie un tranzit pentru orice fel de vehicul, bicicletă, transport în comun, automobil personal și mersul pe jos. Acest tip de tranzit trebuie să fie bine integrat și adecvat indiferent de locul în care un individ se poate afla la un moment dat, el trebuie asigura un transport către punctul acestuia de interes și înapoi de unde a plecat.

– Integrarea unei rețele de sistem rutier combinat cu un sistem natural. Abordarea unui sistem sustenabil respectă și protejează mediul înconjurător și totodată ce are indirect un rezultat benefic precum încorporarea surplusului de apă după o furtună abundentă, o bună armoniei între animalele sălbatice si locuitorii din acea zonă.

– Respectarea mediului deja existent. Mărimea și orientarea drumurilor într-o rețea trebuie a se contopi cu factorii deja existenți, numărându-se și modelele arhitecturale, topografia, climatul zonei dar și istoria acesteia

– Scoaterea în evidență a mersului pe jos scoate în evidență unitatea fundamentală a rețelei de drum, un bun sistem rutier trebuie întotdeauna să poată facilita și pietoni.

– Crearea unei armonii dintre diferite mijloace de transport. Un mediu urban complet sustenabil are nevoie de o tranziție ușoară dintre diferite metode de transport, incluzând rețeaua de autostrăzi, cale ferată, rețeaua de transport aerian și rețeaua urbană de trafic rutier. Punctele de tranziție dintre metodele de transport trebuie să fie ușor accesibile și atractive pentru a atrage utilizatori.

Clasificare drumurilor principale se poate face după folosința acestora:

– Drumurile de interes vital precum autostrăzi ce dispun de o capacitate foarte mare de transport folosită între orașe în mare parte dar și inter-urbane în anumite cazuri, ele fiind rezervate doar transportului vehiculelor. În această categorie se pot adăuga și drumurile naționale, ele fiind una dintre cele mai populare metode de transport din Romania.

– Drumurile de interes local, se pot împărții în drumuri județene, drumuri comunale și străzi

– Un alt tip de drum principal poate fi acela de drum de exploatare, cel mai des fiind folosit în industria agriculturii, forestieră sau a altor tipuri de agenți economici, acest tip poate fi împărțit la rândul lui în alte sub-categorii.

O bună caracteristică definitorie a unui sistem rutier este aceea de a maximiza

conectivitatea transportului dintre noduri. O rețea de drumuri bine conectată sporește mobilitatea prin moduri prin care oamenii au accesul la o călătorie cât mai directă, în acest fel destinațiile sunt mult mai accesibile prin mers pe jos sau condus. Această caracteristică bine conectată a dovedit o reducere în numărul de kilometri parcurși de vehicule și ușurarea congestiilor de trafic, permițând împrăștierea traficului pe mai multe arii de transport atunci când cererea devine excesivă pe o anumită rută. Această caracteristică a dovedit și o reducere de timp de răspuns de urgență.

O altă caracteristică este conglomerarea punctelor de interes cu diverse noduri principale de rețea. De exemplu locul în care pietonii, bicicletele, vehiculele de transport în comun și automobilele se suprapun. Un oraș inteligent cu o rețea de trafic inteligentă creează un mediu de suprapunere eficient și liber de congestii și accidente.

O operație de sistem rutier aduce metode de dispunere a infrastructurii de străzi a autorităților dar și infrastructurii de autostrăzi care prin ajutorul operatorilor de drum contribuie la un transport mai eficient și sigur. Pentru ca acest lucru să fie posibil, trebuie folosită o tehnică de tipul detecție de incidente de trafic, managementul incidentelor, controlul de trafic urban și inter-urban, informații pentru călători, prioritate pentru transportul în comun și metode de plată electronice pentru călători și tehnici de solicitare electronică de transport.

Un sistem de transport inteligent prevede o gamă largă de servicii ce folosesc informații și tehnologii de comunicații ce îmbunătățesc mobilitatea. Gama de unelte și servicii de transport pentru sistemul inteligent sunt explicate în felul în care vor fi desfășurate. Acest sistem a devenit o disciplină de bază în operația rețelei de drum, cu variere de la țară la țară și la gradul de aplicabilitate locală.

O remarcă negativă la un transport inter-conectat între oameni și mijloace, îl constituie posibilitatea de infectarea cu viruși patogeni prin călători bolnavi. O creștere în sistemul de transport reprezintă un factor cheie în extinderea rezistenței antibioticelor. Acest lucru fiind cel mai des întâlnit în țările sub-dezvoltate cu o economie destabilizată.

Revenind la conceptul de sistem de trafic inteligent sau ITS, ca și o caracteristică comună atunci când managementul rețelei de trafic este aplicat este aceea de folosire a timpului, a surselor de date pentru a produce informații despre statusul deja existent sau statul din viitor al sistemului de transport. Importanța ITS-ului joacă un rol în felul în care rețeaua de drumuri este folosită cu scopul de sporii eficiența în transport și pentru a reduce impactul asupra mediului. Ca și aplicații ale ITS-ului în operațiile sistemului de drumuri se numără și:

– Managementul traficului

– Operațiile comerciale de transport

– Operațiile de management al transportului public

– Informațiile călătorilor

Aplicațiile de management ale traficului și a rețelei de drumuri țintesc o îmbunătățire a eficienței transportului cu diverse obiective precum plățile electronice pentru călătorii cu scopul de a renunța la nevoia de întreruperii vehiculului pentru plată călătorilor sau a taxelor de drum precum taxă de pod, taxă de autostradă, taxă de vignetă.

Subsistemul de plată electronică a taxelor rutiere prevede și o flexibilitate necesară pentru reducerea valorii prețurilor taxelor și a taxelor de congestii care sunt aplicate de obicei în centrele orașelor.

Prin principalele aplicații ale sistemului de trafic inteligent se mai pot număra și:

– Controlul traficului

– Managementul incidentelor

– Managementul cererii de călătorii

– Managementul parcărilor și a controlului de acces

– Testarea și reducerea emisiilor

– Intersectarea autostrăzilor

– Operațiile în caz de urgență

Controlul traficului prevede feluri prin care managementul traficului și mișcarea acestuia pe drumuri este optimizată prin folosirea capacității deja existente a drumurilor. Acestea includ:

– Controlul urban al traficului ce se află într-o stare de cerere-răspuns și încorporarea politicii de transport precum transportul public este prioritizat în managementul traficului

– Controlul autostrăzilor ce folosesc sistemul de benzi de accelerare și decelerare în vederea creării unui debit de trafic mai fluent

– Sistemele de control al traficului adaptive printre magistralele importante ale drumurilor cu scopul de a îmbunătății timpii semnalelor la condițiile de trafic prezente

Controlul traficului reprezintă una dintre cele mai de bază metode de construire a unor blocuri imaginare în sistemul de transport. Cu toate acestea, el are nevoie de metode de detecție, control, comunicare și suport. Acestea sunt fundamentalele pentru operarea a mai multor servicii ITS simultan. Subsistemul de control al traficului este acum prezent în majoritatea țărilor dezvoltate.

Managementul incidentelor reprezintă un rol principal în infrastructura ITS, obiectivele cheie fiind, autostrăzile și drumurile de viteză. Acest management este posibil prin colectarea de informații de drum prin ajutorul senzorilor ( bucle inductive, radare și camere cu softuri de recunoaștere automată a vehiculelor) cu o viteză foarte mare de comunicare ce face posibilă detectarea incidentelor. Sistemul suportă decizii sofisticate de răspuns la orice incident apărut. Folosind ITS-ul în acest fel putem îmbunătății siguranța și eficienta traficului, salvând vieți si bani.

Managementul cererii de călătorii folosește strategii de creștere a frecvenței de ocupării multiple a vehiculelor sau MOV și promovare de sisteme precum benzi de sens cu grad mare de ocupare sau HOV. ITS-ul poate sporii eficiența HOV-ului și adapta la condițiile schimbătoare de trafic. Această ajustare a gradului de ocupare a vehiculelor este necesară în diferite părți ale zilei .

Managementul parcărilor joacă și el un rol foarte important în acest sistem, un vehicul are nevoie să parcheze odată ajuns la destinație. Un bun management oferă o multitudine de parcări fără taxă sau cu taxă (în zone aglomerate) și poate spori confortul călătorilor cu privire la numărul de locuri libere într-un anumit lot

Testarea emisiilor și mitigarea acestora poate îmbunătății calitatea mediului înconjurător și poate duce la un transport cât mai sustenabil. Unele aplicații ale ITS-ului colectează date despre emisiile vehiculelor din acea zonă și calitatea aerului respirat.

Aceasta informație colectată poate fi inteligent utilizată pentru crearea unor rute alternative ce nu prezintă un impact major asupra mediului înconjurător și deciderea de obstrucționare a vehiculelor intens poluante în anumite zone "sensibile" alea orașului.

Intersectarea autostrăzilor au ca scop în sistemul ITS furnizarea de informații de avertizare și siguranța călătorilor la condițiile de drum ce urmează a fi parcurse. Aceste avertizări se fac prin ajutorul panourilor de informare cu mesaj variabil ce pot fi ușor citite la vitezele de croazieră ala drumurilor de viteză

Operațiile în caz de urgență în sistemul inteligent reprezintă un rol vital în situațiile de urgență. Aceste operații se împart în managementul de urgență al vehiculelor și notificările în caz de urgență și aplicațiile personale de securitate.

Notificările de urgență includ sisteme ce pot permite unui șofer a iniția un apel de urgență în cazul unui eveniment neplăcut precum probleme mecanice de urgență ce restricționează vehiculul de a înainta, dar și sisteme ce autorizează vehiculul de a îi trimite automat mesaje de urgență unui centru de management la al serviciilor în cazul unei coliziuni. Majoritatea autovehiculelor ce ies din producție sunt dotate cu sisteme de tipul eCall care poate fi acționat manual sau automat în cazul unei coliziuni. Sistemul eCall comunică automat locația exactă a vehiculului, timpul incidentului și direcția de mers către autorități făcând un apel la numărul unic de urgență european 112. Comisia europeană estimează că odată cu implementarea totală a sistemului sistemul poate salva până la câteva sute de vieți anual.

Statistici accidente în România

În România, studiile și statisticile efectuate arată faptul că în medie, trei din cinci accidente s-au produs din culpa exclusivă a victimei, respectiv din cauza culpei pietonilor.

Statisticile confirmă că dintre persoanele decedate în accidente de trafic rutier, 65% au fost pietoni, 20% conducători auto, restul de 26% fiind persoane aflate în vehiculele accidentate.

Tabelul 1.1 Statisticile realizate în perioada 2007-2017 asupra numărului de accidente grave și a persoanelor implicate în accidente ( Sursa datelor www.politiaromana.ro )

Tabelul de mai sus prezintă informații legate de numărul accidentelor grave ce au avut loc în Romania în perioada 2007-2017 și, totodată impactul pe care aceste accidente l-au avut asupra populației din România, evidențiind numărul de persoane decedate și numărul de persoane rănite grav.

În ceea ce privește evoluția numărului de accidente grave în perioada analizată, putem observa în figura 1 că numărul accidentelor a atins valoarea maximă din seria de date în anul 2008, urmând ca în perioada 2009-2014 trendul să scadă într-un mod ușor treptat. După anul 2014, graficul evidențiază o creștere semnificativă a numărului de accidente, dar mai mică decât cea înregistrată în anul 2008 pentru aceeași variabilă, urmând ca între anii 2015-2017 trendul să se stabilizeze printr-o ușoară descreștere.

Numărul de accidente se află în corelație cu alte două variabile de interes: numărul de persoane decedate și respectiv numărul de persoane rănite grav. Astfel, se poate observa, la prima vedere, cum valorile înregistrate ale variabilei ‘număr persoane decedate‘ este aproximativ de trei ori mai mic decât numărul persoanelor rănite grav în accidentele rutiere din perioada analizată. În cazul variabilei ‘număr persoane decedate‘, trendul se menține pe întreaga perioada constant, pe când în ceea ce privește ‘număr persoane rănite grav‘ trendul prezintă oscilații, stabilizându-se spre finalul perioadei analizate.

Figura 1. Grafic ce prezintă evoluția în perioada 2007-2017 a numărului de accidente grave și numărul persoanelor implicate în accidente.

O mare consecință a unui număr mare de accidente mortale este scăderea încrederii a șoferilor și a pietonilor de a circula pe drumuri și o estimare făcută de uniunea europeană în anul 2011 este acea că numărul total al decedaților provoacă o pierdere de 2% din PIB-ul Uniunii Europene.

Tabel 1.2 Reprezintă date ale situației traficului rutier măsurate de poliția Română

În tabelul 1.2 putem observa o mică îmbunătățire în numărul de accidente în cadrul anilor 2001-2017. Deși România și-a stabilit ca după aderare la Uniunea Europeană și până în anul 2020 se vor observa o scădere cu aproximativ 50% a persoanelor vătămate în accidentele rutiere ,statisticile nu arată o îmbunătățire constantă pe de a lungul perioadei 2007-2020

Conform celor mai recente date cu privire la numărul de accidente din Uniunea Europeană, România se află printre primele locuri la acest capitol, datele fiind stabilite de Institutul național de Statistică. În tabelul de mai jos se pot revede date despre starea accidentelor pe județe în anul 2016. Am ales analizarea anului 2016 datorită creșterii impresionante de accidente, fiind cu 9.6% mai mare pentru accidente unde au fost implicate mai multe vehicule si cu 7% mai mare pentru accidente unde a fost implicat doar un singur vehicul. O principală cauză a acestor accidente de poate vedea prin numărul impresionant de persoane în stare de ebrietate aflate la volan în valoare de 1688. Dar printre numărul total de persoane aflate în stare de ebrietate se numără și pietonii, 2133 de oameni.

Figura 2. Figura 1.2 Se pot vedea județele în care trebuie implementate măsuri de siguranță mai aspre. Pe locul I aflându-se Municipiul București cu un număr de persoane rănite de peste 4000 și un număr de accidente de 3500.

O altă cauză principală a accidentelor rutiere o constituie condusul peste limita de viteză impusă pe acel sector de drum. Un procent de aproximativ de 17.3%. O altă cauză fiind numărul pietonilor ce traversează prin locuri nepermise 14.8%. Totuși odată cu o creștere semnificativă a vitezei, abilitățile de concentrare, atenție, răspuns la impulsuri exterioare sunt mai lente ce au ca efect iminent un impact. Capabilitățile de frânare odată cu creșterea vitezei sunt puternic afectate, de exemplu la un vehicul care circulă cu o viteză de aproximativ 50km/h are intenția de a se opri brusc, iar frâna este apăsată cu o secundă mai târziu, atunci acea secundă va deveni 15m, la o viteză de 100km/h acea secundă devine 60 de metri în plus, iar la 120km/h v-or deveni 72 de metri. Pe lângă aceste calcule trebuie să luăm în considerare condițiile de mediu, pe un asfalt încins, vehiculul se va comporta așa cum a fost intenționat de producător, cu o distanță optimă de frânare, dar în condiții de ploaie, ninsoare, drumuri acoperite cu noroi și gheață, distanța de oprire se poate dubla sau chiar tripla. În concluzie viteza peste limita impusă de autoritățile din zonă este un act interzis și foarte periculos pentru toți participanții la trafic.

Un alt studiu mai recent din 2017 cu privire la numărul deceselor vine tot de la Institutul național de Statistică în care sunt comparate numărul de persoane decedate per un milion de locuitori cu media Uniunii Europene, România aflându-se la un număr de aproximativ 96 de persoane decedate la un milion de locuitori, comparat cu media Uniunii Europene de aproximativ 50 decedați la un milion de locuitori, o valoare aproape dublă. În medie în România se produc circa 1900 de decese din cauza accidentelor rutiere, un procent semnificativ din acest număr îl constituie accidentele cauzate din pricina vitezei excesive. Numărul persoanelor rănite grav în medie se ridică la peste 8000 pe an. După aderarea României la Uniunea Europeană, România și-a asumat un obiectiv de scădere cu până la 50% a numărului victimelor din accidente rutiere până în anul 2020, obiectivul a fost ulterior schimbat la o modificare a valorilor dintre anii 2010-2020.

Potrivit unei statistici ale poliției rutiere din anul 2013, vârsta majoritară a șoferilor ce produc accidente este sub 30 ani, unde se poate observa o pondere de peste 37% la șoferi cu vârste cuprinse între 18-30 ani, urmând o valoare de 22% pentru șoferi cu vârste între 31 și 39 ani, iar la conducătorii cu vârste între 40-49 ani procentul este de doar 18%. O altă statistică realizată de poliția română arată că în medie din 10 000 de posesori de permise, 14 sunt tineri ce au produs accidente cu vârste între 18 și 30 ani. O bună cauză a întâmplărilor în care au fost implicați tineri este lipsa experienței în trafic și viteza peste limita permisă.

Prezentare a situației accidentelor din România cauzate în principal de viteza excesivă

Voi prezenta în continuare diverse situații apărute în România și impactul acestora cauzat exclusiv de viteză.

Un prim caz și unul cu cel mai mare impact din România, îl constituie un accident grav petrecut în anul 1980, în județul Botoșani, unde 83 de persoane au fost implicate, dintre care 48 au decedat.

Un autobuz care circula cu o viteză neadecvată pentru condițiile de drum nefavorabile, a pierdut controlul, acesta răsturnându-se într-o mlaștină cu adâncimea de 5 metri. Dintre cele 83 de persoane aflate în vehicul, 35 au putut fi salvați cu răni grave.

Vehiculul implicat se îndrepta spre orașul Suceava, iar pe o porțiune de drum aflată între localitatea Huțani și râul Siret, vehiculul a făcut o explozie la roți, urmând răsturnarea acestuia și plonjare în mlaștină.

Revenind la un caz mai recent, anul 2016 a fost unul negativ din punctul de vedere al statisticilor situației accidentelor din România. În noiembrie 2016, a avut loc unul dintre cele mai devastatoare accidente pe o autostrada din România.

Este vorba despre o ciocnire a aproximativ 30 de vehicule în care au fost implicați 60 de oameni răniți și 4 decedați. Accidentul a avut loc în momentul apariției unei perdea de ceață dese care a avut un efect instant de orbire.

Odată cu frânarea preventivă a unui șofer la momentul intrării în ceață, celelalte 30 de vehicule aflate în spatele acestuia, nu au acționat frânarea la timp, și nu au respectat o distanță de siguranță față de cel din față.

Deși panourile de tip VMS cu mesaje variabile funcționau și afișau mesaje cu limită de viteză provizorie impusă de 60 km/h cauzate de ceața abundentă, șoferii au eșuat în respectarea limitei de viteză impuse, lucru ce a dus la cel mai grav accident rutier din anul 2016.

Figura 3.Cauza unei forme de ceață abundentă a dus la o ciocnire de peste 30 de vehicule

În continuare voi vorbi de un accident foarte grav petrecut în august 2015 în raza localității Ardud din județul Satu Mare. Accidentul s-a petrecut după ce un vehicul încărcat cu 5 pasageri nu a respectat condițiile de trafic din zonă, depășind limita de viteză, conducătorul autovehiculului a pierdut controlul, împingând vehiculul către un parapet de beton urmând o daună foarte puternica și o rostogolire a acestuia. Impactul a avut ca rezultat 5 oameni decedați în ciuda eforturilor a departamentului de pompieri în caz de incendiu și a paramedicilor din ambulanța S.M.U.R.D de resuscitare a victimelor.

Figura 4.Urmele autovehiculului implicat în accidentul cu pierderi de vieți

Un ultim accident semnificativ petrecut tot în anul 2017 a avut loc în zona Pârâul Rece-Râșnov în care 6 persoane au fost implicate, dintre care 3 rănite grav și 3 decedate. Autoturismul în care se aflau șoferul și alți 5 pasageri au intrat într-un viraj cu o viteză necorespunzătoare aducând la o pierdere de control a autovehiculului și o răsturnare a acestuia în afara carosabilului. Cazul nefericit a fost încă o dovadă importantă a principalei cauze a incidentelor rutiere, aceasta fiind în principal viteza.

Obiectivul lucrării

Obiectivul acestei lucrări este de a asigura un transport mai rapid, mai sigur și mai eficient. În capitolele ce urmează voi vorbi despre sistemele actuale folosite în industria rutieră și impactul acestora asupra siguranței traficului. Nevoia de implementare a unui sistem de siguranță ce monitorizează constant viteza și obiectele din față nu a fost luată în considerare și pe autovehiculele de buget, ci doar pe cele cu un preț peste media puterii de cumpărare a utilizatorilor. Dar, cu acest sistem foarte util și cu cost de fabricație scăzut poate fi implementat standard în construcția oricărui autovehicul, pentru a ajuta la scăderea procentajului accidentelor rutiere cauzate strict de viteză. Accidentele cauzate de viteză fiind în continuare pe primul loc al cauzelor.

Senzori, Traductoare și Achiziții de date

Senzori

Generalități

Știința și ingineria senzorilor este relevantă pentru majoritatea aspectelor din viață, cum ar fi siguranța, securitatea, supravegherea, monitorizarea și conștientizare. Senzorii sunt esențiali în realizarea aplicațiilor industriale, utilizate pentru controlul și monitorizarea procesului, fiind totodată folosiți și în medicinei pentru furnizarea unui diagnostic corect, cât și monitorizarea stării generale a pacienților.

Pentru a înțelege cum funcționează un senzor, este important să cunoaștem elementele particulare pe care acesta le integrează. Astfel, un senzor este un dispozitiv care produce o schimbare semnificativă a “outputului” atunci când “inputul” este supus unui stimul din mediul înconjurător. Acest stimul poate fi un stimul fizic, exemplu fiind temperatura sau presiunea. Senzorii pot fi utilizați în toate cele trei faze ale materiei, deși senzorii de gaz și lichid sunt cei mai obișnuiți.

O altă definiție a unui senzor este ca acesta poate fi considerat un dispozitiv ce convertește un semnal dintr-un domeniu energetic într-un domeniu electric.

O caracteristica nou apărută in domeniul senzoristicii este construcția folosind tehnica micro-fabricației ce aduce producătorului numeroase avantaje, precum un un consum scăzut de energie, un produs finit de o mărime si o greutate scăzută. Această tehnică este folosită pentru producerea unei game diversificată de micro-senzori de bază.

2.1.1Criterii de clasificare ale senzorilor

În general, senzorii pot fi clasificați în trei mari categorii:

Senzori fizici – au proprietatea de a măsura forța, presiunea, poziția, tensiunea.

Senzori chimici – au proprietatea de a măsura concentrația sau de a identifica o substanța chimică precum monoxid de carbon, etanol, benzină sau alte substanțe moleculare.

Senzori biologici – au proprietatea de a identifica substanțe celulare precum bacterii, spori sau virusuri.

După modul de funcționare senzorii se pot împărți in 2 categorii:

Senzori pasivi

Senzori activi

Senzorii pasivi nu au nevoie de o sursă adițională de energie, ei generează un semnal electric direct din impulsul exterior astfel încât stimulul de energie devine “imputul” sau semnalul ce intră si este convertit in senzor. Un exemplu poate fi fotodioda sau senzorii piezoelectrici.

Senzorii activi necesită energie din exterior sau un “semnal de excitație” pentru a putea fi operați. De obicei se mai numesc si senzori parametrici datorita schimbării proprietății acestora ca răspuns la un impuls extern. Un exemplu poate fi termistorul ce are ca proprietate detectarea variației de current in resistor.

O altă clasificare poate fi făcută in funcție de energie tradusă în senzor:

Senzori optici – sunt folosiți in mare parte in camerele de filmat, telefoane mobile si automobile, rolul lor fiind de a capta o schimbare in spectrul luminii înregistrat.

Senzori mecanici – acesta măsoare forțele mecanice apărute in mediul exterior, inerție, presiune, forță și cuplu

Senzori magnetici – un bun reprezentant in domeniul automobilelor este magnetometrul si bucla inductiva folosiți in mare parte pentru detecția autovehiculelor

Senzori termici – pot fi cel mai des reprezentați de senzorii de temperatura, măsurând efectiv temperatura dorită

Senzori electrochimici – se folosesc pentru detecția diferitelor substanțe chimice din atmosferă

Un criteriu de clasificare in funcție de referință se poate împarți in:

Senzori absoluți – el detectează un stimul în raport cu o scară fizică ce este neafectată de condițiile de măsurare. Avem ca exemplu din nou termistorul, in care rezistența electrică este direct raportată la o valoare de temperatură pe scara Kelvin

Senzori relativi – produce un semnal raportat la un caz anume. Avem ca exemplu un senzor relativ de presiune care produce un semnal electric raportat la un etalon diferit de presiune zero sau presiune atmosferic

2.1.3 Modul de funcționare al unui senzor

Senzorii reacționează prin modificarea stării fizice din exterior alterând proprietățile sale electrice. Majoritatea senzorilor se bazează pe un sistem electronic de captură și analiză pentru a captura informații despre mediul înconjurător.

Aceste sisteme electronice sunt bazate pe principiul circuitelor electronice de funcționare, în concluzie, abilitatea de control a fluxului de energie electrica este foarte importantă

Mulți senzori acționează precum un întrerupător controlând încărcătura electrică prin circuitele atașate la acestea.

Concis, un senzor convertește un stimul exterior precum, lumină, sunet, căldură sau mișcare într-un semnal electric.

Importanța senzorilor în domeniul rutier

În perioada în care ne aflăm acum sistemele de asistență a șoferului pot oferi funcții ajutătoare la condus, cea mai răspândită fiind menținerea unei distanțe sigure față de vehiculul din față cu ajutorul funcției de frânare. Scopul lor fundamental este de a realiza un transport mai sigur, iar echipamentele care fac posibilă sistemele de asistență au un rol crucial

Vehiculele cu funcții autonome trebuie să menține un control maxim asuprea funcțiilor critice de siguranță in diferite situații. Deoarece șoferii nu sunt în permanență atenți la drum, aceste funcții autonome trebuie să fie extrem de fiabile în fața defectării și apariției de erori.

Senzorii reprezintă o componentă decisivă în aceste tipuri de sisteme.

Senzori folosiți în domeniul automobilelor și rolul acestora.

Senzorii de presiune absolută

Atunci când motorul automobilului este pus în funcțiune, galeria de admisie poate varia de la poziția complet închisă, la poziția complet deschisă când condițiile arderii din motor se află la presiuni atmosferice din exterior. Prin urmare această galerie de admise poate fi folosită pe post de indicator de încărcare al motorului și are rolul de descărca amestecul de combustibil-aer pentru a satisface condițiile de funcționare.

Un tip foarte comun de senzor folosit este senzorul absolut aneroid amplasat într-o camera goală, sigilată și rigidă dotată cu o placă subțire la un capăt cu rolul de diafragmă de deflecție a presiunii galeriei de admisie.

Senzorul lambda

Acest senzor se ocupă de combinarea oxigenului și a combustibilului ce intra în motor. Senzorul reprezintă un dispozitiv electronic de măsurare a proporției oxigenului din gazul analizat. Senzorul funcționează pe principiul măsurării oxigenului. Acest lucru înseamnă că tot oxigenul emanat de prin gazele de evacuare (un raport de 0.3-3% din totalul gazelor) este comparat cu oxigenul din mediul exterior ce urmează a intra în autovehicul (aproximativ 20%).

Cel mai comun tip de aplicabilitate al senzorului este pentru a măsura gazele de evacuare și concentrația de oxigen din acestea. Există mai multe tipuri de măsurare, printre ele numărându-se zirconiul, infraroșu, ultrasunetele și cel mai recent mod fiind laserele.

Senzor de temperatură ce funcționează pe principiul termistorului alcătuit dintr-o peliculă subțire de nichel ce face senzorul foarte sensibil la temperatura aerului ce trece prin acesta și ajunge în motor. Presiunea aerului din admisie se poate schimba foarte repede, dar pelicula subțire a termistorului rămâne constantă ce face posibilă măsurarea și monitorizare schimbărilor. În anumite sisteme electronice, un coeficient negativ al temperaturii termocuplului este folosit pentru măsurarea temperaturii din interiorul pereților galeriei de admisie. Temperatura aceasta din interior reprezintă o valoarea amestecată dintre temperatura efectivă a metalului constructiv și temperatura amestecului de combustibil-aer, această valoare este utilizată pentru modificarea volumului de combustibil ce trebuie furnizată de un carburator electronic.

În figura de mai jos putem observa construcția unui astfel de senzor și graficul rezistenței în funcție de temperatură.

Figura 5 Rraportul rezistenței electrice cu temperature

Figura 6.Alcătuirea senzorului de temperatură

Senzor cu potențiometru cu debitul de aer

În interiorul senzorului putem găsi o plăcuță montată pe un ax pivotant și încărcat de un arc bobinat. Senzorul se află în orificiul de admisie a aerului. Cu cât viteza aerului este mai mare cu atât plăcuța din interiorul acestuia se va învârti mai tare. Plăcuța senzorului este direct conectată la un potențiometru, iar la ieșirea din acesta va exista un semnal corespunzător cu unghiul de deflecție. Potențiometrul din interiorul acestui tip de senzor este fabricat folosind tehnica peliculei groase, cu un substrat de ceramică aplicat pe calea potențiometrului pentru o bună rezistență în timp la uzură. Pentru obținerea semnalului potrivit de ieșire potențiometrul trebuie calibrat folosind diverse tehnici. Pentru măsurarea aerului tras în cilindrul motorului de către acest senzor, se va introduce o eroare pentru a compensa diferențele de altitudine la care se află automobilul.

Traductoare

Un traductor reprezintă un dispozitiv ce are rolul de a converti o mărime fizică într-o altă mărime fizică, de obicei acele mărimi pot fi de 6 tipuri:

– Mărimi electrice

– Mărimi magnetice

– Mărimi fizice

– Mărimi chimice

– Mărimi optice

– Mărimi termice

Schema generală a unui traductor este reprezentată în figura de mai jos:

Figura 7.Schema de funcționare a unui traductor

Caracteristicile unui traductor sunt:

– Caracteristica statică ce reprezintă de fapt dependența y = f(i) dintre mărimile de intrare și ieșire ale traductorului

– Domeniul de măsurare, este definit de pragul de sensibilitate superior y maxim și i minim și cel inferior y maxim și i minim

– Natura fizică a mărimile I/O ale traductorului care sunt reprezentate de curent, tensiune, nivel, temperatură, etc.

– Sensibilitatea Ka este egală cu raportul dintre variația mărimii de intrare cu variația mărimii de ieșire.

Construcția unui traductor

Figura 8.Schema bloc a unui traductor

Este format din:

– Element sensibil

– Adaptor

– Element de transmitere

– Sursa alternativă de energie

Elementul sensibil, este reprezentat de un senzor sau detector și reprezintă elementul cheie pentru detectarea mărimii ce se dorește a fi măsurată. Odată cu intrarea mărimii în elementul sensibil, în acesta se produce o schimbare de stare, acesta conținând informația mărimii de ieșire de determinat. Modificarea unei stări a elementului sensibil constă într-o pierdere de energie și arata de obicei de formă unui semnal la ieșire din Elementul Sensibil sau ca o variație a unor parametrii.

Adaptorul adaptează semnalul de la ieșirea elementului sensibil cu semnalul final de ieșire din traductor pentru a îndeplinii criteriile impuse dispozitivele la care acesta este conectat. Convertirea se face prin funcții complexe pentru forma de semnal impusă la semnalul de ieșire y.

Sursa alternativă de energie are rolul de a pune sistemul în funcțiune atunci când traductorul este unul pasiv și nu primește energie din exterior.

Elementul de transmitere asigură integritatea semnalului măsurat cu cel transmis spre adaptor.

Traductoare folosite în domeniul rutier.

Traductoare termorezistive de obicei fabricate din cupru, nichel, platină, se bazează pe principiul variației de temperatură cu rezistența electrică a semiconductoarelor sau a metalelor pure. Modul în care sunt alcătuite este unul simplu, un fir metalic este bobinat în jurul unui suport de sticlă sau ceramică ( cele mai utilizate izolații), iar cele 2 componente sunt învelite într-un material de protecție. Un traductor rezistiv funcționează la temperaturi uzuale de sub 400°C datorită proprietății de topire a firului de platină. Formula dependenței cu temperatura a traductorului rezistiv.

T0 = 0 °C

R0 = Valoare traductorului la temperatura T0

α = Sensibilitatea medie pe valorile de temperatură ( pentru platină este de 38.5% la temperatura sub 100°C, iar la temperatură de peste 100 este de 34%.

Traductoare cu variație de presiune

Au rolul de a măsura variația presiunii a vaporilor de gaz în echilibru precum propan, metan, alcool, etc.

Modul de alcătuire al acestor variatoare constă într-un rezervor cu contact de măsurare, tub capilar cu legătură între acestea și un tub de tip Bourdon. Rezervorul este dotat parțial cu lichid, iar tubul Bourdon este umplut cu lichid.

Traductoare cu corpuri de dilatare

Au ca principiu de funcționare dilatarea unor metale de tipul aluminiu, cupru, etc. cu modificarea de temperatură odată cu inserția într-o deplasare mecanică.

T0 = Temperatura etalon

α = Coeficientul de dilatare

ΔL = deplasarea mecanică

Criterii de clasificare ale traductoarelor:

După principiul de funcționare, traductoarele se pot împărți în traductoare parametrice, acestea au o alimentare cu energie electrică ce este convertită într-un semnal la ieșire, dispozitivele care fac posibil acest lucru sunt traductoarele inductive, traductoarele electrotensometrice, traductoarele capacitive, traductoarele potențiometrice etc.

Un alt tip traductoare îl constituie traductoarele generatoare, ele nu au nevoie de un impuls electric pentru a genera un semnal la ieșire, aici pot lua parte generatoarele tahometrice, traductoarele piezoelectrice, termocupluri, etc.

Un alt tip de clasificare se face după mărime generată, ele se împart în:

– Traductoarele digitale, care au la ieșire un semnal discontinuu sau o succesiune de impulsuri care reprezintă valorile mărimii măsurate

– Traductoarele analogice, ele furnizează la ieșire tot un semnal, dar de data aceasta el este variabil continuu cu mărimea măsurată, acest tip de mărime se poate clasifica în variații de tensiune, variația impedanței, variația fazei semnalului electric alternativ sau variația frecvenței, etc.

Clasificare după mărimea de intrare se împarte în:

– Traductoare cu mărimi mecanice, se împart în masă, presiune, debit, etc,

– Traductoare cu mărimi de intrare geometrice, cu mărimi de tipul suprafață, volum, unghi, nivel, etc.

– Traductoare cu mărimi de material, de exemplu vâscozitate, densitate, etc.

– Traductoare cu radiații

– Traductoare de temperatură

Pe lângă aceste tipuri de clasificări mai există și traductoare cu convertire directă, precum traductoare de temperatură cu un termocuplu sau traductoare de deplasare potențiometric. Un alt tip mai este reprezentat de traductoarele cu convertire indirectă ce folosesc mărimi intermediare de deformare, precum traductor de viteză ce dispune de un fir cald.

În continuare voi vorbi despre rolul traductoarelor în industria automobilelor

Generalități traductoare în domeniul autoturismelor

Pentru o bună funcționare a unui automobil trebuie luate în calcul cele mai importante aspecte la proiectarea acestuia, acesta fiind fiabilitatea componentelor. Trebuie luat în calcul stresul la care dispozitivele electronice sunt supuse, stres provenit din vibrații intense dar și temperaturi de funcționare foarte mari.

Într-un automobil, există multe surse de căldură ce pot duce la eșuarea unui dispozitiv electronic ce nu a fost proiectat corect. Sursele principale de temperatură provin de la motor, convertorul catalitic ce are rolul de a arde gazele evacuate de motor cu scopul unei emisii cât mai bune, dar și alte funcții de confort precum parbriz încălzit sau încălzirea scaunelor. Umiditatea joacă și ea un rol foarte important în fiabilitatea. Două corpuri care se ating au proprietatea de a face un schimb de căldură între ele. Temperaturile ridicate afectează performanțele unui automobil, de obicei temperatura de funcționare a unui automobil se află undeva între -60 °C și +60 °C .

Totuși temperatură de funcționare a componentelor electronice din aproprierea motorului funcționează între -40 și + 125 °C.

În tabelul de mai jos am prezentat majoritatea surselor de căldură produse într-un automobil în timpul funcționării

Tabelul 1.3 Prezentarea surselor de căldură, procesul acestora și temperatura maximă atinsă

Din tabelul 1 putem observa cele mai dăunătoare temperaturi apărute într-un automobil. Motorul și convertorul catalitic ating temperaturi interne de peste 1000 de grade celsius, de sigur aceste valori nu ajung în exteriorul lor, dar un transfer de căldură dintre ele și echipamentele exterioare se realizează. Un alt parametru important de urmărit al automobilul este impactul unui pneu ce funcționează la o valoare înaltă de temperatură, în combinație cu e presiune internă a acestuia și dilatarea aerului încins din aceste pot duce la o explozie și o imposibilitate de rulare sau control de oprire al vehiculului

Traductoare folosite în cadrul evacuării automobilului

În cadrul arderii se produc procese chimice, pentru fiecare kilogram de combustibil ars, un vehicul are nevoie de echivalentul a 14,7 km de aer sau aproximativ 10 m^3.

Clasificarea traductoarelor în funcție de poziția acestora:

Ele împărțindu-se în traductoare de poziție de proximitate sau în contact și traductoarele incrementale sau absolute.

Traductoarele de poziție

Aceste traductoare au rolul de a detecta poziția componentelor mecanice, ele sunt montate la un arbore sau prin modalități fără contact sau fără proximitate.

Alegerea acestor tipuri de traductoare este foarte importantă deoarece sunt foarte influențate de vibrații ale motoarelor mici, lucru ce poate duce la o eventuală defectare permanentă, un bun exemplu îl reprezintă stratul conductor afla la potențiometrul ce maăsoară poziția pedalei de accelerație. Praful și murdăria joacă și ele un rol important în durata de viață a traductorului. Cele mai folosite traductoare de proximitate sunt cele ce folosesc detectarea câmpului magnetic, această funcție reprezintă un avantaj deoarece traductorul poate fi foarte bine izolat de condițiile distructive de lucru ale motorului.

Traductoarele absolute sau incrementale

Au rolul de a măsura poziția aflată până la un marcaj arbitrar. Acest tip funcționează prin numărarea impulsurilor prin secvențe, un anumit impuls din aceste secvențe poate fi diferit printr-o lățime mai mare sau polaritate inversă pentru detectarea poziției de zero. Avantajul acestui traductor este numărul mic de fire de legătură, iar dezavantajele apar la nivelul informației de poziție, traductorul sub tensiune nu afișează informații legate de poziție, el necesită anumite cicluri de index mecanic pentru a găsi poziția de zero. Alt dezavantaj se reduce la nivelul de sensibilitate la zgomot ce este foarte mare.

Traductoare de viteză și de accelerație

Au rolul de a măsura viteza rotativă a unui vehicul cu scopul de supraveghere a turației motorului și de controlare a vitezei prin funcții de tipul pilot automat, dar și furnizare de date pentru sistemele de tip ABS, ESP.

Alegerea traductoarelor folosite trebuie să îndeplinească anumite criterii de fiabilitate, ele în timp sunt supuse stresului apărut cauzat de vibrații ale motorului, dar și de lichide din exterior ce pot apărea pe suprafața acestora, precum ulei, benzina, antigel, etc. Din această cauză a factorilor externi ce pot cauza defecțiuni, în cadrul automobilelor și mai precis în zona motorului nu se pot folosi traductoare de tip optic sau de contact.

Pentru măsurarea vitezei de rotație din cadrul automobilelor se folosesc traductoare de tip Hall, datorită preciziei acestora, aceste traductoare se folosesc de câmpul magnetic pentru detectare. Măsurarea se face valori de pași de câte 1 km/h , vitezele uzuale ale unui autovehicul se încadrează între 0 și 180km/h. Măsurarea rotație se face din cicluri de câte 10 rpm, pentru o acuratețe de aproximativ 0.3% , turație poate atinge de obicei valori de peste 7000 rpm.

Viteza de deplasare a unui autovehicul poate fi ușor detectată de traductoare optice, cu radar ce poate fi de tip Doppler pentru măsurarea vitezei liniare sau cu ultrasunete.

Pentru intrare în funcție a sistemelor de tip ABS, AIRBAG, suspensie adaptivă, ESC, este nevoie de o detectare de procentul accelerării cu ajutorul unor senzori de accelerație

Traductorul de tip Hall

Elementul de tip Hall este un tip de traductor folosit pentru măsurarea câmpului magnetic și convertirea acestuia într-un câmp electromagnetic. Măsurarea directă a cămpului magnetic nu este posibil. Acest traductor convertește câmpul magnetic într-o cantitate electrică care poate fi ușor măsurată de dispozitive digitale sau analogice.

Principiul de funcționare se referă la banda de transport a curentului din conductor ce este plasată într-un câmp magnetic transversal rezultând o apariție de câmp magnetic pe marginea conductorului. Magnitudinea tensiunii dezvoltate depinde de fluxul și de proprietatea conductorului. O proprietate de efectului Hall este aceea de producere printr-un metal sau semiconductor cu o anumită densitate și mobilitate a electronilor.

Figura 9.Reprezintă secțiunea unui traductor de tip Hall

N = Numărul de spire ale traductorului

I = Curentul de intrare

Ic = Curentul măsurat

Uh = Tensiunea măsurată

Aplicații ale unui traductor cu efect Halll:

– Translatare din câmp magnetic în impuls electric, este posibilă prin introducerea unui material semiconductor în câmpul magnetic deja măsurat, rezultând un câmp diferit. Tensiunea apare la capătul benzii semiconductorului și este direct proporțională cu densitatea câmpului magnetic. Acest proces se realizează în spații mici iar un mare dezavantaj al traducătorului îl reprezintă rezistența scăzută la schimbările de temperatură ce necesită o reglare continuă

– Măsurarea deplasării elementelor, traductorul măsoară fizic deplasarea unui element măsurat de exemplu dacă plasăm traductorul între bornele a cei 2 poli ale unui magnet permanent, câmpul magnetic din elementul Hall se schimbă prin schimbarea poziției câmpului feromagnetic.

– Măsurarea puterii, traductorul poate fi utilizat pentru a măsura puterea electrică dintr-un conductor. Curentul este aplicat de a lungul conductorului care la alimentarea acestuia dezvoltă un câmp magnetic cu o intensitate direct proporțională de curentul aplicat. La rândul său, câmpul magnetic induce o tensiune de a lungul benzii traductorului cu o valoare de ieșire proporțională cu puterea traductorului.

– Măsurarea curentului, indiferent de tipul acestuia, curent alternativ sau curent continuu, puterea câmpului magnetic este direct proporțională cu valoarea curentului aplicat.

Sisteme de tipul achiziții de date

Achiziția de date se referă la procesul de măsurare a condițiilor fizice și a fenomenelor precum energia electrică, sunetul, temperatura, presiunea, etc. Această măsurare se realizează prin diverse metode, folosind senzori ce colectează mostre din mediul înconjurător de tip analogic și le transformă în semnale digitale prin intermediul media convertoarelor.

Valoarea numerică digitală rezultată din acest proces, poate fi direct interpretată de un calculator ce folosește analiza datelor, dar și prezentarea și stocarea acestora.

Achiziția de date se realizează în general prin folosirea a mai multor instrumente și unelte. Sistemul de achiziții de date preia semnale analogice din mediu și le trimite mai departe sub formă digitală către dispozitive compatibile de citire și interpretare a datelor.

Pentru o achiziție de date să fie posibilă, se folosesc 3 componente:

– Senzor cu capacitate de colectare a semnalelor analogice precum lumină, sunet, presiune, etc.

– Circuite de condiționare ale semnalului, ce reduc zgomotele și mai au rolul de amplificator

– Media convertoare, pentru convertirea semnalului în date digitale

Mai jos putem observa schema bloc a unui sistem de achiziții de date.

Figura 10.Schema bloc a sistemelor de achiziții de date.

În schema de mai sus rolul blocului de proces se referă la activitatea efectivă ce include deseori traductori interni pentru monitorizarea activității procesului ce urmează a fi transformați în notificări pentru modificarea parametrii controlărului

Blocul traductor are rolul de a monitoriza și de a face citiri de viteză, temperatură, frecvență, radiații, etc.

Transformatorul de semnal este necesar pentru translatarea citirilor făcute de traductor în informații corecte și consistente, o altă funcție este aceia de a filtra semnalul de zgomote, de izolare a acestuia și de conversie.

Blocul Hardware are sarcina de convertire directă și acurată a semnalului dintr-un element de condiționare într-un format sau un protocol pe care procesorul logic îl poate înțelege și îl poate opera. Această funcție de convertire se face prin interfețe de tipul USB sau PCI, sau cabluri ethernet și conexiuni wireless pentru anumite tipuri de echipamente.

Procesul de control este un proces logic cu rol de analiză și decizie implementat prin software. Un calculator obișnuit este potrivit pentru funcții de tipul, stocare a informației dispozitivelor. Softul folosit pentru acest proces este deseori cel de la National Instruments și anume Labview.

Sistemele de achiziții de date sau SAD includ o suită de unelte diferite și tehnologii proiectate să acumuleze date. SAD-urile sunt împărțite în SAD software și hardware, dar și în senzori și actuatori ce necesită suport de la o rețea pentru comunicațiile dintre software și hardware. SAD-urile de tip hardware sunt compuse din componente de tipul unor carduri externe de expansiune, ce pot fi conectate la un calculator prin interfețe de tipul USB sau PCI, sau instalate direct pe placa de bază.

SAD-ul hardware este conectat la un dispozitiv de intrare, exemplu fiind convertorul analogic-digital, semnalul transmis de acesta este trimis în card, mai departe fiind procesat și trimis SAD-ului software, unde va fi înregistrat și verificat pentru analiză.

Exemple de senzori folosiți în procesul de achiziții de date:

– Termistor

– Termocuplu

– Detector de temperatură a rezistenței

– Transformator liniar variabil

1. Termistorul are la bază o rezistență sensibilă la temperatură fabricată dintr-un semiconductor cu coeficienți pozitivi și negativi de dimensiuni mici și au o masă termică redusă ce se poate schimba odată cu schimbarea valorii tensiunii . Gama de măsurare se întinde de la temperaturi începând cu 0.1 și 300 °C iar atât timp cat excitarea acestuia este alimentată, nivelul de zgomot în semnal este redus.

2. Termocuplul este un dispozitiv de măsurare a temperaturii. Este alcătuit din 3 elemente, o joncțiune împământată, o joncțiune neîmpământată și o joncțiune expusă.

Joncțiunea împământată asigură rezistență împotriva zgomotului

Joncțiunea expusă are un timp de răspuns foarte bun și prin urmare este folosit pentru măsurarea temperaturii gazului

Joncțiunea neîmpământată este folosită în condiții de presiuni înalte și are ca avantaj o scădere în efectului de abatere al câmpului magnetic.

Termocuplul are ca principiu de funcționare transferul de electroni prin schimbul de căldură de la un metal cald la unul rece, inducând un curent în circuit și o tensiune direct proporțională cu temperatura emanată în grade Kelvin.

3. Transformatorul liniar variabil constă într-un cilindru transformator înconjurat de 2 bobinări secundare cu număr egal de spire și una principală plasată între celelalte 2. Bobinarea principală este conectată la o sursă de tensiune și o tijă cu miez de inserție.

Figura 11.Schema unui transformator liniar variabil

În centrul bobine se aplică un curent alternativ de frecvență înaltă prin bornele de intrare ale transformatorului. Acest curent generează un câmp magnetic ce induce un curent în cele 2 bobine secundare. Bobinele secundare sunt poziționate opus una de cealaltă pentru ca în centrul cilindrului curentul indus se va anula, dându-i semnalului de ieșire valoarea de 0 V.

Avantajele acestui tip de transformator sunt semnalul de ieșire puternic, fără a avea nevoie de amplificator, nu are nevoie de un ciclu histerezis, are un consum redus, nu are piese mecanice care să producă fricțiune și o toleranță ridicată.

Dezavantajele sunt, prețul ridicat, sensibilitatea la câmpurile magnetice străine și sensibilitate la temperaturi ridicate.

4. Detectorul de temperatură a rezistenței

Este reprezentat de un dispozitiv ce măsoară schimbările de temperatură prin schimbările asociate în rezistența materialul constructiv al senzorului. De obicei un detector de acest fel folosește fire din platină datorită proprietății de schimbare a rezistenței atunci când sunt încălzite. Avantajul acestui dispozitiv este o acuratețe și o stabilitate foarte bună în timp .

Un dezavantaj al acestora îl constituie prețul ridicat. Principiul de funcționare al detectorului este unul asemănător cu cel al efectului Hall prin condiționarea semnalului și transmisiei acestui din cauza tensiunii de ieșire.

Subsistemul de transmise de date din cadrul SAD-ului

Transmisia de date din cadrul SAD-ului se poate realiza prin diverse standarde de ieșire, de obicei sunt de tipul RS232 sau 4-20mA cu o conexiune directă fiind posibilă datorită poziției traductorului în sistem, încadrându-se fix în centrul acestuia iar procesorul logic este localizat în vecinătatea acestuia în majoritatea cazurilor.

Metode de transmisie a datelor și problemele acestora:

1. Buclele de bază

Bucla de bază este de fapt un circuit cu impedanță mică de împământare care nu are metode de siguranță pentru oprire a fluxului de curent. Este asemănătoare unei antene de tip buclă, ce recepționează semnale radio și sunete produse de câmpul electromagnetic. Felul prin care buclele captează sunetul este prin inducția electromagnetică, curentul este indus către undele electromagnetice. Datorită faptului că buclele funcționează la impedanțe scăzute, chiar și un mic câmp electromagnetic poate induce un curent cu valori mari în buclă.

Ele prezintă un pericol al tuturor sistemelor electronice actuale și în special în industrii cu interconexiuni cu circuite separate. Acest tip de buclă are loc doar atunci când diverse dispozitive sau circuite cu puncte de referință diferite. Aceste bucle pot apărea și la cablurile cu înveliș de protecție electromagnetică, atunci când cablul este împământat la ambele capete, se creează o tensiune de diviziune între 2 puncte de referință. O soluție la această problemă este acea de întrerupere a unei împământări.

2. Interfețe RS 232

RS 232 sau Recommended Standart 232 reprezintă un standard de comunicare ce se realizează prin USB sau linii de telefon.

Figura 12.Schema pinilor RS232

Mai sus avem schema funcțională a interfeței RS232 cu 9 pini.

Aceste standard are proprietatea de a își folosi singur transmisia prin linii de telefon sau poate fi convertită printr-un modem aflat tot pe o linie telefonică. RS 232 reprezintă o interfață între echipamente terminale de date și echipamente ce folosesc comunicații de date, echipamentul terminal fiind reprezentat de un calculator iar echipamentul de comunicații este reprezentat de un modem.

Interfața RS232 vine în mai multe modele de 4, 9 sau 25 de pini, cel de 25 de pini folosind toate conexiunile, cel de 9 pini nu include și conexiunile speciale, iar cel de 4 pini reprezintă minimul absolut pentru menținerea unei conexiuni.

Pe lângă funcția de conexiune dintre echipamente de date, interfața RS232 este foarte folosită între sisteme de achiziții de date și calculatoare, dar nu toate tipurile de interfețe.

Standardul RS233 se împarte în 2 categorii:

a) Semnalul electric RS232 de tipul c este capabil de tensiuni intre -5 și -15 V pentru valoarea logică 1 și tensiuni între 5 și 15 V pentru valoarea logică 0. Lungimea maximă actuală la care se pot transmite informații cu un ritm de 20kb/s este de 15 metri.

b) Conexiunea mecanică se face prin cele 2 tipuri, de transmisie prin pinul TX și de recepție prin pinul RX.

Conversia de date într-un sistem de achiziții de date

Eșantionarea într-un SAD se referă la cât de des sunt măsurate citirile. Eșantionarea poate avea consecințe asupra calității convertorului analogic digital, de exemplu dacă citirea măsurărilor este foarte lungă, atunci se pot pierde părți din semnal prin convertorul analogic-digital. Nicio eșantionare nu este perfectă indiferent de rezoluția folosită, ea reprezintă de fapt o funcție discretă.

Sisteme electronice din cadrul automobilului

Sisteme de siguranță folosite în prezent

Sistemul de anti-blocare a roții la frânare sau ABS

Sistemul a apărut ca o măsură de siguranță în plus în anii 1960, fiind o opțiune la automobilele de lux din acea perioada și fiind adoptat obligatoriu la începutul anilor 2000.

El reprezintă o măsura vitală de siguranță în domeniul rutier, principalul scop fiind acela de a micșora distanțele de frânare a vehiculelor.

În ultimele decenii de la implementarea sistemului el s-a dovedit benefic scăderii numărului de accidente fatale. Totodată sistemul promite o stabilitate mărită la condus, o mai bună manevrabilitate, un control mai bun asupra frânării individuale a fiecărui roți si bineînțeles scurtarea distanței de frânare.

Probleme întâmpinate la frânări bruște și dure

O dată cu apăsarea puternică a pedalei de frânare a unui vehicul fără a fi dotat cu ABS, tendința roților este aceea de a se bloca, ce are direct consecință deraparea necontrolată a vehiculului, imposibilitatea de evitare in siguranță a pericolului și mărirea indirect a distanței de frânare, caz ce duce la un mare impact al siguranței traficului.

Mod de funcționare

Atunci când senzorii detectează că una sau mai multe roți au intrat in derapare, calculatorul de bord decide de a efectua o frânare de cadență ce înseamnă eliberării de frânare pe roata sau roțile in cauză si reaplicarea frânei într-un mod rapid si repetitiv( de ordinul milisecundelor) pentru evitarea blocării acestora

În acest fel se creează aderența necesare pentru efectuarea manevrei în siguranță.

Componentele Sistemului si rolul acestora

– Senzorii de mișcare aflați la roată

– Etrieri de frânare

– Un motor hidraulic

– Senzori de presiune

– Un calculator central cu acționare rapidă

-Senzorii de mișcare sunt folosiți pentru calcularea accelerării si decelerării roții.

Senzorii au la bază o bobină electromagnetică sau un magnet și o roată dințată atașata si un senzor cu efectul Hall pentru generarea unui semnal. Atunci când roata este in mișcare, bobina electromagnetică produce un câmp magnetic. Fluctuația acestui câmp generează o tensiune în senzor care este mai departe trimis in controler. Cu ajutorul variaților de voltaj, controlerul detectează viteza relativa a roții.

-Pompa hidraulică, el acționează împingând lichidul hidraulic prin conducte de înaltă presiune către valva ABS. Această valvă la rândul ei se poate afla în 3 poziții:

– În poziția 1 valva este deschisă si presiunea creată de pompa hidraulică acționează etrierul.

– În poziția 2 valva este închisă si separă roata de pompa hidraulică pentru a evita supra-pompării lichidului în etrier, această poziție intră în acțiune atunci când șoferul folosește ferm frânele.

– În poziția 3 o parte din presiunea creată în etrier este eliberată de către valvă.

-Controlerul are principala funcție de a recepta informații de la senzorii aflați la roți si de a detecta alunecarea sau pierderea tracțiunii cu solul la accelerarea vehiculului. Acest proces se realizează prin trimiterea unui semnal către controler, acesta fiind procesat si trimis un impuls la modulatorul ABS.

Avantaje si dezavantaje ale sistemului ABS

Previne blocarea roților si elimină șansele de alunecare

Îmbunătățește controlul asupra direcției in condiții nefavorabile

Reduce șansele de coliziune cu până la 30%

Ca si dezavantaj, un vehicul echipat cu ABS are un preț mai ridicat

Aduce probleme adiționale de mentenanță

Sistemul de stabilitate electronic sau ESP (Electronic Stability Program) sau ESC ( Electronic Stability Control)

Sistemul ESP este o funcție activă de siguranță folosită în prezent de majoritatea vehiculelor rutiere.

El reprezintă o extensie a sistemului ABS folosind funcțiile acestuia dar si un subsistem de control al tracțiunii ce poate efectua funcții de manevrare și control suplimentar ale vehiculului

Scopul acestui program este de a stabiliza vehiculul si de a preveni deraparea necontrolată indiferent de situațiile si condițiile de drum.

Sistemul își realizează funcția prin identificarea situațiilor critice și aplicând automat frânarea pe una sau mai multe roți si chiar ajustarea cuplului motorului.

2.2 Probleme întâmpinate la condus

În majoritatea cazurilor extreme sau de vreme nefavorabilă precum ploaie abundentă sau ninsoare, printr-o manevră de evitare a unui obstacol sau schimbarea bruscă a direcției de mers poate avea ca si consecințe deraparea necontrolată a vehiculului sau un comportament sub-virator sau supra-virator (amândouă fiind cazuri nefavorabile) , aici își au loc sistemele de tip ESC/ ESP

2.3 Mod de funcționare

ESC-ul intervine doar atunci când senzorii de bord detectează o probabilă pierdere de control al direcției, lucru posibil doar prin monitorizarea direcției vehiculului si a gradului de virare. Sistemul compara direcția aleasă de șofer și direcția vehiculului, sistemul acționând atunci când există o diferență rotația vehiculului in grade si diferența de viteza dintre roată si asfalt. Pe scurt ESC-ul estimează gradul de alunecare si aplică frânarea pe roțile individuale asimetric în vederea creării unui cuplu pe direcția axei vehiculului, contracarând alunecarea și punerea in direcție impusă de șoferul vehiculului.

Sistemul poate funcționa in diverse tipuri de asfalt, precum asfalt uscat, asfalt ud, asfalt înghețat si asfalt înzăpezit. Cu toate acestea ESC-ul nu poate crea tracțiune adiacentă la roată indiferent modul acestuia de funcționare și indirect nu poate sporii siguranța unui condus rapid.

2.4 Componente ESC

– O unitate de control a motorului cu rolul de a regula viteza prin intermediul uni valve solenoide, ce poate regla presiunea din interiorul pistonului de frânare. Unitatea are posibilitatea de a controla toate componentele electrice si electronice si în principiu toate funcțiile sistemului.

– Senzorul de viteză al roții, acesta măsoară numărul de rotații si comunica mai departe unitatea centrală de control. Măsurarea se face prin folosirea a 2 principii de măsurare, unul activ si unul pasiv folosindu-se de senzori de tip Hall si senzori inductivi

Formula tensiunii de ieșire a efectului Hall

Vh – Valoarea tensiunii Hall

Rh – Coeficientul efctului hall

I – Curentul din senzor

t – Grosimea senzorului in mm

B – Densitatea fluxului magnetic

– Senzor de măsurare a unghiului, are rolul de a măsura poziția direcției prin determinarea unghiului acestuia. Din poziția unghiului direcției, viteza vehiculului si presiunea de frânare precum si procentul de accelerare este calculat și trimis mai departe la modulul central de control.

– Senzor pentru măsurarea procentului de rotație si a accelerării laterale

Senzorul de măsurare a rotației captează toată informația legata de mișcarea vehiculului raportată la axa verticală și împreună cu senzorul de accelerare laterala statusul vehiculului poate fi determinat prin compararea intenției șoferului.

– Modulul de comunicație cu sistemul de management al motorului (ECU)

Prin magistrala de date internă a vehiculului CAN, ECU -ul comunică cu ESP-ul

Fiind posibilă această comunicare ECU-ul poate determina daca vehiculul are nevoie de reducere de putere in momentul unei eventuale pierderi de control.

2.5 Funcții

Funcția primordială a sistemului este de a prevenii derapajul necontrolat dar pe măsura dezvoltării tehnologiei o gama largă de funcții au fost adăugate și sunt în prezent aflate pe vehicule de exemplu:

-Senzori de măsurare a presiunii anvelopelor

-Asistare electrică si hidraulică la frânare

-Senzori de încărcare cu greutate ai vehiculului.

Sistemul de Airbag ( Pernă de aer)

Sistemul de tip Airbag a apărut ca o măsură de siguranță pasivă prin anii 1980, el devenind un sistem standard la începutul anilor 1990 pentru automobilele dotate cu sisteme pentru șofer și pasagerul din față. În prezent autovehiculele vin standard cu un număr minim de 6 aitbag-uri. Principiul de funcționare este foarte simplu, conform legilor fizicii un corp aflat într-o stare de mișcare tinde să își mențină starea indiferent de impulsurile exterior. Acest caz este valabil și pentru pasagerii dintr-un autovehicul. În cazul unei opriri bruște sau impact al automobilului, pasagerii și obiectele din interior au tendința de a își continua mișcarea de direcție dacă acestea nu sunt susținute în loc de un obiect de susținere precum centura de siguranță din automobile. Oprindu-i momentul la un punct de oprire a unui obiect ce se deplasează cu viteză, necesită o forță foarte mare din exterior, aici intervine sistemul airbag. Când airbag-ul intră în funcțiune pentru a opri pasagerii de la un impact periculos, constrângerile la care lucrează sistemul sunt imense. Airbag-ul are un spațiu relativ limitat de funcționare (sub un metru), locul dintre bordul vehiculului sau volanul șoferului este folosit pentru explozia pungii de aer. Chiar și un spațiu atât de limitat ca acesta poate salva vieți.

Componentele principale ale sistemului:

1 Punga de aer

2 Senzorii de impact

3 Sistemul de umflare a pernei

1 Punga de aer

Este fabricată dintr-un material textil subțire de nailon împachetat și înăuntrul volanului, bordului sau în locații precum stâlpii autovehiculului, uși sau în dreptul scaunelor (în autovehiculele moderne). Punga de aer conține și o pudră, de obicei ,pudră de talc și este necesară pentru a menține punga unsă bine în timpul depozitării.

2 Senzorii de impact

Senzorul are rolul de a comunica cu sistemul și de a îi spune când trebuie umflată punga de aer. Senzorul funcționează în paralel cu unitatea de control pentru a decide daca a fost un accident sau nu, ei măsurând intensitatea impactului. Formula de calcul a deciderii de umflare a pernei este echivalentă cu un impact al automobilului cu un zid de beton la o viteză de 20 km/h. Felul în care senzorii sunt construiți le asigură o funcționare indiferent dacă conexiunile acestora sunt întrerupte de un accident.

3. Sistemul de umflare

Acest sistem constă într-un dispozitiv de acționare a buteliei cu gaz ce poate umfla perna cu o viteză de până la 320 km/h. Gazul este reprezentat dintr-un amestec de nitrat de potasiu și azid de sodiu. Perna de aer este dotată cu mici găuri pentru o disipare a aerului după impact.

Figura 13.Schema bloc a unui sistem de tip AIRBAG

Modul de funcționare al sistemului AIRBAG.

După ce o coliziune a vehiculului s-a petrecut, senzorii detectează și trimit un curent electric către sistemul de umflare sau în cazurile unui accident mai complex, trimit datele către unitatea de control. Unitatea de control interpretează datele și trimite un impuls electric la sistemele de umflare printr-un filament ce îl face să se încălzească și să ia foc în capsula protectoare. Acea capsulă trimite căldură către pelet generator de gaz ce îl face să se aprindă. În majoritatea automobilelor, acești peleți sunt sunt fabricați din azid de sodiu și produc azot ca rezultat al arderii. În alte sisteme se folosește argon presurizat care odată cu aprinderea acestuia se dilată și are ca efect traseul printr-un tub de plastic către punga cu aer la o viteză foarte mare. Tot procesul are loc în mai puțin de zece sutimi de secundă de la momentul impactului. După umflarea rapidă, airbag-ul se dezumflă prin micii pori ai pungii de aer.

Aplicații moderne ale AIRBAG-ului:

– Airbag-ul lateral pentru cap și umeri

– Airbag-ul aflat în plafonul automobilul pentru impacturi laterale.

– Airbag-ul din centură. Apărut recent, centura cu airbag este o extensie a centurii de siguranță, punga cu aer aflându-se în interiorul centurii, iar în momentul unui impact, aceasta are un procedeu similar cu celelalte tipuri de airbag-uri, dar scopul, fiind acela de a mări acoperirea centurii de siguranță pe corpul pasagerului pentru a disipa șocul primit de centură asupra toracelui.

– Airbag-ul de tip perdea. Se folosește în cazul unui impact lateral sau a unei răsturnări ale autovehiculului. Această tehnologie reprezintă un nou tip de protecție apărut. Majoritatea autovehiculelor sunt dotate cu airbag-uri de tip perdea verticale amplasați în stâlpii acestuia. În cazul unei răsturnări sau unui impact lateral, airbag-ul de tip perdea se va umfla într-o fracțiune de secundă și va acoperi pasagerii de un impact cu geamurile laterale. Acest sistem va folosi senzori de înclinare ce vor trimite informația direct la unitatea de control centrală care va determina dacă vehiculul chiar se află într-un pericol sau nu. Testele asupra acestui sistem au arătat o scădere cu până la 80% a leziuni la cap.

Figura 14.Schema de amplasament a echipamentelor. 1 Martorul de bord pentru avarii, 2 airbag-ul montat în volan, 3 dispozitivul de declanșare, 4 convertitor de tensiune, 5 alimentare alternativă, 6 echipamentul de tensionare a centurii de siguranță

Tehnologii ce urmează a fi implementate.

a) Detecție a ocupanților cu senzori infraroșu

b) Capacități reflective de detecție a ocupanților

c) Senzori de greutate

d) O unitate de control centralizată

a) Acest tip de sistem va folosi senzori cu infraroșu amplasați în interiorul vehiculului pentru a determina distanța pasagerilor până la locul de explozie al Airbag-ului

b) Acest sistem va folosi metode pentru detectare a pasagerilor daca se află în scaune sau nu. Senzorii obișnuiți de presiune pot fi ușor păcăliți de bagaje sau obiecte. Scopul acestui sistem este de a anula activarea sistemului pe acel loc pentru a reduce costurile de reparație ale autoturismului

c) Senzorii de greutate sunt implementați pentru a determina ce tip de persoană se află pe scaun, daca acesta este adult sau copil, pentru a regla puterea de explozie a pungii cu aer.

d) O unitate de control centralizată are rolul de a colecta toate datele de la toți senzorii simultan pentru a decide ce părți ale autovehiculului vor fi afecta.

Pilotul automat adaptiv (adaptive cruise control)

Pilotul automat reprezintă o funcție de ajutor a șoferului pentru drumurile lungi și cu viteze relativ constante și o reducere a riscului de accidente, sistemul este destinat pentru drumuri de viteză precum autostrăzilor și nu este util pentru oraș, de asemenea studiile arată o medie de scăderea a consumului cu 10%.

Principiul de funcționare se folosește de un senzor cu radar la baza acestuia, poziționat de regulă undeva în față autovehiculului, ce monitorizează constant obiectele aflate în față. În eventualitatea unui drum fără obstacole aflate în față vehiculul păstrează viteza constantă, iar dacă un vehicul mai lent sau un obstacol apare în față sistemul poate încetini automobilul până la o oprire completă.

Sistemul de pilot automat adaptiv este adecvat pentru menținerea unei viteze constante, utilizându-se de accelerație pentru urcări în pante și decelerare pentru coborâri. Motorul își limitează abilitățile de frânare prin închiderea accelerației și rezistența la înaintare date de frecarea anvelopelor cu asfaltul și de aerodinamică. Dar în anumite situații aceste metode nu sunt îndeajuns, de exemplu fiind o vale foarte abruptă în care vehiculul poate chiar accelera. Pentru această situație menținerea vitezei automobilului poate fi posibilă prin aplicarea frânei. Un sistem de pilot automat obișnuit nu poate acționa frânarea fără impulsul șoferului. Un pilot automat adaptiv are capabilitățile de aplicare automată a frânării atunci când frânarea prin oprirea accelerației și folosirea aerodinamicii nu este posibilă.

Un astfel de sistem dispune de sistemul de frânare obișnuit al vehiculului dar cu modificări. Adăugarea de cilindrii adiacenți pentru crearea unui vid și adăugarea de linii de frânare este necesară pentru o bună funcționalitate a sistemului.

În timpul rulării autovehiculului cu sistemul de pilot automat activ, acesta poate reglează procentajul accelerației și al acționării frânării printr-un semnal de ieșire de răspuns la impulsul electric.

Senzorii folosiți în acest sistem:

– Senzorul cu Radar.

Radarul funcționează prin emiterea a unde radio constante. Viteza de mers si distanța până la vehiculul din față este este determinată prin folosirea principiului Doppler. Senzorii activi ce funcționează pe principiul Doppler trimit unde radio de frecvență constantă si cunoscută iar la impactul acestora cu un obiect mișcător undele reflectate au proprietatea de a-și schimba frecvența, astfel determinându-se prezența și viteza corpului din față.

– Senzorii laser ( sau Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) funcționează prin emiterea unei unde laser în direcția dorită și calculând distanța până la vehiculul din direcția înaintării și ținând cont de viteza actuala a vehiculului dotat cu acest tip de senzor.

Acest tip de laser funcționează prin emiterea unei energii luminoase cu o lățime de undă de aproximativ 900nm și cu o divergență de 3 miliradiani sau o undă cu lățime de aproximativ 0.3m la o distanță de 100m. Acest senzor este folosit pentru măsurarea timpului de zbor al undelor prin impulsuri luminoase foarte scurte. Folosind o simplă formulă matematică, poate fi calculată viteza vehiculului. Bazându-se pe aceste informații, sistemul de evitare a coliziunii poate determina un risc de coliziune.

Figura 15.Schema funcțională a unui senzor laser

– Subsistemul de monitorizare prin camere video funcționează diferit față de cel laser sau cel cu radar Doppler, el neavând nevoie de a capta unde laser sau radar reflectate. De obicei camera este montată la o înălțime cat mai mare (de obicei în partea superioară a parbrizului) și are rolul de procesor electronic de imagini, ele nefiind disponibile șoferului ci doar unității centrale de control pentru rularea unor algoritmi complecși de detectare a vehiculelor, pietonilor și semnelor de circulație. Din acest punct sistemul poate decide daca vehiculul se află in pericol de coliziune. O funcție adițională este un de afișare electronica a semnelor detectate șoferului.

Subsistemul de frânare automată ia loc atunci când viteza de decelerare este mai mare decât valoarea maximă impusă, atunci unitatea centrală de control a motorului trimite un semnal de ieșire la controlerul acestuia care mai departe va comunica cu sistemul de pompare a lichidului de frânare. Acesta va intra în funcționare și va acționa frânarea care poate fi alterată prin varierea valvei cilindrului de la roată. Dezexcitarea frânei poate fi realizată prin trimiterea de semnal de la sistemul de pilot automat, cu un mesaj de închiderea valvei de aplicare și oprirea valvei de deblocare.

Sistemul de asistență la parcare

Acest sistem este folosit în prezent pe o gamă largă de automobile și este destinat tuturor șoferilor, indiferent experiența acestora de condus. Este de regulă folosit pentru parcările laterale dificile, automobilul putând să ia controlul automat asupra direcției și al accelerației pentru îndeplinirea manevrei de parcare. Acest sistem activ de parcare se folosește de senzori ultrasonici localizați în barele față-spate ale automobilului. Acești senzori sunt programați să detecteze spațiile dificile de navigat printr-o parcare. Această funcție lucrează în concordanță cu sistemul direcție asistată pentru a asigura o așezare perfectă a autovehiculului în spațiul de parcare dorit. De fapt autovehiculul dotat cu acest tip de sistem poate vira fără ca șoferul să se atingă de volan și mai poate controla în același timp accelerația, schimbarea vitezelor pentru direcția față-spate și acționarea frânelor, toate aceste funcții sunt îndeplinite în totalitate de vehicul.

Funcțiile sistemului de parcare sunt:

– Funcția de virare automată pentru procesul activ de parcare

– Ajutorul efectiv de parcare referit cu numele de PDC sau park distance control (Controlul distanței parcării)

Un vehicul dotat cu acest sistem are nevoie de unu număr de 12 senzori ultrasonici (6 aflați în bara față, iar 6 în cea din spate) iar măsurarea constantă a spațiului de parcare se face indiferent dacă sistemul asistență este sau nu activat.

Procesul efectiv de parcare se împarte în 3 pași:

– Măsurarea spațiului de parcare

– Activarea asistenței de parcare

– Manevrarea autovehiculului cu asistență de virare

a) Măsurarea spațiului de parcare

Înainte ce șoferul autoturismului sa decidă daca un loc de parcare este destul de potrivit pentru autovehicul, sistemul decide înaintea acestuia dacă locul se încadrează în parametri. Vehiculul monitorizează constant locurile libere pe ambele direcții de mers la viteze de până la 40 km/h pentru parcări laterale sau până la 20 km/h pentru garări perpendiculare. Sistemul are capabilitatea de a detecta, nu doar vehicule staționare dar și obiecte obstructive, și locuri goale dintre acestea, iar ca o măsură de protecție vehiculul alertează conducătorul autoturismului daca acesta se aproprie foarte mult de un obstacol. Sistemul mai are și o funcție de memorare memorare al locului de parcare pentru autovehiculele dotate cu GPS chiar dacă acesta a trecut pe lângă acestea, el funcționând până la 15 metri de locul liber. Această funcție de memorare este folosită doar în cazurile în care butonul de asistență a fost activat înainte parcurgerii acelor 15 metri.

Figura 16.Parametri de parcare ale sistemului

Locul de parcare trebuie să aibă condiția de a aveam lungimea minimă a vehiculului + 0.8 metri spațiu de manevre. O altă condiție pentru detectarea locului este acea de distanță laterală până la autovehiculele deja parcate, aceasta de obicei trebuie să se încadreze între 0.5 și 2 metri.

b) Activarea sistemului de asistență de parcare

Activarea se face prin apăsarea unui buton de control din interiorul vehiculului.

În majoritatea cazurilor o apăsare a butonului pornește sistemul de parcare și afișează locurile deja scanate de senzorii din exterior dacă aceste locuri se află în ultimii 15 metri scanați, o a doua apăsare arată și locurile perpendiculare posibile, iar a treia apăsare dezactivează funcția.

c) Manevrarea autovehiculului cu asistență de virare

După găsirea unui posibil loc de parcare și activarea din buton a sistemului, vehiculul este gata de a începe procesul, ultimul lucru pe care șoferul trebuie a îl îndeplini este de a selecta viteza de mers cu spatele. După activarea vitezei, vehiculul staționează aproximativ 0.5 secunde, în acest timp procesează calea exactă de parcare. În timpul preluării vehiculului controlul, conducătorul autovehiculului nu trebuie să acționeze nimic. Dacă distanța de dat cu spatele a fost satisfăcută corect, șoferul este îndrumat vizual printr-o notificarea de a pune vehiculul în viteza de mers înainte, urmând ca procesul a fi repetat de sistem. Iar daca spațiul dorit este unul mai complex, repetiția manevrelor sa va face până când sistemul decidă că vehiculul este parcat corespunzător.

Parcarea în spații paralele se va face cu o viteză de maxim 9 km/h până la locul virării intrării în spațiul dorit, iar vitezele de manevră nu vor fi mai mare de 7 km/h.

Parcarea printre obstacole se realizează prin verificare sistemului daca există o bordură pentru orientare, iar dacă această bordură nu există sistemul se poate orienta după vehiculul parcat după obstacol.

Parcarea în curbe este posibilă dacă aceasta curbă nu are un unghi foarte ascuțit, raza cercului formată de curbă este după utilizată pentru calcularea rutei de intrare în loc.

Parcarea în spații perpendiculare se va face similar cu cea laterală, sistemul va încerca centrarea vehiculului cât mai central în loc.

Asistența la frânare în timpul manevrării se va face prin intervenirea frânei daca viteza de parcare este depășită și dacă vehiculul va detecta un obstacol nedetectat anterior ce poate duce la o coliziune cu acesta.

Ieșirea dintr-un spațiu de parcare este posibilă utilizându-se 3 pași:

– Activarea asistenței de virare

– Măsurarea spațiului

– Ieșirea din loc folosind asistența de virare

a) Activare asistenței de virare se va face prin o apăsare a butonului de comandă sau 2 apăsări pentru anularea acestuia. Pentru intrare în funcțiune a asistenței, vehiculul trebuie să fi fost staționar după oprirea motorului. După apăsarea butonului o notificare va apărea în bord cu mesajul de activarea a semnalizării pentru ieșire.

b) Măsurarea spațiului se va face folosind doar 4 senzori iar distanța minimă la care sistemul va funcționa este aceia de 0.25 metri față-spate.

c) Ieșirea din loc se va face prin activarea semnalului de schimbare a direcției de mers și de acționarea a vitezei de mers cu spatele. Sistemul va prelua controlul vehiculului din acest punct.

Limitările sistemului sunt:

– Obstacole ce nu pot fi detectate de senzori din cauza formelor diferite ale acestora

– Murdăria acumulată pe senzori

– Apariția zăpezii sau a gheții pe drum

– Ploaie abundentă

Sistemul de monitorizare al unghiului mort

Sistemul de monitorizare al unghiului mort sau sistemul de asistență la schimbarea benzii de mers a apărut prima oara în anul 2003 pe un automobil marca Volvo și se folosesc de aceiași tehnologie radar. Rolul acestora este de a detecta prezența vehiculelor în colțurile din spate ale automobilului dotat cu acest sistem. Scopul acestuia este de a avertiza șoferul înaintea schimbării direcții de mers, de pe o bandă de circulație pe alta dacă există vehicule în unghiul mort. Studiile arată că 25% din accidente petrecute la schimbarea direcției de mers pot fi prevenite prin implementarea acestui sistem.

Sistemul are o acoperire de până la 180 de grade prin utilizarea a 2 senzori radar de detecție. Acești senzori monitorizează benzile de circulație din apropriere și pot determina dacă există obiecte precum vehicule, motociclete sau biciclete.

Spațiul sau unghiul în care conducătorul unui automobil este dificil de observat se află între viziunea periferică a șoferului și zona reflectată de oglinzile laterale. Acest spațiu poate acoperi cu ușurință un vehicul de clasă medie, ascunzând șoferului un pericol la schimbarea benzii de circulație

Figura 17.Exemplu de vehicule aflate în unghi mort.

Producătorii auto aleg să instaleze radare sau senzori cu calculatoare de viziune pentru a detecta vehiculele din unghiul mort.

Modul de funcționare al acestui sistem este următorul. Când un vehicul intră în zona de detecție, o notificare vizuală îi este afișată șoferului pe una dintre cele 2 oglinzi retrovizoare, în funcție de locația acestuia (banda stângă sau banda dreaptă). Unii producători de automobile aleg să poziționeze alertele vizuale pe stâlpii A ai autovehiculului. Alertele vizuale au culoarea galbenă sau portocalie și forma unui semn de exclamare aflat într-un triunghi. Unii producători aleg să utilizeze 4 leduri apropiate cu o aprindere a acestora în funcție de distanța vehiculului afla în unghiul mort (la depărtare doar un led aprins, la apropriere toate 4 ledurile). Camerele și senzorii de detecție sunt poziționați de obicei sub oglinzile retrovizoare sau în bara spate. Pentru o bună funcționalitate a sistemului, trebuie sa se asigure înainte de plecare că niciuna din camere nu este acoperită de murdărie, zăpadă sau gheață.

Sistemul de iluminare adaptivă

O problemă apărută la condusul pe timpul nopții apare atunci când o înclinarea a drumului sau un viraj scurt apare în față. Blocuri de lumini obișnuite nu pot face față în asemenea situații atunci când șoseaua este neiluminată sau există condiții rele de vreme. Aici intervine nevoia de un sistem de iluminare adaptivă. Acest sistem a fost montat pe mașinile de serie începând cu anul 2012.

Sistemul adaptiv de iluminare își pot trimite unda de lumină în direcția virajului pentru o mai bună vizionare a drumului pe timp de noapte. Acest sistem este foarte bine implementat și este gândit să nu orbească șoferii ce vin din sensul invers de mers la întâlnirea acestora într-un viraj. În timpul condusului cu sistemul activ, acesta își poate regla intensitatea luminilor ținând cont de vehiculele care se apropie din față. Senzorii sistemului măsoară viteza, unghiul de virare și înclinarea vehiculului într-un viraj pentru a detecta în ce direcție se îndreaptă acesta și daca există trafic în față pentru a modifica intensitatea luminii emanate.

La întâlnirea cu alt vechiul sistemul îndeplinește câțiva pași:

– Detectarea vehiculului ce se apropie din sensul opus

– Împărțirea în 2 raze luminoase a fasciculului luminos pentru a nu orbi șoferul din față – În momentul întâlnirii vehiculului din față cu raza luminoasă din stânga, aceasta i se va scădea intensitatea luminoasă pentru a avea un efect de orbire cât mai scurt de orbire asupra celuilalt participant la trafic

– După momentul trecerii vehiculului din față, intensitatea luminoasă va reveni înapoi la normal

Figura 18.Împărțirea a razelor luminoase la întâlnirea cu alt vehicul

Unele sisteme mai performante pot îndeplini funcții de reglare a undei luminoase pe verticală atunci când vehiculul urcă sau coboară pe o pantă.

Senzorii sunt direct legați la mici motorașe electrice din interiorul farurilor pentru a fi rotiți în timpul unui viraj la un unghi maxim de 15 grade. Dacă acest unghi nu este îndeajuns atunci se vor folosi luminile de ceață pentru manevrarea vehiculului la viteze mici.

Studiu de caz

Prezentarea soluției tehnice

Obiectul general al acestei lucrări îl reprezintă pricina întâmplărilor rutiere nefericite. Un proces foarte mare din accidentele cu daune materiale dar și pierderi de vieți pot fi evitate prim implementarea unor sisteme ca cel de mai jos. Prin implementarea unui astfel de sistem inteligent la bordul oricărui vehicul aflat pe drumurile publice putem face o diferență pozitivă în rapoartele de accidente rutiere de dinainte și după implementare. Modul de funcționare al acestui sistem se reduce la asistența unui șofer al unui automobil aflat într-o situație neprevăzută în trafic. Sistemul are rolul de a detecta următorul obiect din calea acestuia, fie automobil, pieton sau biciclist prin emiterea de unde ultrasonice și recepționarea acestora pentru detectarea vitezei și spațiului de siguranță până la următorul corp. Dacă sistemul descoperă că distanța minimă de siguranță a scăzut brusc, acesta are rolul de a avertiza atât sonor dar cât și vizual prin aprinderea unor martori de bord și afișarea unui mesaj variabil cu referire la distanța de până la un impact iminent.

Obiectivul specific la care a fost nevoită o concepere a unui sistem de acest fel o consideră nevoia de o mai bună controlare a vitezei de pe drumurile publice, acest mod este unul pasiv de control, un mod activ poate fi reprezentat de camerele de viteză sau radarele destinate pentru verificarea vehiculelor ce depășesc limita de viteză maximă admisă. Nevoia de a controlare a vitezelor de circulație este una esențială în vederea unei bune armonii în trafic, viteza fiind factorul principal ce duce la cauzarea de accidente rutiere.

Sistemul ales funcționează prin utilizarea unei plăcuțe cu circuite și a unui microcontroler de mare viteză, acest lucru este esențial în cazul unei situații de urgență, calculele distanțelor fiind făcute la ordinul milisecundelor. De exemplu importanța unei secunde la o viteză de aproximativ 100 km/h poate avea ca efect un o durată de parcurgere de 27 metri, ceea ce reprezintă o distanță enormă atunci când un autovehicul are nevoie de o asistență rapidă de alertarea și de frânare.

În figura de mai jos am afișat schema bloc de funcționare a sistemului propus și explicarea fiecărui bloc funcțional.

Figura 19.Schema bloc a sistemului propus.

1) Blocul de alimentare

Are rolul de a alimenta cu energie electrică sistemul propus prin utilizarea a 2 variante, prima se constituie de alimentarea din o interfață de tipul USB la o valoare nominală de 5 volți. Această alimentare se va face prin portul USB dispus de plăcuța Arduino, portul putând fi folosit și pentru comunicarea de date simultan. O a doua metodă o constituie alimentarea prin portul de alimentare integrat al plăcuței. Acest port poate fi alimentat de la o baterie de tipul 9V sau se poate folosi alimentarea direct din panoul de siguranțe al autovehiculului. Alimentarea prin portul dedicat dispune de un circuit de stabilizare tot integrat. Plăcuța Arduino putând fi alimentată la o tensiune de maximum 12V, tensiunea fiind divizată la tensiunea de lucru a acesteia de 5V. Alimentarea plăcuței va avea ca efect alimentarea sistemului de avertizarea sonoră și vizuală, alimentarea unității de calcul cu microcontroler dar și alimentarea sistemului de detecție ultrasonică.

2) Sistemul de avertizare sonoră

Acest sistem se folosește de un buzzer de tipul pasiv. Acționarea acestuia se face prin legarea pinilor acestuia la pinii de alimentare a plăcuței și prin trimiterea unui semnal de pornire de către microcontroler odată cu apropierea unui obiect de senzorul ultrasonic la o distanță mai mică de 20 de unități metrice. Odată cu această apropiere, microcontrolerul îi va comanda o acționare sonora la un interval de 900 ms pentru o avertizare sonoră de la o distanță cu un pericol relativ scăzut. Dacă corpul detectat se va apropia la o distanță de mai mică de 15 unități, buzzerul va primi comanda de acționare sonoră la fiecare 200 ms pentru o avertizare mai alertă cu referire la distanța până la impact. Iar la o apropiere de sub 5 unități, buzzerul va fi comandat la o acționare la fiecare 100 ms.

3) Sistemul de avertizare vizuală

Constă în afișarea unui mesaj variabil cu referire la distanța până la corpul ce urmează a fi lovit. Sistemul ales se folosește un lcd 2×16, cu 2 linii și 16 coloane în care se vor afișa mesajul de la pornirea acestuia și distanța măsurată de senzor în timp real. Actualizarea acestuia se va face la fiecare 300 ms, valoarea fiind în concordanță cu rata de primire a undelor de către senzor. Tot în sistemul de avertizare vizuală vor fi folosiți și 2 led-uri, unul verde și unul roșu, cel verde având rolul de afișare a funcționalității sistemului și de o continuă detectare a acestuia, iar led-ul roșu va fi folosit doar în cazul detectării unor obiecte la o distanță mai mică de 5 unități.

4) Senzorul ultrasonic pentru măsurarea distanțelor

Acest senzor folosește o frecvență de emitere a impulsurilor acustice de 40 kHz, frecvența fiind necesar de ridicată pentru a nu fi depistată de ureche umană și crearea unui disconfort. Pinul de trigger al acestui senzor va fi conectat la plăcuța Arduino și va fi comandat de microcontroler, datele de ieșire vor fi afișate pe ecranul lcd. Senzorul funcționează la tensiunea de 5 V și dispune de 2 canale de emisie-recepție.

5) Unitatea de calcul cu microcontroler

Are rolul de a citi instrucțiunile prescrise deja. Acest bloc de comandă execută instrucțiunile date în ordinea acestora. Mai întâi citește bibliotecile pe care dorim sa le utilizam, urmând o curățare a lcd-ului, și introducerea de condiții pentru detectarea și avertizarea obiectelor, în funcție de distanțele detectate de senzor, acesta va executa comenzile cu o viteză foarte mare și va afișa distanța pe lcd, va aprinde led-urile și va acționa buzzerul.

În continuare, voi afișa schema electrică a circuitului ales. Schema electrică va cuprinde toate elementele ce fac parte din acest ansamblu și conectarea acestora.

Schema Electrică a sistemului

Figura 20.Schema electrică generală a circuitului folosit.

Schema logică a sistemului

Figura 21.Schema logică a sistemului

Programul se va desfășura prin alimentarea plăcuței la energie electrică după care se va inițializa display-ul și se vor verifica funcționalitatea senzorilor, daca verificarea nu s-a făcut cu succes, atunci se va relua secvența de la început, iar dacă verificarea s-a făcut cu succes atunci se va trece la pasul următor unde se va încerca rularea programului, de acolo senzorul va detecta distanța iar daca această valoarea va fi mai mare de 20 atunci led-ul verde va rămâne aprins semnificând ce vehiculul se află într-o zonă sigură. Dacă distanța va avea o valoare între 15 și 20 de unități atunci atunci led-ul verde va sta aprins și se va aprinde semnalizare sonoră. Dacă distanța va avea o valoare între 15-10 atunci led-ul verde se va stinge și se va aprinde led-ul roșu în mod clipitor iar semnalizarea sonoră își va mări frecvența. Ultimul pas în schema logică este verificarea dacă distanța este mai mică decât valoarea 10, atunci led-ul roșu va sta aprins iar semnalizarea sonoră își va mări din nou frecvența. În caz contrar se va relua condiția de verificare mai mică sau mai mare de 20, programul folosind funcția de loop (buclă repetitivă).

Codul sursă al sistemului

1) Apelarea bibliotecilor, declararea pinilor pentru senzorul ultrasonic. Pinul Trig = Pinul 7, Pinul Echo = Pinul 6, și declararea pinilor de comunicare ai lcd-ului.

#include <LiquidCrystal.h>

#include <HCSR04.h>

UltraSonicDistanceSensor distanceSensor(7, 6);

LiquidCrystal lcd(13, 12, 11, 10, 9, 8);

2) Setarea pinilor de ieșire și asignarea valorilor acestora, Buzzer = 5, LED Roșu = 4, LED Verde = 3.

pinMode(5, OUTPUT);

pinMode(4, OUTPUT);

pinMode(3, OUTPUT);

3) Stabilirea vitezei de comunicare serială și stabilirea mărimii display-ului

Serial.begin(115200);

lcd.begin(16, 2);

4) Curățarea LCD-ului și afișarea mesajului de pornire

lcd.clear();

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print("Configurare");

delay(1000);

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print("sistem…");

delay(1000);

}

5) Afișarea distanței citită de senzor și setarea frecvenței de citire

void loop ()

{

lcd.clear();

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print(distanceSensor.measureDistanceCm());

delay(300);

6) Declararea condiției la o distanță mai mare de 20 de unități ( LED verde aprins)

if (distanceSensor.measureDistanceCm() > 20 )

{

digitalWrite(3, HIGH);

digitalWrite(4, LOW);

digitalWrite(5, LOW);

}

7) Declararea condiției pentru o distanță între 15-20 unități (LED verde aprins, avertizare sonoră)

if (distanceSensor.measureDistanceCm() > 15 && distanceSensor.measureDistanceCm() < 20 )

{

digitalWrite(3, HIGH);

digitalWrite(4, LOW);

digitalWrite(5, HIGH);

delay(900);

digitalWrite(5, LOW);

delay(900);

8) Declararea condiției pentru o distanță între 5 și 15 unități ( LED roșu clipitor, avertizare sonoră)

if (distanceSensor.measureDistanceCm() < 15 && distanceSensor.measureDistanceCm() > 5)

{

digitalWrite(3, LOW);

digitalWrite(4, HIGH);

digitalWrite(5, HIGH);

delay(200);

digitalWrite(4, LOW);

digitalWrite(5, LOW);

delay(200);

}

9) Declararea condiției pentru o distanță de sub 5 unități ( LED roșu aprins, avertizare sonoră alertă)

if (distanceSensor.measureDistanceCm() < 5)

{

digitalWrite(3, LOW);

digitalWrite(4, HIGH);

digitalWrite(5, HIGH);

delay(100);

digitalWrite(5, LOW);

delay(100);

}

}

Echipamente folosite din cadrul acestui sistem.

1) Plăcuța de dezvoltare Arduino uno.

Arduino reprezintă o platformă de dezvoltare de tipul open-source (nu necesită achiziționare de drepturi software pentru folosirea acesteia) cu un hardware și software intuitiv și ușor de folosit. Capabilitățile acestei plăcuțe cu circuite sunt nelimitate, cu ajutorul unor senzori cu prețuri mici se pot realiza diferite proiecte. Plăcuțele arduino funcționează prin intrări de impulsuri luminoase sau electrice, alternându-le și transformându-le în forme de semnal de ieșire. O plăcuță poate primi seturi de instrucțiuni prin trimiterea acestora la microcontrolerul al acesteia. Comunicarea om-mașină se face prin limbajul de programare Arduino, el fiind un limbaj de tip C simplificat pentru a ușura comunicarea și înțelegerea acestuia. Arduino este destinat tuturor vârstelor, începând cu studenți, pasionați, programatori și utilizatori profesioniști. Înainte de aceste plăcuțe de dezvoltare comunicarea cu un microcontroler sau cu un senzor se făcea doar în limbaj de asamblare, iar fiecare echipament necesita un tip de conexiune sau magistrală diferită. Arduino a simplificat enorm acest proces prin asamblarea unor componente astfel încât procesul de programare nu mai este rezervat doar specialiștilor din domeniu.

Arduino uno se bazează pe microcontrolerul ATmega328P ce folosește 14 pini digitali de intrare-ieșire, 6 pini de intrare analogici, un cristal cu quartz cu frecvența de 16 MHz, o conexiune cu USB și un header ICSP sau In-Circuit Serial Programming.

Avantajele acestui hardware sunt:

– Costul scăzut față de al altor platforme cu microcontroler, versiunea de bază are un preț de aproximativ 150 lei

– Funcționalitate între diverse sisteme de operare. Software-ul celor de la arduino funcționează pe sistemele majore de operare, Windows, Linux și MacOS.

– Un mediu de programare simplu. Softul utilizat de plăcuțele arduino este destinat programatorilor începători dar este și flexibil îndeajuns pentru profesioniști

– Un software open-source la care materialele ajutătoare de programare se pot găsi chiar și pe site-ul producătorului, software-ul bazându-se pe o variantă simplificată a limbajului C++ și utilizează librăriile acestuia

– Un hardware de tipul open-source ce permite adăugarea sau montarea a diferite module electronice achiziționate separat sau construite.

Figura 22.Prototipul folosit, Arduino uno

Componente Arduino uno:

a) Regulatorul de tensiune ce are rolul de stabiliza tensiunea de alimentare a plăcuței și mai are un rol de siguranță împotriva supraîncărcării de tensiune a acestuia. Plăcuța nu poate fi alimentată la mai mult de 20 V. Prin acest port plăcuța este conectată la un calculator prin interfața USB pentru schimbul de date

b) Circuitul integrat principal, reprezintă creierul efectiv al plăcuței Arduino și este realizat de compania Atmel, modelul ATMEGA328P. În cazul unei defectări al acestuia, poate fi schimbat cu ușurință datorită pinilor metalici.

c) Indicatorul de pornire cu LED, este aflat lângă sigla Uno și este constant aprins în momentul alimentării circuitului. Stingerea acestuia în timpul funcționării indică erori apărute de funcționare

d) Led-urile de transmisie-recepție sau TX și RX, TX reprezintă transmiterea datelor, iar RX primirea acestora. Aceste led-uri au rolul de a indica vizual de fiecare dată atunci când circuitul face un schimb de date cu exteriorul.

e) Butonul de reset, fiecare plăcuță are nevoie de acest buton pentru ștergerea erorilor apărute în timpul funcționării sau în timpul transportării acesteia (de exemplu mișcarea pinilor din poziție ce poate duce la un contact imperfect). Apăsarea acestui buton va face o conexiune între pinii de alimentare și împământarea plăcuței ducând la o resetare forțată a circuitului. Acest lucru este folositor atunci când codul introdus nu se repetă și se dorește o testare multiplă a acestuia.

f) Pinii plăcuței:

– Pinii GND sunt în număr de 3 și sunt necesari pentru împământarea proiectului

– Pinii de 5V și 3.3V au rolul de alimentare a circuitului propus cu tensiunea aferentă. Majoritatea proiectelor ce folosesc Arduino funcționează la tensiune de 5 sau 3.3V.

– Cei 6 pini analogici începând au pinul A0 și terminându-se cu pinul A5 au rolul de citire a semnalelor din senzori analogici și îi convertesc în valori digitale ce pot fi interpretate de microcontroler.

– Cei 13 pini digitali de la pinul 0 la pinul 13, pot fi utilizați pe post de pini de intrare în cazul utilizării senzorilor digitali sau pot fi folosiți pentru generarea unor semnale de ieșire pentru alimentarea LED-urilor.

– Pinii PWM 1, 3, 5, 6, 9, 10, 11. Acești pini pot fi folosiți precum pinii normali digitali sau pot fi folosiți pe post de pini Pulse-Width Modulation, ce pot stimula un semnal de ieșire analog.

– Pinii AREF sau Analog Reference (referință analogică). Pot fi folosiți de obicei pentru setarea unei tensiune de ieșire cu o limită maximă pentru pinii de intrare analogici. Această tensiune poate fi între 0 și 5 V.

2) Senzorul de distanță ultrasonic HC-SR04

Acest senzor se folosește de tehnologia sonară pentru determinarea distanței către un obiect. Senzorul dispune de o acuratețe foarte bună și o rază de detecție între 2 și 400 de cm, acest senzor funcționează foarte bine în prezența unor obiecte cu forme simple, ce ajută la reflectarea undelor sonore înapoi la acesta.

Caracteristici ale senzorului:

Tensiunea de funcționare – +5V C.C.

Amperajul de funcționare – 15mA

Unghiul de reflecție – 15 grade

Distanța de detecție – 2 cm-400 cm

Acuratețe de 0.3 cm

Unghiul de măsurare de 30 de grade

Dimensiuni 45 mm x 20 mm x 15 mm

Figura 23.Senzorul ultrasonic HC-SR04

Senzorul dispune de 4 pini de conectare a acestuia.

Pinul VCC este pinul prin care senzorul este alimentat la tensiunea nominală de 5V C.C.

Pinul Trig primește impulsul pentru începere a măsurării

Pinul Echo trimite semnalul de ieșire sau semnalul măsurat către plăcuța Arduino

Pinul GNG reprezintă împământarea acestuia

Valorile funcționare ale senzorului sunt următoarele:

Tensiunea de operare – între 4.5 și 5.5 V

Curentul de funcționare – între 10 și 20 mA

Valoarea curentului static – între 1.5 și 2.5 mA

Frecvența ultrasonică – 40 kHz

Modul de funcționare al senzorului

Pentru începerea măsurării distanței, pinul de Trig trebuie să primească un semnal de 5V pentru cel puțin 10us ce va duce la inițierea senzorului și la transmiterea acestuia a 8 cicluri la frecvența de 40kHz și va aștepta reflecția undelor. În momentul recepționării undelor emise, senzorul va seta pionul Echo la tensiunea de 5V și o întârziere de o perioadă în funcție de distanță parcursă de senzor. Pentru măsurarea distanței undelor parcurse se va implementa în algoritmul propus împărțirea acestei valori la 58 pentru distanța în centimetri. Sau se poate utiliza viteza sunetului de 340m/s

3) Ecranul LCD de tipul 1602

Ecranul este folosit pentru afișarea unor in formații vitale din cadrul proiectelor ce utilizează Arduino. Ecranul cuprinde 2 rânduri a câte 16 caractere pe fiecare rând. Aceste spații de pot fi folosite pentru afișarea unor caractere sau pentru prelucrarea pixelilor în vederea creării unor caractere individuale. Ecranul mai dispune de o lampă de iluminare a textului afișat.

Ecranul dispune de comunicare prin magistrala I2C ce poate controla vitezele de sincronizarea ale funcțiilor dispozitivelor necesare pentru sistemele cu mai multe host-uri.

Numele modelului reprezentând de fapt numărul de linii și coloane al acestuia, 2 linii și 16 coloane. De obicei acest tip de ecran poate fi folosit cu porturi paralele pentru conectarea a mai multor pini în paralel. LCD-ul poate fi conectat prin 8 porturi sau doar prin 4 dacă alți senzori sunt deja conectați la LCD.

Figura 24.Ecranul de tip LCD 1602

Porturile LCD-ului și rolul acestora

VSS – Conectarea la împământare

VDD – Conectarea la o sursă de 5V

V0 – Ajustarea intensității luminoase

RS – Pinul registrului ce controlează în ce memorie a LCD-ului este stocată informația afișată (pot fi alese 2 registre, unul de date ce conține informația afișată de pe ecran sau registrul de instrucțiuni unde sunt stocate instrucțiunile pentru microcontroler).

R/W – Reprezintă pinul de citire/scriere

E – Acest pin citește informația când un nivel de tip High 1 este primit

D0-D7 – Citere-scriere date

A – Controlează intensitatea luminoasă a LCD-ului și se conectează la 3.3 V

K – Controlează intensitatea luminoasă a LCD-ului și se conectează la împământare.

4) Piezo Buzzer-ul este un dispozitiv de emitere a unui semnal audio. Dispozitivul folosit este unul de tipul piezoelectric. Buzzerele se împart în 2 categorii, buzzeri activi și buzzeri pasivi.

5) Un led roșu, un led verde și cablurile pentru conectarea echipamentelor.

Prezentarea sistemului.

Figura 25.Sistemul propus.

Figura 26.Sistemul propus.

Situații ipotetice în care un sistem de avertizare se dovedește a fi folositor.

Situația 1.

Un autovehicul se deplasează pe un drum public. Șoferul acestui autovehicul dotat cu acest tip de sistem se îndreaptă spre o trecere de pietoni slab iluminată. Din cauza oboselii apărute asupra șoferului după o călătorie lungă, simțurile acestuia sunt reduse semnificativ în vederea detectării unui corp străin pa banda de mers înainte. Aici își face apariția cel mai probabil un copil ce urmărește o mingie aflată în șosea, copilul nu respectă regulile de trafic, sau asigurarea că poate trece peste trecerea de pietoni în siguranță. Aflându-se pe partea carosabilă, copilul se sperie și rămâne pe loc, șoferul neputând să se concentreze din cauza oboselii, este atenționat de sistemul de siguranță cu mesaje luminoase și sonore ce îl fac sa își îndrepte atenția spre drum și să ducă vehiculul la oprire în condiții de siguranță

Figura 27.Detecția unui pieton.

Situația 2

Un automobil circulă cu o viteză regulamentară și este depășit de un alt autovehicul. Autovehiculul din față oprește brusc la schimbarea culorii semaforului modificându-i distanța de frânare a șoferului din spate. Acesta nefiind pregătit pentru situația dată, are nevoie de un sistem de detecție ce îl avertizează că șoferul din față a frânat bruscă. Sistemul își face datoria prin avertizarea sonoră și luminoasă.

Figura 28.Avertizare vizuală la vehiculul oprit din față.

Concluzia

În concluzie, în primul capitol al acestui proiect a fost descrisă o scurtă analiză asupra situației accidentelor rutiere din România și o definiție a unui oraș inteligent, unde își poate face loc și acest sistem. În a doua parte a lucrării s-a vorbit despre caracteristicile ale senzorilor, traductoarelor și sistemelor de achiziții de date, aceste trei componente au un rol principal la baza fiecărui sistem. În partea a treia au fost exemplificate sistemele actuale de siguranță folosite pe automobile. În ultimul capitol a fost descris sistemul ce se dorește a fi implementat, atât și modul acestuia de funcționare. Nevoia de implementare a unui sistem de siguranță ce monitorizează constant viteza și obiectele din față nu a fost luată în considerare și pe autovehiculele de buget, ci doar pe cele cu un preț peste media puterii de cumpărare a utilizatorilor. Dar, cu acest sistem foarte util și cu cost de fabricație scăzut poate fi implementat standard în construcția oricărui autovehicul, pentru a ajuta la scăderea procentajului accidentelor rutiere cauzate strict de viteză. Accidentele cauzate de viteză fiind în continuare pe primul loc al cauzelor.

Dicționar explicativ de termeni și abrevieri

CAN – Controller Area Network

HOV – High Occupancy Vehicle

ITS – Intelligent Transport Systems

LCD – Liquid Crystal Display

MOV – Multiple Occupancy Vehicle

RPM – Rotații pe minut

uC – Microcontroler

USB – Universal Serial Bus

Bibliografie

Zaides, Emilian, Traductoare și senzori, Volumul 1, Anul 2002

Viespe Cristian, Senzori cu unde acustice de suprafață, Volumul 1, Anul 2010

Editura "Bibliotheca", Sisteme de conversie și achiziții de date, Anul 2005

Sergiu Caraman, Sisteme cu microprocesor pentru achiziția datelor și conducerea proceselor curs .

William B. Ribbens, Understanding Automotive Electronics, Anul 2012

Jason King, An Introduction To Data Acquisition, Anul 2010

Trevor Mellard, Automotive Electronic Systems, Anul 2007

Ian Sinclair, Sensors and Transducers, Anul 2000

Edward Ramsden, Hall-Effect Sensors: Theory and Application, Anul 2011

Marin Sandu, Adriana Sandu, Îndrumar în proiectarea senzorilor cu traductoare rezistive, Anul 2005

Dorian Samfiroiu, Monitorizarea mașinilor și aparatelor electrice utilizând sistemele de achiziții de date, Anul 2007

www.automation.ucv.ro

www.politiaromana.ro

www.electrochem.org

www.sciencelearn.org