Cadrul general și actualitatea temei [309098]

CAPITOLUL 1

INTRODUCERE

Cadrul general și actualitatea temei

Tema de doctorat „Sisteme moderne privind siguranța autovehiculelor” este propusă în cadrul domeniului de doctorat Inginerie Industrială. [anonimizat]. [anonimizat] a minimaliza probabilitatea apariției și consecințele accidentelor rutiere. Rata victimelor si a mortalității în țările dezvoltate este o consecință a perfecționării automobilelor și șoselelor. În 2009 o estimare arată că 1,2 [anonimizat], adică 25% [anonimizat] 35.000 de oameni au murit pe șoselele Uniunii Europene în anul 2009, [anonimizat] 1.500.000 au fost răniți. [anonimizat] 130 [anonimizat] o statistică a Comisiei Europe.

Fig. 1.1 Evoluția deceselor în Uniunea Europeană în perioada 1990-2010

[anonimizat]. Un astfel de comportament limitează evoluția tehnologiei de proiectare și construcție a mașinilor ducând la reducerea siguranței.

În lume există o tendință de creștere a numărului autovehiculelor aflate în circulație proporțional cu accidentele cauzate de aceste probleme. În Uniunea Europeană s-[anonimizat] a [anonimizat] 50% a numărului de accidente rutiere și victimele acestora până în anul 2020, aceste cifre sunt reprezentate grafic în figurile 1.1 si 1.2.

[anonimizat]:

factorul uman

starea drumurilor și condițiile meteo

starea tehnică a autoturismului.

Fig.1.2 Influența factorilor preponderenți în producerea de accidente rutiere

grave (A-condiții de trafic și starea drumului; B-factorul uman; C- starea

tehnică a autovehiculului)

[anonimizat], sistemele de siguranță au apărut încă din primii ani ai automobilului.

Prima victimă a fost o [anonimizat] 1896 aceata a [anonimizat], alfându-se într-o mașină cu aburi.

Istoria sistemelor de siguranță auto a început în 1901 [anonimizat], care era dotat cu o frână de picior ce punea presiune directă pe axul de transmisie. Se poate spune că frâna este primul sistem de siguranță auto folosit vreodată pe o mașină. [anonimizat], frâna de motor nu era suficientă pentru a reduce viteza vehiculului. [anonimizat] 1902, au apărut primele faruri care iluminau drumul, acestea de fapt erau niște lămpi caznice cu gaz pentru mersul pe timp de noapte, și tot cam atunci au fost instalate barele de protecție în față și în spatele autoturismului. Acestea din urmă au avut rolul de a proteja roțile mașinii care, fiind realizate din lemn, erau destul de fragile. O bară metalică montată în partea de jos în fața mașinii, îl ajuta pe șofer să observe obstacolele pe care le putea aborda.

După anii 1950 au apărut automobile care au revoluționat transporturile și au adunat laolaltă cele mai importante evoluții tehnologice, de proiectare și producție de la acea vreme, pentru a continua evoluția performanțelor sale. Între anii ‘70-‘80 subansamblele mecanice erau folosite cu predilecție în această industrie, lucru care nu se poate spune despre sistemele electronice, care erau folosite doar într-o pondere foarte scăzută, acest lucru se întâmpla chiar din cauza lipsei de încredere în aceste tehnologi aflate încă la început de drum.

Odată cu creșesterea numărului mașinilor pe străzi, America fiind locul în care s-a dezvoltat, la început, cel mai mult siguranța rutieră, au început să apară noi sisteme de confort și siguranță ale autovehiculelor, cum ar fii: în 1917 au apărut farurile cu fază lungă și fază scurtă; în 1919 frâna asistată, frâna hidraulică pentru toate cele 4 roți, geamuri securizate în 1930, centurile de siguranță și bordul căptușit cu materiale moi, iar în 1935 au fost folosite prima dată semnalizatoarele de dircție. Astfel crescând numărul de mașini a crescut proporțional și accidentele rutiere, atât din rândul pasagerilor, cât și al pietonilor.

Primele autorități de stat însarcinate cu siguranța rutieră au apărut în Statele Unite la începutul anilor 1930, iar în 1934, constructorul de autovehicule General Motors a realizat primul crash-test făcut vreodată.

Fig. 1.3 Afiș vechi educativ ”Nu parcați în locuri nepermise”

Următoarea perioadă a fost una firească, venise momentul în care existau destui ingineri care să facă inovații in acest domeniu, să facă cercetări felului cum apar accidentele si cum pot fi ele evitate. De exemplu în 1936 Hudson Terraplane era primul automobil ce era dotat cu un sistem de frânare de rezervă, în cazul în care ceda cel hidraulic. Modelul Tucker era prima mașină de serie care în 1947 avea bordul tapițat pentru potecția pasagerilor în caz de accident frontal, deasemenea avea butoane rotunde, mânere de cauciuc, faruri reglabile dependente de mișcările volanului, primea „cușcă” din țevi de oțel pentru rigidizarea caroseriei pentru potecția pasagerilor.

În 1949, marca suedeza Saab era primul automobil care era proiectat direct cu o celulă de protecție pentru toți pasagerii. În aceiași perioadă au urmat constrctorii americani care au dotat mașinile lor cu frâne cu discuri, înlocuid sistemul cu frânare prin tambur, centru de siguranță fixe, bare de protecție, mânere de prindere pentru pasageri și multe altele.

Națiunile Unite a întocmit un raport în anul 1958, care cerea standardizarea sistemelor de siguranță din autovehicule. Primele reguli impuse pentru protecția pasagerilor au fost obligativitatea instalării din fabrică a centurilor de siguranță și proiectarea caroserilor cu ranforsări pentru o rigidizare mai bună. Tot în anul 1958, suedezii de la Volvo inventează centura de siguranță prinsă în 3 puncte, două fiind fixe în partea de sus și jos a stâlpului dintre uși, iar celălalt punct era unul mobil care se fixa, după așezarea pe scaun al pasagerului, acest sistem fiind folosit, cu unlele îmbunătaățiri și astăzi. În 1964, în Statele Unite era obligatoriu ca mașinile comercializate în țară să fie dotate din serie cu centuri de siguranță cu prindere în două puncte pentru pasagerii din față, apoi din 1966 aceasta regulă era obligatorie pentru toți ocupanții mașinii. Tot atunci s-a introdus obligativitatea instalării luminilor albe în spatele autovehicului pentru mersul înapoi.

Fig. 1.4 Afiș vechi educativ ”Șoferi respectați viteza și distanța legală pentru a se evita grave accidente de circulație”

Tetiera a apărut prima dată la mașinile Ford în anul 1959, care a fost oferită ca opțiune pentru scaunele din față. Însă, în scurt timp, NHTSA (US National Highway Traffic Safety Administration), prima autoritate federală care standardiza siguranța rutieră. Acest lucru a fost standardizat în următoarea perioadă de către autoritatea NHTSA fiind obligatorie dotatrea autovehiculelor cu tetiere pentru scaunele frontale. Cei de la NHTSA în 1968 au întocmit o listă de norme și obligații aplicate siguranței rutiere pe care toate mașinile noi puse în vânzare trebuiau să le aibă: centuri în 3 puncte pentru scaunele din față, 6 semnalizări de direcție, două în față, două în spate și altele două pe lateral, coloană de direcție telescopicăc are se plia în cazul unei coliziuni frontale, tetiere pentru scaunele din față și multe altele.

Fig. 1.5 Afiș vechi educativ ”Pietonii au prioritate”

În 1973, modelul Toronado al fabricantului american Oldsmobile a fost prima mașină ce era dotată cu aibag opțional pentru șofer, însă germanii de la Mercedes-Benz au standardizat această opțiune și au oferit-o pe toată gama de modele câțiva ani mai târziu. În anul 1979 tot instituția americana NHTSA a început demararea testelor de impact asupra autovehiculelor.

În Europa instituția care se ocupă de reglementări și teste de siguranță se numește EuroNCAP și a început să fie autoritatea principală în acest domeniu din 1997. La începultul anilor 1980 au apărut primele legi prin care șoferii și ocupanții locurilor din față erau obligați să poarte în mers centura de siguranță. Numărul cerințelor privind siguranța automobilelor a început să crească într-un mod firesc astfel încât în Statele Unite autoturismele trebuiau să fie doatate din fabrică obligatoriu cu al treilea stop de frână cantral în spate, centuri cu prindere în 3 puncte și pentru pasagerii din spate, airbaguri pentru cei din față, frâne hidraulice, bare de protecție în portiere, etc.

În 1997, EuroNCAP a început să facă teste ample a fiecărui model scos pe piață a constructorilor europeni, lucru demarat cu doi ani mai repede de IIHS (Insurance Institute For Highway Safety) în America, însă după anul 2010 instituția europeană în acest domeniu a ajuns un reper de exigență de testelor auto în lume.

În ani '90 au apărut o mulțime de sisteme de siguranță electronice, care astazi sunt obligatorii prin legislație cum ar fii: sistemul de antiblocare al roților la frânarea puternică numit ABS, sau controlul stabilității în viraje, numit ESP și multe altele.

Cele mai importante sisteme de siguranță și când au aparut ele

1901 – prima mașină cu vitezometru, Oldsmobile

1902 – prima mașină cu frâne pe disc, Lanchester 12 Tonneau

1916 – prima mașină cu ștergătoare, Willys-Kinght

1917 – mașina cu faruri cu 2 faze, scurtă și lungă, Cadillac

1919 – prima mașină cu servo-frână, Hispano Souza H6

1928 – luneta degrivată, Studebaker

1936 – stropitoare pentru lichid de parbriz, Studebaker

1937 – Buick era prima mașină de serie prevăzută cu semnalizatoare de direcție

1949 – prima mașină cu centuri de siguranță, Nash Rambler

1954 – anvelope GoodYear tubeless – fără cameră, Packard Patrician

1955 – puntea cu diferențial de tip LSD, Studebaker

1966 – primul automobil cu ABS ca dotare opțională, Jensen FF

1973 – Oldsmobile Toronado era prima mașină din lume care oferea un airbag

1987 – sistem de control al tracțiunii, Mercedes-Benz S Classe

1987 – head-up display, Oldsmobile Cutlass Supreme

1991 – faruri cu tehnologie Xenon, BMW 750

1999 – sistem de vedere pe timp de noapte, Cadillac Deville

Fig. 1.6 Afiș vechi educativ ”Oprește, asigură-te, pornește”

În continuare se v-or enumera câteva curiozități și lucruri inedite din industria auto:

La început volanul nu exista, se folosea o manetă care direcționa roțile,

În 1897 s-a eliberat prima poliță de asigurare în Statele Unite, statul Massachusetts,

În 1903 s-au inventat ștergătoarele de parbriz de către o femeie pe nume Mary Anderson,

Primul radio de mașină a fost realizat în 1929,

În 1929 a fost instalat primul radio la bordul unui autoturism,

În 1948 constructorul american Preston Tucker a introdus pe automobilele sale geamul incasabil,

În 1980 s-a format cel mai mare ambuteiaj auto, a cărui coadă de mașini a ajuns la aproape 200 de kilometri,

Fig. 1.7 Automobil Peugeut, anul 1903

40 de milisecunde îi trebuie unui aibag să se deschidă,

Ferrari fabrică 14 mașini în fiecare zi,

Constructorul italian de autoturisme sport Ferrari are o productie de 14 autoturisme pe zi, acest lucru este pentru a menține exclusitivitatea mărcii,

În Hong-Kong sunt înregistrate cele mai multe Rolls-Royce-uri pe cap de locuitor,

Un șofer stă aproximativ 336 ore (2 săptămâni) din viață la semafor.

Scopul și obiectivele tezei de doctorat

Scopul principal al tezei de față este de a aduce contribuții la îmbunătățirea siguranței în trafic prin cercetarea și perfecționarea sistemelor de siguranță existente. În acest scop se propune dezvoltarea unui sistem inovativ pentru avertizarea participanților la trafic denumit Traffic Warning System (TWS), aceasta în primul rând, iar în al doilea rând, pentru a prezenta o caracterizare detaliată și închegată a sistemelor de siguranță și de comunicare existente.

TWS este un dispozitiv care semnalează prezența unor situații speciale în trafic precum prezența motocicliștilor, a accidentelor sau a vehiculelor de poliție sau salvare aflate în misiune, și alte astfel de evenimente imprevizibile. Rolul dispozitivului este sporirea vigilenței conducătorului auto prin transmiterea unor informații privind alte vehicule și situațile speciale. Pe piața de profil un asemenea sistem complex de avertizare și comunicare în trafic nu există. Date fiind problemele actuale de circulație rutieră, cu ajutorul prezentei dezvoltări a tehnologiei, este nevoie acută de un asemenea sistem de siguranță auto. În momentul de față, în alte domenii, sistemele informatice și electronice sunt superioare celor din siguranța auto, ceea ce implică nevoia de aducere la același stadiu de tehnologizare și a acestui domeniu. Pe lângă aceasta, este nevoie de o centralizare a funcționării tuturor sistemelor de avertizare existente în unul singur, complex și fiabil. O altă latură benefică a acestui sistem este cea socio-economică, deoarece urmărind reducerea incidenței evenimentelor rutiere implică și reducerea eventualelor costuri de service auto și a celor de asistență medicală rezultate.

Lucrarea de față tratează principalele aspecte legate de cercetarea, concepția și realizarea sistemului TWS. Astfel printr-o abordare sistematică se prezintă sistemul optic, pe care se bazează întreaga funcționare a dispozitivului.

Principalele obiective ale tezei de doctorat sunt:

Analiza principalelor sisteme de siguranță ale autovehiculelor,

Funcționarea sistemelor de siguranță active și pasive,

Direcții de dezvoltare ale sistemelor de siguranță,

Realizarea conceptului și prototipul dispozitivului TWS.

Testarea sistemului TWS.

Concluzii

Sistemele de siguranță în special sistemele de avertizare au rolul de a oferi informații suplimentare conducătorului auto despre mediul înconjurător și condițiile de trafic, dar accidentele sunt cauzate de o largă varietate de factori, prin urmare, îmbunătățirea securității și progresul siguranței auto pot fi realizate numai prin multiple strategii. În ultimele decenii multe programe, strategii de management orientate spre comportamentul sistemelor de siguranță, design de mediu și inovații tehnologice, au contribuit la reducerea ratei de decese și leziuni legate de accidente. Există, desigur, factorul uman, care joacă un rol major în toate strategiile de siguranță rutieră. În timp ce fabricanții auto nu pot împiedica eroarea umană, ei cu siguranță pot proiecta autoturisme mai sigure care încorporează o rețea complexă de dispozitive și sisteme, care sunt menite să sporească siguranța.

CAPITOLUL 2

CLASIFICAREA SISTEMELOR DE SIGURANȚĂ

Generalități despre sistemele de siguranță

Automobilele din ziua de azi au foarte multe sisteme de siguranță, majoritatea impuse de normele de fabricație. Acestea se împart în două mari categorii: active și pasive. Sistemele de siguranță active sunt toate acele mijloace prin care mașina ajută soferul să evite un accident, iar sistemele de siguranță pasive sunt mijloacele prin care mașina și pasagerii sunt protejați în cazul unui impact.

O parte dintre sistemele de siguranță auto ajută la evitarea accidentelor, precum ABS (Anti Blocking System), ESP (Electronic Stability Program), diverși senzori etc., iar altele fac pot salva viața în caz de accident, cum ar fi centurile de siguranță, airbargurile, tetierele, etc. Există o multitudine de sisteme de la fiecare constructor auto, făcute să îmnunătățească siguranța. Aici se încadrează toate sistemele electronice precum cel de control al stabilității, asistența la frânare, controlul tracțiunii, etc, sisteme care poartă denumiri diferite de la un producător la altul, adică ESP, ABS, etc.

Fig. 2.1 Tetiera activă

Pe lângă de aceste sisteme, care în cazul unui automobil de lux pot ajunge la un număr foarte mare, unde regăsim farurile adaptive, senzorii de parcare, pilot automat adaptiv, alertele pentru evitarea unui accident, sistemele de asistență ale condusului, camere video, sistemul care blochează pornirea motorului de către persoane în stare de ebrietate, etc.

Rolul sistemelor de siguranță active este acela de a ajuta cât mai mult șoferul să evite un accident. De aici vine si numele, pentru că „suma tuturor mijloacelor, metodelor și sistemelor care lucrează mereu pentru a ajuta ținuta de mers și șoferul se numesc sisteme active de siguranță”. Pe de altă parte asistemele de siguranță pasive sunt „acele sisteme care rămân pasive până în momentul în care devin active și devin active numai în cazul unei coliziuni.”

Un autoturism se bazează mai ales pe sistemele active, dar când aceastea dau eșuează sau șoferul provoacă un accident, intră în funcțiune sistemele pasive. În această categorie se pot enumera: centurile de siguranță, airbagurile, coloana de direcție retractabilă, tetierele, rollcage sau celula rigida, etc. Dar de asemnenea tot aici se pune accent pe felul în care este realizată caroseria, ca să absoarbă cât mai mult din șocul impactului. Mai exact, mașinile sunt testate pe standuri de testare unde trebuie să treacă de aceste examinări pentru a obține aprobarea de punere în Pentru o protecție maximă, nu trebuie să se pună bază doar pe airbaguri, trebuie să fie purtată și centura de siguranță. Dacă o mașină moderna are un accident, șansele ocupanților de a supraviețuire se dublează dacă ar purta centura de siguranță. În anii trecuți, autoturismele care erau dotate cu airbaguri, se dezactivau automat acțiunea lor dacă se percepea că pasagerii nu poartă centura de siguranță, pentru că dacă se activeau airbagurile frontale, iar ocupanții nu purtau centura, riscau să sfârșească cu traumatisme severe ale toracelui și zonei cervicale. În prezent, constructorii de autovehicule au renunțat la a combina cele două sisteme, încât airbagurile se declanșează chiar și dacă nu este purtată centura de siguranță, însă râmâne valavila afirmația că airbagurile vor funcționa eficient numai dacă se poartă centura de siguranță.

Urmează sa fie enumerate pe scurt care sunt categoriile de sisteme de siguranță, în funcție de ceea ce fac ele. În prezent, sistemele auto ce fac „viața mai ușoară” și au „grijă” de pasageri, se pot clasifica în 4 grupe mari:

sisteme de evitare a accidentelor

sisteme de asistență a șoferului

sisteme de protecție în caz de impact

sisteme de protecție post-impact

Toate aceste sisteme pot fi însă calsificate și drept active sau pasive.

Clasificarea sistemelor de siguranță după scopul urmărit

Sisteme pentru evitarea accidentelor

sistemul de frânare, de picior sau de urgență (frâna de mână)

oglinzile retrovizoare laterale si cea centrală

farurile și stopurile

stopurile de frână

semnalizările

anvelopele

Sisteme pentru asistarea șoferului

sistemele ABS care nu permit blocarea roților în caz de frânare puternică

sistemul de stabilizare electronic ESP, care ajută la păstrarea controlului autoturismului în caz de derapaj

sistem cu infra-roșu care permite afișarea pe un ecran a unor imagini captate pe timp de noapte

farurile adaptive

senzori de parcare și camere video de marșarier sau laterale și de parcare

asistență la schimbarea benzii în timpul mersului

asistență pentru unghiul mort

senzori de presiune în pneuri

controlul tracțiunii

pilot automat cu radar de viteză care păstrează constantă viteza sau frânează în funcție de mașina din față

distribuția automată a forței de frânare

sistem Pre-crash care controlează mai multe elemente în caz de risc de accident – asistență la frânarea de urgență, un sistem care mărește forța de apăsare a pedalei în caz de urgență

sistem de parcare automată, fără mâini pe volan, de gasire a unui spațiu optim de parcare sau alt sistem care contribuie la gararea mașinii în locul găsit de sistem.

Sisteme de siguranță în caz de impact

centura de siguranță

airbagurile

zone deformabile în caz de impact

piese colapsibile, cum ar fi coloana de direcție sau lonjeroanele

barele de protecție frontale, laterale și posterioare

celula de siguranță

geamuri rigide sau securizate

piloni pirotehnici în cazul mașinilor decapotabile

sisteme pentru protejarea pietonilor, cum ar fi airbagurile sau farurile din plastic moale.

Fig. 2.2 Airbagurile frontale ale unui autoturism

Clasificarea sistemelor de siguranță după modul de acțiune

Autoturismele moderne sunt dotate cu foarte multe sisteme de siguranță, majoritatea impuse de normele actuale de fabricație. Acestea se împart în doua categorii: active și pasive. Sistemele de siguranță pasive sunt toate acele mijloace prin care mașina și pasagerii sunt protejați în cazul unui impact.

Sisteme de siguranță activă

Toate aspectele care pot preveni producerea unor accidente fac parte din siguranța activă. Din categoria celor mai importante caracteristici de siguranță fac parte:

Stabilitatea de rulare – aceasta rezultă în urma concepției de realizare a mecanismului de rulare din punct de vedere al suspensiei și al stabilității în viraje. La acestea se adaugă precizia sistemului de direcție, puterea de frânare cât și stabilitatea la frânare.

Asigurarea confortului – descrie sarcina la care sunt expuși pasagerii ca urmare a vibrațiilor autovehiculului, a zgomotelor produse de mecanismul de rulare și de motor, precum și a influențelor de natură climatică. Toți factorii relevanți trebuie să fie cât mai reduși pentru a diminua sarcinile pentru conducătorul auto.

Fig. 2.3 Sistem Cruise Control – exemplu de siguranță activă

Siguranța în percepție – aceasta este îmbunătățită printr-o execuție corespunzătoare a sistemelor de iluminat ale autovehiculului, precum și prin condițiile de vizibilitate (vizibilitate de jur – împrejur, vizibilitate corespunzătoare în spate cu evitarea, pe cât posibil, a unghiurilor moarte).

Siguranța în utilizare – aceasta este asigurată de dispunerea corectă din punct de vedere logic a tuturor levierelor de manevră și întrerupătoarelor, de exemplu pentru sistemul de lumini, ștergătoarele de parbriz, instalația de climatizare sau radio. Elementele trebuie să permită o accesare corespunzătoare și optimă de pe locul conducătorului auto.

O siguranță activă ridicată evită situațiile de pericol, indiferent dacă acestea sunt exercitate din exterior, nefiind previzibile din punct de vedere al conducătorului auto, sau dacă și șoferul contribuie la producerea lor, de exemplu datorită neatenției.

În prezent, numeroase elemente de confort contribuie și la siguranța activă, un exemplu fiind reprezentat de senzorul de ploaie. Acesta ușurează activitatea conducătorului auto și oferă astfel un confort optim. În același timp, senzorul asigură o vizibilitate corespunzătoare în orice condiții și contribuie în acest mod la siguranța activă. Un alt exemplu este reprezentat de sistemul automat de climatizare. Prin reglarea plăcută a temperaturii în habitaclu se îmbunătățește confortul la bord. Pe de altă parte, sistemul evită scăderea capacității de concentrare. Testele demonstrează că, la o temperatură de 27 °C în habitaclu, în medie, conducătorul auto neglijează cu 6% mai multe semnale optice și acustice în comparație cu o temperatură de 21 °C.

Sisteme de siguranță pasivă

Siguranța pasivă reprezintă totalitatea măsurilor constructive destinate protecției pasagerilor împotriva rănirii, respectiv diminuării pericolelor de rănire. Termenul se referă în special la comportamentul în urma coliziunii (teste de impact) și are în vedere, suplimentar față de protecția proprie, și protecția altor participanți la trafic (protecția partenerilor). Din categoria celor mai importante caracteristici pentru siguranța pasivă specifice autovehiculelor moderne fac parte, suplimentar față de sistemul centurii de siguranță, airbag-urile, celula pasagerilor, „rezistență la deformare”, precum și zonele de deformare frontale și posterioare. Acestea asigură o reducere semnificativă a energiei de impact.

Fig. 2.4 Centura de siguranță – exemplu de siguranță pasivă

Siguranța auto pasivă poate fi definită prin cumulul de modalități de reducere a consecințelor accidentelor și poate fi împărțită în două categorii:

Siguranța exterioară – acest termen acoperind toate măsurile de reducere a severității vătămărilor în cazul coliziunii dintre autovehicule și pietoni, bicicliști sau motocicliști. Factorii care influențează siguranța exterioară sunt forma autovehiculului și comportamentul la deformare al caroseriei.

Siguranța interioară – prin aceasta urmărindu-se minimalizarea forțelor și accelerațiilor care acționează asupra ocupanților unui autovehicul în eventualitatea unui accident.

Dintre factorii care influențează siguranța interioară se pot aminti:

deformarea caroseriei autovehiculului

sistemele de reținere a pasagerilor și bagajelor

interiorul autovehiculului, prin zonele posibil de a fi lovite de pasageri

sistemul de direcție

modul de fixare a parbrizului

protecția împotriva incendiilor.

Automobilul modern ca sistem mecatronic

Dezvoltarea microelectronicii, adică circuitele integrate logice și analogice, circuite integrate de tere, procesoare numerice (microprocesoare, microcontrollere, DSP-uri – Digital Signal Processing), sisteme de acționare performante, realizarea a unor tipuri noi de senzori etc., au deschis perspective pentru rezolvarea unor cerințe acute legate de:

siguranța în trafic;

economicitate;

fiabilitate;

confort;

protecția mediului.

Într-un automobil modern de clasă medie se găsesc între 70 și 80 de motoare și senzori, precum se poate observa în figura 2.5. Ca exemplu, Volkswagenul „Broscuță” construit imediat dupa cel de al doilea război mondial care avea 136 W putere maximă consumată și 150 de metrri de cabluri electrice și cam 80 de contacte electrice, comparat cu modelul nou numit „New Beetle” din epoca modernă care are un consum de 2.050 W, 1500 de metri de cabluri și 1.200 contacte electrice

Fig. 2.5 Componente electrice și electronice într-un automobil

În construcția automobilelor moderne își găsesc tot mai tare locul sisteme mecatronice (pentru managementul motorului, ABS, ESP, suspensie activă etc.), pentru ca până la urmă, întreg automobilul să fie transformat într-unul ansamblu de sisteme mecatronice (prin interconectarea subsistemelor cu magistrale adecvate – de exemplu, CAN-Bus, sisteme de navigație, X-by Wire, telematică etc.).

Foarte multe eforturi ale proiectanților și constructorilor de vehicule sunt îndreptate spre scopul creșterii siguranței și confortului pasagerilor de folosesc toto mai multe subsisteme mecatronice sofisticate.

Sistemele de securitate, active sau pasive, au câteva roluri foarte importante atât pentru pasagerii vehiculului, cât și pentru pietonii implicați în accident:

evitarea eficientă a coliziunilor,

minimizarea efectelor coliziunilor

evitarea traumatismelor.

Tendințe în dezvoltării sistemelor de comunicații între vehicule

Mașinile care comunica între ele, vorbesc cu pasagerii lor sau salvează vieți au devenit in ultima vreme o realitate. Într-un accident importanța unui microcip poate fi la fel de important ca un airbag.

Sistemul de control al stabilității (ESP) a devenit obligatoriu încă din 2012 pentru autoturismele vândute în Uniunea Europeană, estimându-se astfel o reducere a numărului de decese anuale cu 10.000 de victime. Acest sistem, denumit ESP, fiind creat nu pentru a salva vieți în urma unui accident, ci pentru a preveni accidentele. Producători precum Ford sau Mercedes-Benz au declarat acum câțiva ani că tehnologia nu o sa preia niciodată comanda volanului din mâinile șoferului, lucru care deja este contrazis de noile tehnologii apărute. Firmele au dezvoltat un sistem foarte bine pus la punct de recunoaștere a stăzilor, decorolui și obstacolelor, anunțând prin semnale luminoase și sonore atunci când un sistem electronic este pe cale să intre în funcțiune. Mulți producatori au comnicat deja că până în 2020 o sa facă mașina care se poate conduce singură în proporție de 100%.

S-a realizat, de curând, un test pentru determinarea celor mai bune sisteme electronice ce pot conduce la evitarea unor dezastre în trafic. Producătorii auto sunt de părere că un calculator paote mări simțitor șansele evitării unei coliziuni.

Sistemul ESP include mai multe subsisteme complexe: ABS (Anti-locking Brake System), EBD (Electronic Force Brake Distribution), TCS (Traction Control System), AYC (Active Yaw Control), așadar electronica are un rol tot mai important în dezvolatrea unui vehicul.

Conceptul de comincare wireless automată între mașini nu este o noutate, el fiind discutat și implementat în diferite concepte în ultimii ani. Noutatea este constituită însă de faptul că el va fi impus în curând ca standard, de către administrația americană. Însă până în prezent nu s-a trecut de la stadiul de discuție, la realitate.

General Motors (GM) plănuiește producerea de serie a automobilelor autonome, pe care îl va face în următorii ani. Americanii de la GM lucrează la introducerea pe modele de serie a unor tehnologii care să permită comunicarea wireless între mașini. Primul automobil care va beneficia de acest sistem inovator este Cadillac CTS Sedan. În 2017 sistemul va fi instalat în serie pe toate mașinile respective. Sistemul va permite mașinii să comunice cu alte mașini aflate în trafic, care au aceeași tehnologie și va calcula diverși parametri cum ar fi viteza de deplasare, distanța față de vehiculele din jur sau chiar traiectoria. Sistemul va alerta șoferul asupra situațiilor potențial periculoase, însă nu va iniția nici o altă acțiune. Cel puțin acesta este planul în prezent.

Fig. 2.6 Cadillac CTS Sedan – model care beneficiaza de comunica wieless

De altfel, președintele GM, Mary Barra declară că mașinile complet autonome vor putea intra în trafic peste cel puțin zece ani și nu mai devreme, chiar dacă testele Google cu propriul model autonom sunt destul de avansate. Președintele Barra atrage atenția asupra faptului că tehnologiile trebuie armonizate printr-o colaborare eficientă între prducători. În caz contrar, modelele Cadillac CTS din 2017 echipate cu acest sistem de comunicare nu vor putea schimba informații decât eventual între ele. Un alt sistem pe care General Motors îl va introduce în decurs de doi ani este un cruise-control inteligent, care, pe lângă menținerea vitezei în funcție de trafic, va păstra direcția pe autostradă complet automat. Deși aflate încă la început, sistemele inteligente de comunicare între mașini constituie o preocupare importantă a celor din lumea auto și sunt considerate a fi un element important din viitorul industriei auto.

Firmele de aparatură electronică și respectiv constructoare de camioane, Ericsson și Scania au anunțat la Congresul Mobile World din Barcelona din 2016 că fac împreună cercetări pentru accelerarea procesului de conectivitate a vehiculelor comerciale și a infrastructurii.

Fig. 2.7 Camioane Scania rulând în convoi datorită sistemului de comunicare

vehicul-vehicul

Iinginerii sunt convinși că evoluția tehnologiilor de comunicare și implementarea rețelelor 5G vor facilita transporturile de persoane și de marfă. „Discutăm de ceva timp despre introducerea comunicațiilor între vehicul-vehicul și vehicul-infrastructură iar acum aceasta chiar se realizează. Acum există șanse reale pentru o comunicare fiabilă prin rețelele mobile”, spune Håkan Schildt, Director Strategy and Business Development al diviziei Scania Connected Services & Solutions.

Standardizarea tehnologiei de transmitere a datelor 5G au dus la dezvoltarea comunicațiilor între vehicul-vehicul folosind rețelele mobile și în același timp la minimizarea riscului de imprevizibilitate și latență. Scania a inițiat conceptul de mers în convoi pentru camioane și astfel se reduce rezistența vântului și consumul de carburant.

În prezent, legislația permite mersul camioanelor în coloană, la o distanță de siguranță unul de altul, care folosesc sisteme comune precum radarul și autopilotul. Cu toate acestea, o distanță și mai mică între vehicule, pentru o reducere și mai mare a consumului de carburant, necesită comunicații vehicul-vehicul și sisteme de control interconectate.

Cercetarea realizată de Ericsson și Scania a demonstrat că acum pot fi stabilite comunicații fiabile folosind rețelele mobile 4G și în viitor 5G. Comunicațiile între vehicul-infrastructură sunt o inițiere pentru mersul în convoi la nivelul întregului sistem în plănuirea și organizarea formațiilor și despărțirea convoaielor în funcție de rută și de program. Camioanele pot astfel să se alăture sau să părăsească plutoanele într-o manieră sigură.

„Suntem convinși că aceaste tipuri de comunicații, vehicul-vehicul, vor fi implementate de toate tipurile de operatori de transport datorită beneficiilor imense pe care le aduc”, spune Claes Herlitz, Director Automotive la Ericsson.

„Datorită numărului ridicat de pasageri și al cheltuielilor de transport, comunicațiile pot contribui la o eficiență logistică ridicată și la reducerea impactului asupra mediului.” Evoluția tehnologică salvează vieți, ajută la economisirea carburantului și permite dotări noi și accesibile, chiar și pentru mașinile cu valoare medie de achiziție. Camerele video auto devin o opțiune tot mai des utulizată și mai ieftină, fiind adaptate de producători diverselor zone ale mașinii. Honda are camere laterale care intră în funcțiune automat atunci când mașina efectuează un viraj, astfel incât șoferul să observe obstacolele când se află în curbă.

Anumite modele Nissan sunt dotate cu un monitor panoramic care îmbină imaginile preluate de 4 camere încastrate în oglinzi și alte zone din jurul masinii. Volvo, Subaru și Mercedes au camere montate în partea frontală care pot activa frâna, pentru evitarea accidentarii pietonilor.

Designerii de automobile încep sa fie mult mai flexibili și în conceperea și amplasarea farurilor, de când LED-urile sau diodele emitente de lumină permit mai multă luminozitate în spatii mai mici. Mulți constructori auto au implementat așa-zisele faruri adaptive, care se rotesc în funcție de direcția mașinii, astfel incât șoferul să poată observa obstacolele aflate în diverse unghiuri când efectuează un viraj. Multe modele, precum Ford Fusion, au acum faruri care percep prin senzori traficul frontal și emană automat o lumină mai difuză.

Concluzii Capitol 2

Sistemele de siguranță ale automobilelor au evoluat semnificativ în ultimii ani. Aceste evoluții vor continua și chiar se vor accelera în anii care vin. Optimizarea acestor sisteme va continua în domeniul comunicării între autovehicule cât și in alte ramuri ale siguranței auto. Creșterea performanțelor și reducerea costurilor în domeniul electronicii permit deja răspândirea largă a sistemelor de comunicații cum ar fi sistemele de genul „car-to-car communication”. Este foarte posibil condusul autovehicului să devină automat în totalitate, mulți constructori auto promițând această funcție până în anul 2020.

Siguranța în trafic a celor din interiorul atovehiculului este așadar, după cum a fost prezentat în acest capitol, asigurată prin multipli factori. Dar se simte într-o oarecare măsură lipsa sistemelor de prevenție a accidentelor, sistemele ce aduc în atenția conducătorului auto eventualele cauze de risc sau solicitări imperative de a ceda prioritatea maximă autovehicolelor speciale, cum ar fi mașinile de intervenție sau de poliție

Participanții la trafic pot gestiona mult mai eficient eventuale situații de criză dacă au o vedere de ansamblu asupra situației din trafic și respectiv, în situațiile cu risc ridicat de accidente să fie semnalată imediat prezența acestora în aria de manevră și implicit fiecare vehicol aflat în situație de criză să își semnalizeze prezența.

CAPITOLUL 3

MODURI DE FUNCȚIONARE ȘI METODE DE TESTARE ALE SISTEMELOR DE SIGURANȚĂ AUTO

Clasificarea sistemelor de siguranță activă

Sistemele de siguranță activă contribuie, împreună cu elementele de siguranță pasivă la protecția optimă a tuturor pasagerilor autovehiculului. În continuare se prezintă o listă cu cele mai noi dar și cele mai bune sisteme electronice de siguranță ce pot conduce la evitarea unei catastrofe.

ABS – Sistem de antiblocare a roților la frânare

(Anti-lock Braking System)

Chiar și o scurtă apăsare a pedalei de frâna poate cauza blocarea roților autovehiculului, chiar și pe un carosabil uscat. Roțile blocate nu pot reacționa la forțe laterale și în consecință autovehiculul nu poate vira în timp ce frânează.

ABS-ul recunoaște tendința uneia sau mai multor roți de a se bloca și menține constantă sau reduce presiunea de frânare și astfel roțile nu se blochează. Vehiculul rămâne manevrabil în timpul frânării, iar șoferul poate alege traiectoria dorită.

Fig. 3.1 Semnul indicator pentru sistemul ABS

Principalele componente ale unui sistem ABS sunt:

agregatul hidraulic ABS, format din unitatea hidraulică ce intervine asupra forțelor de frânare și unitatea de comandă dotată cu microprocesor

senzori de turație ce monitorizează viteza de rotație a fiecărei roți.

Atunci când este acționată frâna, pompa de frână și amplificatorul servo crează presiunea de frânare necesară. Unitatea de comandă, ce monitorizează permanent situația sistemului de frânare și a senzorilor de rotație, intervine dacă sesizează tendința de blocare a uneia sau mai multor roți, reglând presiunea independent pe fiecare roată.

Principiul de funcționare este simplu și eficient. Fiecare senzor monitorizează câte o roată și când sesizeaza că aceasta nu se mai învârte, trimite semnal la calculator, care slăbește strângerea pe care o exercită placuțele de frână asupra discului sau tamburului, permițând roții să se învârtă și astfel, sa-și păstreze aderența, după care, când sesizează din nou mișcare, plăcuțele se strâng din nou pe disc sau tambur, frânând roata. Dacă senzorul sesizează din nou blocarea roții se reia procesul. După cum se vede, procesul este unul pulsatoriu, iar pe anumite intervale de timp pulsațiile sunt neregulate. Fiecare etrier de frână este comandat hidraulic printr-o conductă separată care vine din unitatea centrală de control. Având câte un senzor pe fiecare roată și fiecare roată fiind comandată separat, atunci, oricare roată este controlată individual și poate avea comportament diferit. Sistemul fucționează astfel: la apăsarea pedalei de frână se acționează în mod direct asupra etrierului și începe procesul de frânare. În funcție de informațiile primite de la senzori, electrovalvele blochează conductele de frânare și nu mai permit lichidului să circule către etrier, în acest fel etrierul nu mai este sub presiune și sistemul se deblochează. Odată cu blocarea conductei de alimentare a etrierului, se deblocheaza un circuit de retur al lichidului. Totul se întâmplă la nivel de unitate centrală și este controlat automat de computer în funcție de: forța de apăsare a pedalei de frână, de cât timp este menținută pedala de frână apăsată și de informațiile primite de la senzori sau de la alte sisteme ale mașinii.

La sistemele de generație mai nouă un parametru important de care ține seama computerul de ABS este viteza cu care se apasă pedala de frână. În felul acesta el sesizează situațiile de urgență și atunci când viteza de apasare a pedalei este mare computerul menține și mărește presiunea în instalația de frânare pentru o perioadă, chiar dacă s-a luat piciorul de pe frână. Acesta este sistemul BAS (Brake Assistant System) – în traducere Sistem de Asistare la Frânarea de Urgență.

Senzorul de turație este alcătuit dintr-un magnet  permanent și o bobină. Aceasta este conectata la unitatea de control. Senzorul de turație lucrează după principiul unui generator, adică atunci când roata de semnal (cu dinți) se rotește prin față senzorului, în bobină se generează o tensiune alternativă sinusoidală. Frecvența este dependentă de viteza roții. Unitatea de control convertește semnalul sinusoidal al senzorului și calculează viteza momentană a roții.

Distanța dintre roata de impuls și senzorul de turație are o mare semnificație pentru funcționarea ABS-ului. În timpul deplasării, jocul rulmentului și “deplasarea” suspensiei determină o ușoară mișcare a senzorului de turație. Dimensiunea spațiului se modifică. De aceea este important de controlat, la montare, acest spațiu după specificațiile din documentația de reparație. Dacă există un spațiu prea mare, calculatorul intrerupe reglajul pentru roata respectivă. De asemenea, murdăria ce intră în golurile dintre dinții roții de impuls, poate genera defecte în sistemul ABS.

Frânarea cu ABS

Șoferul recunoaște pericolul și frânează.

Șoferul îcearcă să vireze pentru a evita autovehiculul care stationează.

Autovehiculul virează și reusește să oprească, evitând accidentul.

Fig. 3.2 Frânarea cu ABS

Frânarea fără ABS

Șoferul frânează și roțile din față se blochează.

Șoferul îcearcă să oprească dar vehiculul se despasează înainte.

Autovehiculul nu reacționează la rotirea volanului și derapează.

Fig. 3.3 Frânarea fără ABS

Frânarea cu ABS pe carosabil alunecos

Șoferul frânează și ABS-ul recunoaște tendința roților din dreapta de a se bloca.

ABS-ul împiedică blocarea roților.

Autovehiculul rămâne pe banda și oprește în siguranță.

Fig. 3.4 Frânarea cu ABS pe carosabil alunecos

Frânarea fără ABS pe carosabil alunecos

Șoferul frânează și roțile de pe partea dreaptă se blochează.

Șoferul încearcă să evite deraparea.

Autovehiculul nu reacționează la rotirea volanului și derapează.

Fig. 3.5 Frânarea fără ABS pe carosabil alunecos

La un autovehicul echipat cu ABS, pentru a obține eficiență de frânare maximă, este necesară o apăsare fermă și constantă asupra pedalei de frână, fără “pomparea” acesteia.

ESP – Sistemul de control electronic al stabilității

(Electronic Stability Control )

Unul dintre cele mai importante sisteme de siguranță din domeniul auto, cunoscut de cei mai mulți sub numele de ESP, devine din ce în ce mai mult o obișnuință a mașinilor zilelor noastre, dar prețul încă mare și lipsa informațiilor pentru marele public fac ca răspândirea sistemului să nu fie semnificativă. Chiar dacă piloții și amatorii de curse auto urăsc acest sistem, el s-a dovedit a fi vital, numărul accidentelor evitate datorită funcționarii ESP fiind extrem de mare.

Denumirea tehnică a sistemului este ESC, adică Electronic Stability Control, denumire ce sugerează destul de bine utilitatea sa. Faptul că cele mai multe astfel de sisteme instalate pe autovehicule sunt fabricate de firma germană Bosch a determinat însă popularizarea sa sub numele ESP, cel pe care producătorul de dispozitive electronice auto l-a instituit încă din 1987, când a început să-l dezvolte alături de Mercedes-Benz.

Fig. 3.6 Semnul indicator pentru sistemul ESP

Mercedes a creat și patentat încă din 1959 un dispozitiv care împiedica pierderea tracțiunii roților, prin acționarea asupra frânelor sau motorului. Și BMW a creat cam în aceeași perioadă un sistem de control al tracțiunii care avea același rol. Din punctul de vedere al echipării modelelor de serie, putem vorbi despre o nouă similitudine, anul 1992 fiind cel în care atât Mercedes, cât și BMW au introdus ESP-ul, ambele fiind realizate cu ajutorul companiei Robert Bosch GmbH, cea care si-a înregistrat marca ESP. De altfel, în 1995 Bosch a creat primul ESP complet, pus la dispoziția producătorilor de autovehicule.

Electronic Stability Control este de fapt un sistem destul de inteligent, care lucrează însă integrat cu dispozitivele electronice computerizate ce controlează un automobil. Respectând legile ciberneticii, ESC-ul folosește ca surse de informații o serie de senzori amplasați pe diferite componente dinamice ale unui vehicul. În acest fel, în fiecare moment sunt cunoscute viteza de rotație a fiecărei roti, direcția imprimată de volan și măsura în care caroseria mașinii respectă întocmai această direcție.

Fig. 3.7 Componentele sistemului ESP

Pentru componenta de tracțiune există și sisteme mai simple care doar împiedică una sau mai multe roți să derapeze. Un ESC integrat va verifica nu doar diferențele dintre viteza unghiulară a roților, ci și deplasarea laterală a mașinii. Timpul de răspuns este de obicei de ordinul milisecundelor, astfel că intervenția poate fi considerată destul de promptă. Numai pentru tracțiune, acțiunea se rezumă la împiedicarea roții/roților care patinează să se mai învârtă, astfel fiind posibil un control al direcției, similar cu ceea ce face un ABS la frânare. În cazul ESC, în clipa în care se constată derapajul mașinii, sistemul procesează informațiile și acționează acolo unde trebuie: frânele intervin pe una sau mai multe roți, individual, pentru a corecta traiectoria, iar motorul este împiedicat să mai genereze cuplu, eliminându-se astfel forțele care au generat deplasarea.

De exemplu, dacă roțile din față încep să derapeze în timpul virajului, producând ceea ce numim subvirare (deplasarea către exteriorul curbei), ESC frânează roata din spate de pe interior, astfel că traiectoria se corectează. Dacă derapează roțile din spate, adică mașina supravirează (începe să se răsucească spre interiorul curbei), ESC frânează roata din față din exterior, ajustând traiectoria. De fiecare dată accelerația este redusă automat până la atingerea scopului. Simultan, la bordul vehiculului se aprinde intermitent becul corespunzător ESC, care avertizează șoferul că sistemul se află în plin proces de funcționare.

Fig. 3.8 Componentul autovehicului cu și fără ESC

Aproape orice vehicul dotat cu ESC permite decuplarea acestuia de la un buton, becul-martor fiind aprins în acest caz permanent. Decuplarea ESC este utilă, de exemplu, în cazul vehiculelor 4×4 care au de depășit un obstacol dificil, funcționarea sistemului fiind de natură să reducă puterea motorului și să împiedice deplasarea. Suprafețele pe care poate fi observată cu ușurință intervenția sistemului de control al stabilității sunt asfaltul ud și zăpada/gheata.

În ultimii ani, toți producătorii si-au achiziționat sau creat propriile sisteme de control al stabilității, denumirile acestora diferind de la o marcă la alta. Uneori și funcționarea și eficiența lor diferă, însă existența unui astfel de sistem pe mașină este mult mai importantă pentru siguranța pasagerilor decât numele sub care este comercializat. Costul unui ESC poate afecta prețul final al mașinii, fiind situat între 500-600 euro și chiar 1.000-1.500 euro, însă poate fi considerat o investiție mult mai importantă decât cea pentru aerul condiționat automat sau pentru o vopsea metalizată.

Comisia Uiunii Europene a anunțat intenția de a impune folosirea obligatorie a sistemului de stabilitate începând cu 2011, în timp ce în SUA a fost deja adoptată o lege care prevede că includerea ESP în dotarea standard a tuturor autoturismelor este obligatorie începând cu anul de fabricație 2012.

Aceste decizii nu sunt întamplătoare, având în vedere că studiile asupra accidentelor rutiere demonstrează că cel puțin 40% din totalul celor soldate cu decese sunt cauzate de deraparea autovehiculelor și, mai mult, aproximativ 80% din totalul acestor accidente ar fi putut fi evitate prin utilizarea sistemului ESP. Potrivit cercetătorilor de la Universitatea din Köln, în Europa ar fi putut fi evitate în 2007, prin folosirea pe scară largă a ESP, un număr de 4.000 de decese și 100.000 de răniți. Autoritatea rutieră a SUA, NHTSA, apreciază că prin folosirea ESP s-ar putea evita 10.000 de decese pe șoselele SUA.

Organizația Euro NCAP a emis chiar o recomandare insistentă pentru achiziționarea de autoturisme echipate cu ESC, reprezentanții acestei organizații având cifre exacte despre eficiența sistemelor de siguranță. Corespondenta din Australia, ANCAP, chiar a anunțat că nu va mai acorda 5 stele decât autoturismelor echipate cu ESC.

Sistemul de avertizare împotriva coliziunilor frontale

Acest sistem utilizează un radar ce atenționează șoferul atunci când acesta se afla în pericolul de a lovi pe cineva. Sistemul avertizează audio și vizual șoferul și acționează automat frânarea.

ESP este un sistem care ar fi putut evita multe dintre cele 2 milioane de accidente frontale realizate între 2004-2006, aceste accidente fiind întâlnite în 40% dintre cazuri anuale.

Fig. 3.9 Autovehicol detectând aproprierea de alt autovehicul (Adaptiv Cruise-Control)

Asistența la frânarea de urgență

Asistența la frânarea de urgență se adresează șoferilor ce văd pericolul și frânează brusc însă nu reușesc să oprească la timp pentru a evita coliziunea. Studiile realizate de producători arată că majoritatea șoferilor nu apăsa la maxim frâna în timpul opririi de urgență.

Fig. 3.10 Autovehicul frânând automat echipat cu sistemul de asistență la frânare

Sistemul de asistență la frânarea de urgență detectează acest tip de frânare, chiar și atunci când un șofer ridică brusc piciorul de pe accelerație, și mută pedala de frână în poziția de la care începe o frânare eficientă, dar acționează și frânarea în poziția maximă atunci când începe frânarea șoferului.

Peste 257.000 de accidente s-au înregistrat între 2004 și 2006. Anual 857 de accidente se dovedesc a fi fatale din cauza frânării de urgență urmată de coliziune. Dacă acest sistem ar fi implementat la majoritatea mașinilor, numărul accidentelor grave ar fi micșorat semnificativ.

Sistemul de avertizare pentru depășirea benzii de mers

Acest sistem folosește camere montate în mașină, care determină dacă mașina părăsește banda de mers, calculând și poziția volanului, pentru a determina dacă această manevră este intenționată sau nu. Dacă determină că depășirea benzilor de mers este una involuntară, sistemul avertizează șoferul prin vibrații în volan cât și prin sistemul audio. Unele sisteme, precum cel de pe Infiniti EX35, și nu numai, poate acționa frânarea pe o singură parte a autoturismului pentru a-l repoziționa pe traseul inițial.

Prima măsură împotriva celor care părăsesc benzile de mers involuntar a fost montarea marcajelor rezonatoare, care te avertizează atunci când roata trece peste ele. S-a determinat astfel că accidentele cauzate de părăsirea involuntară a benzii de mers au scăzut cu 25 – 30%. Efecte similare sunt așteptate și din partea acestui sistem.

Fig. 3.11 Autovehicul depășind marcajul drumului

Sistemul ce detectează obiectele aflate în punctul mort

Acest sistem avertizează șoferul dacă un obiect se află în unghiul său mort prin aprinderea unui led pe oglinda retrovizoare laterală. Astfel, șoferul văzând becul aprins nu mai este nevoit să-și mute privirea de la traseu pentru a verifica prezența unei mașini în unghiul mort. Avertizările mai pot fi audio sau video.

Fig. 3.12 Indicatorul sistemului de detectare a obiectelor aflate în unghiul mort

Este un sistem de avertizare dezvoltat de cei de la Volvo și implementat pe modelul S80, intrând în funcțiune atât la plecarea de pe loc cât și în trafic, informând șoferul despre autoturismele și obiectele care se află în punctul mort.

Cu siguranță acesta este un sistem foarte util, însă foarte mulți șoferi implicați în accidente din cauza prezenței unei mașini în punctul mort, nu folosesc oglinzile laterale, așadar nu vor observa nici led-ul aprins. O altă categorie este aceea a șoferilor care merg zilnic în trafic aglomerat. Aceștia se pot obișnui cu semnalele acestui sistem și ajung să nu le mai observe sau le ignoră.

Sistemul de faruri adaptive

Sistemul de faruri adaptive Presupune sistemul de siguranță auto prin care fanta de lumină a farurilor își modifică poziția în funcție de poziția volanului pentru a ajuta șoferii să aibă vizibilitate în curbe pe timpul nopții.

Fig. 3.14 Urmărirea razei de lumină a configurației drumului

Din 2002 până în 2006 aproximativ 150.000 de accidente se produc anual din cauza drumurilor neiluminate. Mai mult de 2500 dintre accidente se soldează cu pierderi de vieți omenești. Acest sistem reduce astfel problema iluminării drumului însă crește tendința șoferilor de a accelera în curbe, lucru care poate conduce la producerea de accidente.

Sistemul de prevenire a coliziunilor

Cunoscut și sub denumirea de sistem de frânare anticipată, această tehnologie se bazează pe cunoștințele dobândite în urma folosirii sistemului inteligent cruise-control și constă în utilizarea unui radar pentru a anticipa eventualele coliziuni și acționează automat frânarea. Cei de la General Motors dezvoltă acest sistem înlocuind radarul cu sistemele Wi-Fi și GPS pentru a localiza celelalte mașini aflate în trafic.

Fig. 3.15 Autovehicul detectând un “manechin” gonflabil cu formă de vehicul

Sistemul inteligent cruise-control

Acest sistem menține o distanță prestabilită față de mașina din față, reducând astfel oboseala șoferului, mai ales în cazul călătoriilor de lungă durată desfășurate în trafic aglomerat. Sistemul se regăsește predominant pe modele ale mărcilor auto de top, cum ar fi Infiniti, Mercedes-Benz, Lexus și Jaguar. Sistemul folosit de cei de la Audi este capabil să oprească mașina de la o viteza de 130 km/h până la 0 km/h.

Camera video și radar pentru mersul cu spatele

Radarul montat în partea din spate a mașinii, care emite sunete în interiorul cabinei la mersul cu spatele pentru a ghida mai bine șoferul, anunțându-l astfel de apropierea de o altă mașină sau obiect, este acum o dotare des întâlnită la majoritatea producătorilor. Camera video montată în spatele mașinii transmite imagini pe monitorul montat pe bord și astfel oferă o mai bună informare a șoferului în legătura cu ce se află în spatele mașinii la mersul cu spatele. Sistemul montat pe Audi Q7 are o cameră montată în partea din spate, ce oferă șoferului o vedere de 10 de grade în spatele mașinii.

Fig. 3.17 Ecracnul de la bord indicand imaginea receptata de camera video din spate

Sistemul de avertizare asupra presiunii din pneuri

Un cauciuc care nu are suficientă presiune, determină în primul rând o creștere a consumului de carburant, dar poate conduce și la accidente grave. Începând cu luna septembrie a anului 2007 toate mașinile trebuie să fie dotate cu un indicator pentru presiunea în pneuri.

Fig. 3.18 Senzor luminos în bord semnalizând presiunea scazută în pneuri

Senzorii montați în valva anvelopelor transmite informații câtre indicatorul de pe bord, care se aprinde atunci când nivelul presiunii scade cu 15% sub nivelul minim recomandat.

Alte exemple de sisteme active

ACC – (Adaptive Cruise Control) Control de croazieră adaptabil, care poate fi observat în acțiune în figura 24. Presupune un dispozitiv care constă dintr-un tempomat care se adaptează la vitezele celorlalți participanți la trafic, ajustând distanța dintre vehicule. În viitor, ACC va oferi coloanelor de camioane posibilitatea de a utiliza mai ușor un anume tronson de circulație, fără a pune în pericol siguranța traficului.

BAS – Asistența la frânare. Sistemul recunoaște intenția șoferului de a aplica o frână totală, calculând viteza de deplasare și puterea acționării pedalei de frână. Sistemul activează automat întreaga putere de frânare, obțnându-se astfel un spațiu de frânare foarte scurt.

EBD (Electronic Brake Distribution) – Forța de frânare de pe fiecare roată este distribuită electronic de catre acest sistem.

Controlul tracțiunii – Sistem care limitează devierea roților la accelerare. Acesta acționează frânele și reduce accelerația atunci când semnalează o deviere a roților.

Frâna cu discuri – Sistem de frânare alcătuit din două plăcuțe rezistente la frecare, care acționează strângând de o parte și de alta un disc de oțel pe care este fixată roata. Se folosește mai des decât frâna cu tambur pentru că este mai rezistentă la temperaturi ridicate (până la 500 de grade Celsius) sau la condiții de umezeală. La temperaturi ridicate discurile de frână pot fi ventilate pe interior, căldura produsă în procesul de frânare fiind degajată. Crește astfel performanța frânării.

Frâna cu tambur – Tip de frână compusă dintr-un tambur rotitor închis și plăcuțe fixe (saboți). La apăsarea pedalei de frână saboții intră în contact forțat cu peretele tamburului și încetinesc mișcarea roții. Acest tip de frână este folosit cu precădere la roțile din spate. Eficiența acestor frâne este scazută, doarece se încălzesc foarte ușor.

Frânare asimetrică – Forța de frânare este distribuită pe față sau pe spate. Frânarea asimetrică va trebui să ajusteze tracțiunea mașinii la fiecare capăt în timpul apăsării frânei, pentru o distanță cât mai mică de oprire.

Frânarea de urgență – Sistem de frânare independent de sitemul hidraulic principal. Frânarea de urgență poate fi folosită pentru a încetini sau opri mașina, dacă frânele primare cedează, sau pentru a menține mașina staționată atunci când pedala de frână nu este călcată.

Clasificarea sistemelor de siguranță pasivă

AIRBAG-ul – perna de aer

Sistem de siguranță care în caz de accident împiedică impactul pasagerului cu volanul sau planșa bordului prin gonflarea unei perne de aer. Senzorul de declanșare se activează începând de la o viteză de 25 km/h. Acesta calculează și locul unde are loc impactul activând doar airbagurile laterale sau frontale, după caz. Airbagurile laterale sunt integrate în spătarele scaunelor.

Fig. 3.18 Semnul indicator pentru AIRBAG

Primele airbaguri datează încă din timpul celui de-al doilea război mondial, când au fost folosite într-o formă primitivă la avioane. În ceea ce privește mașinile, un sistem care prevedea o pernă gonflabilă, airbagul a apărut prima oară în 1951. Atunci era un sistem cu aer comprimat, care se declanșa din bara frontală a mașinii, dacă aceasta se lovea. Însă în 1967 abia a aparut airbagul controlat de un senzor de impact, sistem ce a fost montat prima oară pe câteva mașini americane. Cei de la GM au fost primii care au montat airbagul, un sistem numit ACRS (Air Cushion Restraint System), la mașini de serie precum Buick și Cadillac.

Pernele de aer au fost introduse la mijlocul anilor 1970 în SUA, pe când statisticile arătau că folosirea centurilor de siguranță se făcea rar de către șoferi. Acestea au fost introduse pe piață ca o alternativă a centurilor, cu un nivel de siguranță asemănător pentru coliziunile frontale. Dezvoltarea pernelor de aer a coincis cu interesul internațional asupra legislațiilor pentru siguranța autoturismelor.

Industria auto și comunitățile regulatoare și de cercetare și-au schimbat viziunea inițială a pernei de aer ca alternativă a centurii de siguranță și au desemnat-o ca fiind un sistem suplimentar de protecție. În 1980, Mercedes-Benz a introdus în Germania perna de aer patentată în 1971 ca o opțiune pentru autoturismul de lux S-Class (W126), pe lângă alte opțiuni ca suspensia hidro-pneumatică. În autovehiculele Mercedes de la acea vreme, în timpul impactului, un senzor strângea centura de siguranță în jurul pasagerului, apoi activa perna de aer. Așadar, airbag-ul nu mai era vândut ca o alternativă a centurii, ci ca un sistem în plus pentru siguranța pasagerilor. În 1987, Porsche 944 turbo a devenit primul autoturism din lume care avea perna de aer pentru șofer și pasager ca echipament standard.

Fig. 3.19 Acționarea airbagurilor în caz de impact frontal

Tot în 1987 airbag-ul a fost introdus în autoturismul japonez Honda Legend. În Europa pernele de aer au fost aproape absente în autoturismele de familie până la începutul anilor 1990 (excepție făcând Saab). Începând cu anii 2000 pernele de aer frontale precum și cele laterale erau un sistem de siguranță standard pentru automobile. Toyota Avensis (1998) a fost prima mașina de producție în masă cu un total de nouă airbag-uri.

Legile mișcării spun că orice corp în mișcare are un momentum (inerție) ce depinde de greutatea obiectului și de viteza acestuia. Mai pe înțelesul tuturor, în cazul unui accident, există mai multe elemente care își schimbă brusc inerția: mașina propriu-zisă, pasagerii și obiectele din mașina. Dacă mașina se oprește brusc, ca urmare a unui impact, obiectele din interior, dar și pasagerii, vor avea tendința să se deplaseze mai departe. Aici intervine centura de siguranță. Însă pentru a atenua rănile și urmările unui impact puternic, este necesară și folosirea unui airbag.

Fig. 3.20 Modul de explozie a airbagului

Un airbag are ca scop diminuarea efectelor unui impact, ajutând la scăderea inerției pe care o are corpul uman când se lovește de mașină. Airbagul nu protejează pasagerul de diverse îndoituri ale caroseriei, ci foloseșe doar la atenuarea șocului pe care îl poate avea corpul. Sistemul are mai multe componente, care lucrează împreună pentru a-și da seama dacă este sau nu necesară umflarea unui airbag: senzori de închidere a ușilor, senzorii de ocupare a scaunelor, senzor de răsturnare, etc. Însă cel mai important și cel mai uzual este senzorul de impact. O mașină cu airbag are cel puțin un senzor de impact. Acesta transmite informația la o capsă detonatoare, care activează niște capsule cu substanțe chimice ce umflă o pernă din material textil. Senzorul este un dispozitiv destul de simplu, care se actvează numai în cazul în care simte o energie echivalentă cu impactul unui zid de beton la 24 km/h. Chiar dacă pare mult, acest senzor se poate foarte ușor activa chiar și la un impact minor, cu o altă mașină, dar care lovește în șasiu. Există multe mașini care au fost lovite în aripă și șasiul a fost atât de "zguduit" înât s-a activat airbagul. Senzorul are și un accelerometru încorporat, care citește orice frânare bruscă a mașinii.

Senzorul transmite comanda electrică unui detonator din airbag. Airbagul propriu-zis din volan sau din bord este și el compus din mai multe elemente: capsa detonatoare, capsula cu azidă de sodiu (sodium azide), capsula cu nitrat de potasiu și o capsulă de Dioxid de Siliciu. Pernele de aer frontale nu protejează ocupanții de ciocnirile laterale, din spate sau rostogoliri. De asemenea, deoarece pernele de aer se activează o singură dată, acestea nu oferă protecție în timpul coliziunilor multiple. La autoturismele care au senzori de rostogolire, în cazul în care se determină că accidentul este iminent, acestea activează automat pernele de aer frontale și laterale (tip cortină) pentru a proteja ocupanții de impactul cu interiorul, precum și de a nu fi aruncați în exterior.

Centura de siguranță

Dispozitiv de curele textile care are scopul de a ține pasagerul automobilului fixat în scaun în cazul unui accident. Centura de siguranță este atât de eficientă, încât si-a păstrat trăsăturile și scopul din 1949, când Volvo a prezentat prima mașină cu o astfel de dotare, și până în ziua de azi. Centura de siguranță auto a fost implementată de Volvo, urmată de Ford, care o oferea drept o opțiune.  Însă, pana în anul 1959 centura de siguranță era în 2 puncte, ca cele de avion. Tot Volvo a fost cel care a introdus centura în 3 puncte, așa cum se prezintă și astăzi.

Fig. 3.21 Nils Bohlin – inginerul Volvo

inventator al centurii de siguranță în 3 puncte

Tot un detaliu istoric, statul Victoria, din Australia, a fost primul stat care a făcut obligatorie purtarea centurii de siguranță a pasagerilor de pe locurile din față, în 1970.

În prezent, centura de siguranță regasită la toate mașinile este cea în 3 puncte. În foarte rare cazuri, pe bancheta din spate, locul central, se mai folosește tipul de centura în 2 puncte. Centura în 3 puncte retractabilă funcționează la presiune și se blochează atunci când se simte o oarecare tensiune ce blochează tamburul retractor. La mașini mai scumpe, precum Clasa S de la Mercedes, sistemul Pre-Safe, atunci când simte un risc crescut de accident (derapaj, pierdere control) tensionează automat centura de siguranță și o blochează.

Este important de precizat faptul că centura de siguranță, la toate modelele moderne dotate cu airbag, activează airbagul. Dacă centura de siguranță nu este pusă, nu funcționează nici airbagul. Iar motivul este unul evident: corpul uman, la impact, neavând suportul centurii, se va arunca spre airbag, iar puterea acestuia poate rupe coloana vertebrală foarte ușor. Atunci când centura este pusă, numai zona extremitatea cefalică este aruncată în airbag, acesta atenuând impactul. Foarte multe cazuri mortale se întâmplă astfel, mai ales la mașinile a căror șoferi au avut grijă să scape de semnalul sonor al centurii nemontate, montând-o prin spatele scaunului în poziția normală de exemplu. Au existat cazuri de fatalități cauzate de airbag, nu de accident neaparat.

Fig. 3.22 Acționarea centurilor de siguranță și a airbagurilor în timpul impactului frontal al unui autoturism

Mai ales în Statele Unite, de când centura de siguranță este obligatorie, au fost implementate centurile automate, care, odată cu închiderea portierelor, se puneau în poziție, fixate pe corpul șoferului și al pasagerului. Utilitatea sistemului nu a fost dovedită, fiind mai mult o opțiune de confort, decât una de creștere a siguranței, sistemul putând fi dezactivat și modificat. Chiar dacă, de-a lungul anilor, au fost aduse modificări și îmbunătățiri centurii de siguranță, scopul acesteia a ramas la fel. O centură este alcatuită din material textil, polipropilenă, rezistent la forțe uriașe, menit să țină corpul fixat de scaun, în cazul unui accident. Chiar dacă a fost dotată cu sisteme electrice, care o pretensionează în cazul unei frânari foarte violente, fie că a fost transformată într-o centura gonflabilă, invenția din anii '40 salvează vieți.

Alte exemple de sisteme pasive

Sistemul de tensionare a centurii de siguranță – La o întindere bruscă a centurii, aceasta se blochează automat prevenind deplasarea persoanei.

SRS (Supplemental Restraint System) – Sistem suplimentar de limitare a mișcării întâlnit și la airbagul șoferului dar și la cel al pasagerilor.

Airbag-urile inteligente – Încă din anul 2006 producătorii au fost obligați să creeze airbag-uri inteligente care să fie capabile să detecteze prezența pasagerilor pe locurile din față. Au fost create airbag-uri care să aibă doua poziții de deschidere, cu volum de aer diferit în funcție de datele oferite de senzori. Mărimea airbag-ului și presiunea din el depind de gravitatea accidentului sau de persoana care ocupa locul respectiv.

Protecția pentru răsturnare – Este un sistem foarte util în cazul SUV-urilor sau a mașinilor decapotabile unde pasagerii sunt mult mai expuși în cazul răsturnărilor. Majoritatea acestor sisteme folosesc senzori care dacă o întoarcere a fost executată prea rapid sau dacă mașină și-a pierdut traiectoria pentru a evita un obstacol. Sistemul ESP intervine și încearcă corectarea traiectoriei vehiculului prin creșterea tracțiunii la roțile care necesită acest lucru și acționarea frânelor pentru a repoziționa autoturismul pe traiectoria dorită. în plus, în caz de nevoie, se declanșează o serie de airbag-uri de tip cortină amplasate în tetierele scaunelor pentru a preveni eventualele răniri cu cioburi provenite de la geamurile laterale sau alte obiecte.

Active Head Restraint – Acest sistem constă într-o bară metalică introdusă în scaun, care se îndoaie în cazul unui impact pentru a absorbi șocul și pentru a menține dreapta poziția capului ocupanților.

Asistența post-accident – Atunci când nici șoferul și nici sistemele de siguranță nu reușesc evitarea unei coliziuni, singurul sistem care mai este important este cel post-accident. Acest sistem constă în comunicarea automata de urgență a accidentului pentru a primi îngrijirile necesare. Mașina poate comunica cu ajutorul rețelei de telefonie folosită în mașină și poate chiar indica poziționarea mașinii folosind GPS-ul. Viitorul model al acestui sistem va oferi o gamă mult mai largă de informații serviciilor de ambulanță și poliție cum ar fi: ce locuri din mașină au fost ocupate, câte airbag-uri s-au deschis și locul impactului pe mașină sau dacă aceasta s-a răsturnat sau nu.

Soluții constructive propuse pentru dezvoltare

Noile sisteme de siguranță

După apariția diverselor sisteme de siguranță sau pentru confort, pasagerii automobilelor au fost mult mai protejați și au transformat o călătorie într-o adevarată plăcere. De aceea vor fi prezentate câteva dintre ultimele inovații din acest domeniu.

Etilometru portabil – Constructorul Volvo a introdus ca dotare opțională etilometrul portabil. El prezintă 3 leduri de culori diferite: verde, galben și roșu. După ce este folosit, dacă se aprinde culoarea verde (alcoolemie între 0 și 0,1 %) persoana este aptă pentru condus, beculețul galben (alcoolemie între 0,1 și 0,2 %) permite persoanei să mergă cu mașină dar pe locul din dreapta, iar la aprinderea beculețului roșu (peste 0,2 % alcoolemie), motorul mașinii se blochează automat.

Fig. 3.23 Etilotestul portabil

Indy-Cator – schimbător de viteze cu display LCD. Este un obiect de design dar și unul funcțional. Acest dispozitiv se potrivește la toate automobilele cu schimbător manual până la 6 rapoarte.

Sistemul inteligent de circulație – Constructorul Nissan a anunțat începerea testelor pentru sistemul inteligent de circulație la care lucrează, implicate fiind atât autovehiculele cât și infrasctructura urbană. Sistemul are ca obiectiv comunicarea dintre mașini și semnalele luminoase din trafic. Noul sistem avansat de trafic va ajuta la reducerea numărului de accidente, precum și la fluidizarea circulației, mai ales în intersecții și, în plus, va reduce consumul de combustibil.

Fig. 3.24 Schimbător de viteze cu indicarea treptei ideale pentru turația motorului

Head-up display (HUD) – este o tehnologie împrumutată din industria aeronautică care începe să-și facă loc printre mașinile de serie. Producătorii auto folosesc spațiul parbrizului pentru a afișa date utile șoferului precum viteza, turația motorului sau instrucțiuni de navigație.

Unii producători au mers și mai departe oferind un sistem de asistență pentru șofatul pe timpul nopții în condiții de vizibilitate redusă.

Fig. 3.25 Sistem Head-Up afișat pe parbriz

Sisteme de navigație cu tehnologie 3D – Ceea ce diferențiază acest sistem de altele este faptul că locul banalei hărți de până acum este luat de o imagine aeriană interactivă a regiunii prin care autovehiculul se deplasează. Se pot observa principalele clădiri și obiective comerciale și turistice din zonă, precum și relieful. Un astfel de sistem este deja accesibil în rețeaua de hărți Google. Cu siguranță acest tip de sisteme reprezintă viitorul în industria auto și ne putem aștepta să le găsim implementate pe scară largă în urmatorii ani.

Deși există o multitudine de sisteme de siguranță auto în întreaga lume regăsite la mașini în zilele noastre, accidentele nu pot fi evitate. Însă, se pare ca producătorii de mașini au de gând să găsească rezolvare pentru acest lucru și au în proiect mai multe sisteme care nu te vor lăsa să faci accident indiferent de circumstanțe. În urmatorii 5-10 ani, vor exista mașini dotate cu sisteme computerizate capabile să reducă semnificativ numărul accidentelor soldate cu morți, susțin producătorii de autoturisme, sau chiar sisteme care conduc mașina singure fără ajutorul șoferului, așa numitele mașini autonome.

Fig. 3.26 Sistem de navigație 3D 40

Sistemele computerizate vor fi capabile să urmărească drumul pentru a se asigura că șoferul nu părăsește carosabilul, vor fi capabile să recunoască pietonii și mașinile aflate în mișcare sau parcate și vor atenționa șoferul în cazul unui pericol de accident și chiar vor frâna în locul lui. La un moment-dat, va fi implementat și un sistem complex de comunicații între mașini și infrasctructura rutieră (semafoare, semne de circulație).

Sisteme în curs de implementare sau care vor fi dezvoltate în viitor

Sistem de evitare a coliziunii – evaluează posibiliatea ca mașină să se lovească de un obstacol și actionează frâna dacă șoferul nu o face.

Sistem de adaptare a vitezei – în funcție de vehiculul din față, mașina iși adaptează corespunzător viteza, pentru a menține distanța corectă față de acesta.

Sistem de detectare a pietonilor – cu ajutorul undelor radar, a unei camere video montată în zona oglinzii retrvizoare și a unei baze de date, sistemul identifică pietonii și frânează în cazul în care cineva pășește în fața mașinii.

Sistemul de control al stabilității – viteza roților este monitorizată, iar sistemul stabiliește dacă este nevoie să intervină pentru a preveni deraparea autoturismului.

Sistemul de menținere a benzii – o cameră îndreptată în direcția de deplasare se ghidează după marcajele vopsite pe șosea pentru a stabili dacă mașină se deplasează corespunzător. Dacă șoferul iese haotic sau neașteptat de pe bandă, mașina îl avertizează.

Sistem de detectare a obiectelor din unghiul mort – dacă o mașină se apropie din lateral, un semnal luminos pe partea corespunzătoare va avertiza șoferul.

Sistemul de monitorizare a atenției șoferului – modul în care șoferul conduce mașină este monitorizat, iar în cazul în care acesta se deplasează haotic sau conduce de mult timp, sistemul îl avertizează.

Sistemul de comunicare vehicul-vehicul și vehicul-infrastructură – în viitor, mașinile care vor beneficia de acest sistem wireless vor fi capabile să trimită și să primească informații despre condițiile de trafic.

Fig. 3.27 Comunicarea intre autovehicule vehicul-vehicul

Metode de testare ale sistemelor de siguranță auto

Crash testele sunt organizate de mai multe organizații din lume, iar testele în sine sunt de mai multe tipuri. Sunt șapte organizații care operează crash teste în lume: NHTSA, IIHS, NCAP, EuroNCAP, ANCAP, ADAC, JNCAP și C-NCAP. Primele trei vizează piața din Statele Unite ale Americii, EuroNCAP și ADAC testează vehiculele vândute în Europa, iar ANCAP, JNCAP și C-NCAP testează vehiculele vândute pe anumite piețe, respectiv Australia și Asia, Japonia și China. Mai există organizații în lume care efectuează acest tip de teste la nivel independent, fie pentru piața internă, fie pentru alte studii (cum ar fi instituții care testează indicatoarele rutiere și elementele anexe la impactul cu automobilele).

Există mai multe tipuri de teste, toate riguroase și cu o valoare științifică deosebită. Din moment ce un asemenea test este foarte scump, mai scump decât valoarea vehiculului în sine, inginerii trebuie să extragă cantitatea maximă de informații în urma fiecărui impact. Pentru aceasta sunt folosite o serie de computere care înregistrează date la viteze mari, cel puțin un accelerometru pe trei axe și minim un manechin de crash test. Adesea, testele de impact folosesc mai multe manechine de acest gen.

Fig. 3.28 Logo EURO NCAP

Un test de impact este o operațiune realizată în laborator, constând în testarea comportamentului vehiculelor la șoc sau în caz de coliziune. Vehiculul testat (automobil, vagon de tren) este proiectat la o viteză dată într-un obstacol masiv, respectiv imobilizat și supus la un impact cu o masă mobilă determinată, pentru a se reconstitui condițiile naturale de coliziune și pentru a se măsura deformațiile în structura vehiculului, precum și șocul suferit de pasageri. Aceștia din urmă sunt reprezentați de niște dispozitive antropomorfe de testare, manechine create special pentru astfel de studii și încercări simulatoare.

La finele anilor 1930, numărul deceselor survenite în accidentele rutiere era foarte ridicat. Autoritățile au devenit astfel conștiente că augmentarea numărului de vehicule și creșterea vitezei de deplasare, generaseră o creștere semnificativă în rândul victimelor.

Odată cu apariția studiilor de accidentologie auto, s-a constatat că vehiculele nu au fost concepute pentru a rezista la accidente, iar soarta ocupanților nu a fost luată în calcul la construcția lor. Mai târziu, tehnicile de sporire a securității în automobile au devenit unul din criteriile de bază în conceperea mijloacelor de transport. Ele sunt totodată dictate de normele legislative, precum și de aspecte mediatice sau comerciale.

Testele de impact frontal

Aceste teste sunt derulate între un vehicul și un zid de beton la o viteză specificată. Impactul reprezintă un tip comun de accident și verifică design-ul automobilului respectiv. Principalul scop al constructorilor este protecția pasagerilor, iar elementul de evitat este intruziunea unor elemente în habitaclu. Dacă acest lucru se întâmplă, vehiculul are probleme în materie de siguranță și prezintă un risc pentru consumatori. Testul respectiv verifică și capacitatea unui vehicul de a suporta avarii serioase.

Fig. 3.29 Teste de impact frontal

Acest gen de impact este similar cu impactul frontal, doar că vizează doar 40% din suprafața frontală a vehiculului.Testul respectiv are loc prin lovirea vehiculului de un obiect dreptunghiular montat în fața unui zid, menit să simuleze un alt vehicul. Unele organizații testează și impactul decalat între două vehicule. Acest gen de impact este mai des întâlnit în viața reală decât impactul frontal 100% și un rezultat bun este obținut dacă o porțiune mai mică a vehiculului reușește să absoarbă forța integrală a impactului.

Fig. 3.30 Teste de impact frontal decalat

Testele de impact lateral

Testele de impact lateral pot fi împărțite în două categorii – impactul cu un alt vehicul și impactul cu stâlpul. Să vorbim despre prima categorie, des întâlnită în intersecții și chiar în parcări. Impactul respectiv este testat cu ajutorul unui vehicul care intră în vehiculul țintă la o viteză fixă și la un unghi specificat anterior. Testul verifică nivelul de protecție oferit de montanții A și B, alături de elementele rigide montate în portiere. Multe autovehicule au probleme la acest gen de impact, în special cele cu o masă foarte mică și cu portierele subțiri, lipsite de elemente solide de întărire. În cadrul acestui test este utilizat un cărucior de 950 kilograme, cu parte frontală deformabilă, realizată din aluminiu, care merge cu 50 km/h spre scaunul șoferului sau spre șoldul pasagerului.

Fig. 3.31 Autoturisme testate lateral-frontal

Fig. 3.32 Schema de testare de impact lateral

Testul de impact cu stâlpul are loc prin transportarea vehiculului pe un stand special cu roți, în vederea simulării impactului cu un stâlp. Situația respectivă ia în considerare consecințele unui derapaj soldat cu proiectarea vehiculului într-un stâlp. Spre deosebire de celălalt tip de impact lateral, acesta este mai dur, deoarece vehiculul încercat absoarbe un procent mai mare din forțele generate de impact, fiind deosebit de riscant pentru ocupanți dacă ar fi avut loc cu un vehicul în care se află pasageri.

Fig. 3.33 Schema de testare de impact lateral cu un stâlp 47

Testul de răsturnare

Acest test se face tot cu ajutorul unui "cărucior" special, vehiculul încercat fiind transportat pe acesta la un unghi specific și proiectat pe asfalt în vederea răsturnării. Testul vizează rezistența montanților laterali și a plafonului la o răsturnare pe șosea. În cazul unor vehicule a fost constatată aplatizarea plafonului la un nivel periculos, o răsturnare fiind letală pentru pasageri.

Fig. 3.34 Pregătirea petru testul de răsturnare 47

Problema a apărut cu precădere în Statele Unite ale Americii la finele anilor 1980, când au debutat pe piață o serie de SUV-uri care se puteau răsturna cu ușurință din cauza anvelopelor neperformante.

Impactul cu pietonii

Acest gen de impact este simulat pentru a afla cât de periculos este un automobil dacă lovește un pieton la 40 km/h. O secțiune a barei de protecție, partea inferioară a prabrizului și anumite secțiuni ale capotei sunt lovite cu obiecte care simulează capul unui copil, capul unui adult, piciorul unui adult și coapsele în vederea observării capacității de absorbție a forțelor generate la impact.

Fig. 3.35 Impactul cu pietonii 47

Vehiculele vechi sunt deosebit de periculoase pentru pasageri, deoarece acestea tind să utilizeze mai mult metal la construcția elementelor de caroserie (incluzând aici și barele de protecție), iar capota nu are zone de deformare controlată. 83

Concluzii Capitol 3

Industria autovehiculelor este în dezvoltare continuă. Producătorii auto acordă o atenție sporită siguranței rutiere, pe lângă numeroase alte tehnologii introduse în mașini. Rata ridicată a accidentelor rutiere din întreaga lume a motivat în mod deosebit implementarea de aplicații de asistență a conducătorului auto care să poată face posibilă reducerea numărului acestora. Este deosebit de importantă dezvoltarea de sisteme care îmbunătățesc percepția mediului exterior și avertizează șoferul în situațiile dificile. Un astfel de sistem trebuie să ajute șoferul, dar în același timp nu trebuie sa reducă participarea activă a șoferului la condus. Ȋn cazul în care șoferul se bazează prea mult pe un astfel de sistem, poate să nu reacționeze la timp în situații limită, pentru care sistemul de asistare nu a fost proiectat.

Ȋn cadrul acestui capitol au fost expuși în primul rând principalii factori de risc ce pot apărea în trafic și gradul de pericol pe care acești factori îl reprezintă asupra creșterii riscului de a provoca un accident, precum și modul în care industria auto dezvoltă continuu metode de creștere a siguranței auto.

Industria auto traversează o perioadă plină de schimbări datorită adoptării pe o scară tot mai largă a unor tehnologii digitale pe care până de curând le întâlneam doar la produsele electronice sau în industria militară. Aceste tehnologii care sunt sau vor deveni din ce în ce mai populare în interiorul mașinilor de serie completează o gamă variată de noutăți pentru șoferi, cum ar fi îmbunătățirea dramatică a sistemelor de siguranță auto, inclusiv la nivelul centurii de siguranță și al airbag-urilor, sau proiectarea unor autostrăzi inteligente care să ne ajute să conducem confortabil și sigur. Astfel, producătorii de mașini încearcă și, în cele mai multe cazuri, reușesc să dezvolte soluții suplimentare pentru a gestiona mai ușor comenzile disponibile pe bord, să introducă tehnologii care să ne facă să fim atenți în permanență la drum. Constructorii auto sunt într-o competiție puternică pentru a utiliza noi tehnologii care să vină în sprijinul confortului și siguranței șoferilor. Multe dintre ele sunt încă prea scumpe pentru a fi disponibile la toate modelele, însă pe măsură ce vor fi adoptate pe un număr tot mai ridicat de unități

CAPITOLUL 4

PROTOCOLE DE COMUNICAȚII FOLOSITE DE TRAFFIC WARNING SYSTEM

Generalități despre protocoale de comunicații

Sistemul propus este un dispozitiv de comunicare între vehicule, de tip activ, de avertizare a situaților critice, care permite o bună optimizare a deciziilor conducătorului auto în trafic. Acesta primește informații din imediata lui proximitate, care îi sunt altfel ascunse percepției vizuale sau acustice.

Această tema de cercetare a fost aleasă deoarece în momentul de față nu există pe piața de profil un asemenea sistem complex de avertizare și comunicare în trafic. Date fiind problemele actuale de circulație rutieră, cu ajutorul prezentei dezvoltări a tehnologiei, este nevoie acută de un asemenea sistem de siguranță auto. În momentul de față, în alte domenii sistemele informatice și electronice sunt superioare celor din siguranța auto, ceea ce implică nevoia de aducere la același stadiu de tehnologizare și a acestui domeniu. Pe langă aceasta, este nevoie de o centralizare a tuturor sistemelor de avertizare existente într-unul singur, complex și fiabil.

O altă latură benefică a acestui sistem este cea socio-economică, deoarece urmărind reducerea incidenței evenimentelor rutiere implică și reducerea eventualelor costuri de service auto și a celor de asistență medicală rezultate. În desfașurarea lucrării, cât și pe parcursul experimentărilor, s-au analizat oportunități de utilizat în vederea stabilirii unei comunicații sigure între aceste echipamente montate pe mijlocul de transport și s-au formulat unele concluzii ce vor fi redate mai jos.

Automobilele cunosc în prezent o implementare masivă a echipamentelor electronice. Din costul total al automobilului de lux 23% din cost îl reprezintă echipamentele electronice. În domeniul inovației 80% din toate modernizările aduse în domeniul auto aparțin echipamentelor electronice.

Sistemelor electronice au fost multă vreme privite cu reținerea în a fi aplicate în industria auto. Din perioada anilor 1970 acestea au început să pătrundă pe automobile ajungând azi la un procent de 25%.

Protocoale de comunicații

Protocolul de comunicație este o sumă de reguli și norme ce reglementează întreg schimbul de informații între două echipamente electronice ce folosesc datele drept suport funcțional.

Orice protocol de comunicație are un minim trei principii de bază:

Implementare facilă.

Implementarea facilă a unui protocol se pate realiza prin împărțirea acestuia în nivele interconectate. Diversele nivele de interconectare utilizate realizând un anumit număr de operații. Prin separarea evidentă a nivelelor de interconectare se urmărește o interacțiune minimă între nivele. Singura interacțiunea a unui nivel de interconectare trebuie să fie una ierarhică, nivelul inferior furnizează date nivelului imediat superior lui și primește date de la cel imediat inferior. Scopul separării pe nivele ierarhice asigură oricărui protocol posibilitatea de testare facilă a fiecăruia nivel în parte fără a fi nevoie de proceduri foarte complicate de testare.

Să asigure siguranța datelor.

Siguranța se referă la recepția datelor și detectarea erorilor cumult cu procedurii de corectare a erorilor. Erorile reprezintă recepția unei date de nivel 1 când echipamentul de transmis date a emis un nivel 0, sau invers. Există un termen ce definește probabilitatea de eroare a unui sistem de transmisie și el se numește BER (Bit Error Rate). Această rată a erorilor se poate calcula rapotând la numărul total de biți transmiși în cadrul unei sesiuni de schimb de date și numărul total de biți recepționați greșit.

În telefonie de exemplu se admite ca un bit eronat la 105 biți transmiți este o rată de 10-5BER.

Nu același lucru este valabil în transmiterea de date. Dacă în telefonie o rată de 10-5 BER nu afectează major nivelul unui mesaj audio, transmiterea de date are nevoie de o rată a erorilor de maxim 10-12 BER. Datele pot fi afectate dacă rata de eroare ar fi mai mare și de la acest nivel de eroare se impun modalități de detecție a erorilor și proceduri de corecție. Prin transmiterea simultană a unor informații suplimentare în același timp cu transmiterea datelor, sunt asigurate modulelor de recunoaștere a erorilor și corecție a acestora, informații utile ce pot declanșa solicitare repătării unei transmisii sau corectarea rapidă a pachetului de date primit. Protocolul TCP (Transmission Control Protocol) ce este foarte utilizat, asigură trimiterea unei sume a biților din pachetul de date transmis direct în headerul pachetului. Apare inevitabil un risc de creștere a ratei erorilor cu cât datele suplimentare transmise sunt mai multe, astfe protocolul devine costisitor de administrat din punctul de vedere al puterii de calcul dar și datorită lărgimii de bandă ce va crește.

Să fie flexibil.

Flexibilitate unui protocol este capacitatea acestuia de a descoperi problemele de topologie ale rețelei.

Documentarea privind un protocol de comunicații ce să poată fi aplicat cu bune rezultate într-o aplicație de comunicare între autovehicule folosind spectrul luminii vizibile, a dus la aprofundarea unuia ce poate fi adaptat la structura traficului rutier. Circulația autovehiculelor în coloane pe un sens sau altul favorizează comunicația de la un vehicul la cel din imediata lui proximitatea, comunicația prin transfer succesive de date de la unu la altul. Astfel cel mai potrivit protocol ce se poate ușor adapta acestor cerințe este protocolul ModBus.

În continuare se va analiza unul dintre protocoalele de comunicație folosite în mediul industrial și care se poate adapta nevoilor de comunicație între vehicule.

Protocolul ModBus

Pentru aplicația noastră s-a ales protocol de comunicație de tip ModBus, această ahhitectră este utilizată în conectarea automatelor programabile (PLC) în rețea, precum și în interconectarea microprocesoarelor din echipamentele auto.

Fig. 4.1 Comunicația de tip master/slave ModBus

În protocolul ModBus pentru interfață serială, există un dispozitiv numit master  care poate comunica pe magistrala serială cu mai multe dispozitive numite slave. Rețeaua ce are implementat protocolul ModBus nu admite decâu un singur dispozitiv de tip master și unul sau mai multe dispozitive de tip slave (maxim 247). Inițierea comunicație este rezervată în exclusivitate dispozitivului master . Dispozitivele slave transmit date numai în urma unei cereri de transmisie din inișiată de dipozitivul master.

Dispoziticul master transmite către slave cererii pentru a solicita anumite servicii, slave-ul îndeplineaște aceste servicii, răspunzând master-ului cu date solicitate. În mod frecvent master-ul este permanent activ solicitând citire de date, sau scriere de date în difverse forme de locații a mai multor dispozitive slave. Într-o astfel de relație de master/slave (stăpân/sclav), master-ul controlează mai mulți slave. De la inițierea comunicației și până la finalul ei, direcția de control este întotdeauna de la master către slave.

Protocolul ModBus a fost dezvoltată în cadrul unei familii de protocoale de firma franceză Schneider Automation în 1979 pentru seria de controlere programabile Modicon ce le puneau la dispoziție în industria de automatizări industriale. Protocol a devenit în timp un standard în industrie și asigură controlul și schimbul de date între echipamentele de măsură și automatizare.

Avantajele enumerate mai jos au dus la adoptarea acestui protocol de majoritatea producătorilor de dispozitive electronice din industrie și adapta pentru necesitățile specifice:

implementa protocolului se face ușor;

nu lucrează cu tipuuri de echipamente ci direct cu biți și cuvinte;

specificațiile fiind publice nu există o licență comercială,

ModBus asigură sistemelor diferite un mod de comunicație dacă ele sunt conectate la aceiași rețea. Conectare unei unități cu funcția de supraveghere cu un terminal aflat la o anumită distanta (RTU : remote terminal unit) sau pur și simplu doar achiziția de date, acest protocol este cel mai utilizat.

Fig. 4.2 Cadrul unui mesaj ModBus

Caracteristica definitorie a protocolul ModBus este modulul de date PDU (Protocol Data Unit), care asigură datele suplimentare necesare pentru identificarea diversetlor tipuri de date ce pot reduce la minim erorile. Un nivel superior definește un alt modul de date ADU (Application Data Unit) caracteristic ficărei aplicații. Protocolului poate fi, prin modificări aduse acestui modul, asamblat pe diferite tipuri de magistrale sau rețele. Formatul cererii transmise de master și odiene elemntelor de răspuns oferite de slave, sun elemente definite de protocol.

Modullul unității ADU este transmis de master la inițiera unei comunicații de tip ModBus.

Codul de funcție comunică slave-ului ce fel de sarcină are de îndeplinit. Acest cod fiind pe 8 biți, admite echivalentul a 28 = 256 coduri de funcții distincte. Funcțiile codate între valorile 27 și 28-1 sunt rezervate pentru codurile de răspuns în cazul în care apare o eroare. Nu se recunăaște funcția ce are cod 0. Prin posibilitatea de-a defini subfuncții se pod adăuga mai multe acțiuni ce să fie îndeplinite de slave.

Contribuția în implementarea protocolului ModBus este aplicarea unei noi funcții utilizator, ce permite o comunicare rapidă cu erori minime și o acoperire limitată doar în zona de interes a participanților la trafic. În zona funcții utilizator, am creat o funcție specifică utilizării propuse, ce poate fi ușor implementată în aplicații discrete, existând și posibilitatea introducerii în zona de funcții publice.

Echipamentele ce folosesc drept canal de transmisie lumina vizibilă, au facilitatea de a separa cu ușurință direcția din care vine informația, de asemenea și posibilitatea facilă de a transmite datele în direcția dorită. Exploatând această facilitate de distribuție spațială, foarte greu de definit în alte canale de comunicație ce folosesc radiofrecvență, putem cu ușurință atribui fiecărui nod de rețea (autovehicul) atât funcția de master pentru o direcție de comunicare, cât și funcția de slave pentru altă direcție.

Câmpul de date din modulul ADU conține informație ce va fi utilă slave-lui în sarcina ce o are de îndeplinit. În funcția nou definită, acest câmp conține informație legată de tipul avertizări ce se transmite, de numărul de autovehicule care trebuie să retransmită în spațiul de propagare.

Dacă slave-ul primește comanda de execuție a funcției pe una din direcțiile de mers, acesta se poate automat transforma în master și execută acțiunea definită de codul funcției, iar în câmpul Date din răspuns va conține informația numărului de vehicule ce retransmit informație. Acest câmp va fi decrementat cu o unitate față de cel primit.

Fig. 4.3 Tranzacție fără erori

Un slave trimite un raspuns master-ului, prin folosirea câmpului funcție pentru a indica un răspuns fără eroare (error-free) sau atunci când este evidențiată o eroare (exception response). În primul caz răspunsul slave-ul va pune în codul funcție acelați cod primit ca sarcină de execuție. Dacă la verificarea sumei de control se rezultatul este erore slave-ul va trimite un tot același cod, dar birul cel mai semnificativ este setat pe 1. În cazul unei erori slave-ul nu ca salva în memorie sau trimte spre periferice nici o dată, totul rîmâne ca și cum nimic nu s-ar fi întâmplat. Dimensiunea unui modul PDU pentru o comunicare serială este aceiași cu dimensiunea modului ADU = 256 bytes. Figura 4.2 ajută la o bună înțelegere a relației ce urmează:

PDU = ADU (256 bytes) – Adresa slave (1 byte) – CRC (2 bytes) = 253 bytes (4.1)

În codarea datelor ModBus se folosește o reprezentare “big-endian”. Acestă modalitate de transmisie a cuvintelor mai lungi de byte, cel mai semnificativ octet este trimis primul. Nu se utilizează formatul ”little-endian”, care inversează ordinea succesiunii și stochează octetul mai puțin semnificativ, la prima locație cu cel mai semnificativ octet, fiind stocată ultima dată. Acest din urmă format de împachetat codurile mai lungi de un byte este încă utilizat la sistemele mai vechi de transmisie de date seriale.

Modelul de calcul CRC16

Prin definirea clară a obiectelor, cuprinse între adresele absolute 0 si 65535, protocolul ModBus nu mai are nevoie de o definire explicită a tipului de echipament De asemenea, prin definire unui model strict de date compus din patru blocuri elimină orice confuzie de adresare, de loc și tip de obiect de date manipulat.

În modul RTU al protocolului ModBus, sunt adăugați în finalul modului ADU doi bytes pentru verificarea comunicației ce astfel asigură o corecție a erorilor. Master-ul, ca dispozitiv ce inițiază comunicația, calculează CRC (Cyclic redundancy check) pentru octeții ce îi transmite. Slave-ul după ce recpționează întreg modulul de date calculează și el CRC și compară cu valoarea recepționată de la master. Comparând cele două valori, cea recpționată și ce calculată, slave-ul constată dacă recepția este fără eroare sau dacă fiind eroare retransmite codul funcției cubitul cel mai sembificativ setat în 1.

Fig. 4.4 Schema logică a modelului de calcul CRC16

În figura 4.4 este prezentată schema logică de calcul a sumei de control CRC pe 16 biți ce printr-o procedură simplă asigură eliminarea erorilor la fiecare modul transmis în parte.

Tipuri de funcții ale protocolului ModBus

Protocolul ModBus defineste trei tipuri de functii:

Fig. 4.5 Adresele funcțiilor publice și de utilizator

Coduri de funcții publice:

sunt unice,

definite în termeni ce nu pot creea confuzii,

validate de comunitatea www.modbus-ida.org,

documentație publică accesibilă tuturor utilizatorilor,

validate de utilizarea ăi testate de-a lungul timpului,

sunt rezervate pentru utilizări viitoare pe lângă cele folosite curent.

Coduri de funcții definite de utilizatori:

orice utilizator poate implementa un nou cod de funcție;

codurile ce nu sunt publice și sunt implementate utilizatori diverși, pot avea același cod;

pentru a muta o funcție din zona codurile definite de utilizator în zona codurile acceptate ca fiind publice, se ințiază un formular RFC ce conține toate facilitățile noii funcții, iar după o analiză a importanței ei, funcția va trece în lista de coduri publice ce încă nu au fost utilizate.

Coduri rezervate de funcții:

unele companii pot folosii coduri rezervate

codurile rezervate nu sunt accesibile publicului larg.

Codurile rezervate de funcții sunt incluse de fiecare utilizator în zona funcțiilor utilizator,

Tipuri de ModBus

Protocol ModBus are mai multe versiuni, el poate folosi cu succes porurile seriale, dar pate fi ușor implementat și peste ethernet. Conexiunea ce folosește porturile seriale beneficiază de două variante ale protocolului:

ModBus RTU este folosit pentru transmiterea datelor în formă binară compactă a datelor.

ModBus ASCII este folosit pentru datelore ușor de înțeles de către un operator uman, dactele sunt transmise în cod ASCII.

Protocol ModBus peste TCP/IP (ethernet) este o versiune recentă denumită ModBus/TCP. Această nouă versiune este mai facil de implementar decât ModBus/ASCII sau ModBus/RTU, pentru că verificarea erorilor de comunicație se face cu funcții deja implementate la nivel de TCP, așa că nu se mai face suma de control CRC.

ModBus RTU

Protocolul ModBus-RTU folosit pentru transmiterea datelor în formă binară a datelor și ca instrument de verificare a erorilor se utilizează suma de control CRC. Blocurile de mesaje sunt separate între ele de un interval de numit de liniște egal cu cel putin 3,5 x durata de transmitere a unui caracter. Pentru această caracteristică se impune, la folosirea protocolul ModBus RTU, ca mesajele să nu aibă pauze între caractere, existența acestora generând erori. Un timp fără semnal mai mare decât timpul de transmis 3,5 caractere, dispozitivul slave calcula după caz suma de control și implicit va genera un cod de eroare, sau va genera direct codul de eroare dat fiind numărul de octeți este mai mic decât cei prevăzuți ăn codul funției.

ModBus ASCII

Protocolul ModBus ASCII nu trasmite datele în cod binar ci folosește codarea ASCII a datelor și o sumă redusă de verificare la 8 biți (LRC – Longitudinal Redundancy Check). Folosirea acestui tip de protocol, ModBus ASCII, se impune acolo protocolul ModBus RTU, dat fiind acțiunea caracterelor speciale, cum ar fi ENTER (0Dh), sau LF (0Ah) nu poate fi utilizat, care nu pot fi transmise ca un flux continuu de date către unele dispozitive slave ce le pot interpreta ca și comenzi de acțiune, nu ca date În acelați fel ca la ModBus RTU și ModBus ASCII este de tip state-less. Aceste tipuri de protocoale nu solicită, în caz dedetectare de erori restabilirea conexiunii. De asemenea la de neprimirea unui răspuns de la slave în timpul stabilit în parametri de comunicație, master-ul consideră automat transmisia eronată. Tipul de protocol ASCII are o eficiență mică la fel și siguranța mesajelor este redusă decat mesajele trimise prin protocol de tip RTU.

ModBus/TCP

ModBus/TCP este varianta ce poate trece peste ethernet, a protocolului ModBus/RTU. ModBus/TCP nu folosește coduri ASCI doar codare binarăr și beneficiază de procedurile de detectare a erorilor de transmisie oferit de TCP/IP. Acest tip de protocol orientat pe conexiune, nu pe adresa limitata de 127 de slave. Astfel în aceiași rețea pot fi mai mulți master, iar facilitățile oferice de TCP/IP asigură conexiuni concurente către. Erorile de tip time-out, sau de protocol, vor fi tratate de dispozitivul master prin restabilirea conexiuni și eroare va fi anulată prin repetarea mesajului. Portul standard folosit este TCP 502.

ModBusTCP/IP este o variantă a familiei ModBus de protocoale simple, neutre din punct de vedere al furnizorului de comunicații destinate pentru supravegherea și controlul echipamentelor de automatizare. Mai precis, aceasta se referă la utilizarea de mesaje ModBus într-un "Intranet” folosind protocoalele TCP/IP. Cea mai comună utilizare a protocoalelor în acest moment este pentru atașarea Ethernet PLC, module I/O și porți către alte rețele de intrări/ ieșiri.

Protocolul de ModBusTCP/IP este public, precum standardul de automatizare.

Distincția între intrări și ieșiri, precum și între elementele de date biți-adresabili și cuvinte adresabile, nu implică nici un comportament de aplicare. Pentru fiecare dintre tabelele primare, protocolul permite selectarea individuală a 65536 elemente de date, iar operațiile de citire sau scriere a acestor elemente sunt concepute pentru a cuprinde mai multe elemente de date consecutive, de până la o limită de dimensiune a datelor care depinde de funcția de cod de tranzacție. Nu există nici o presupunere că elementele de date reprezintă o matrice contiguă adevărată de date, cu toate că este interpretarea utilizată de cele mai simple PLC-uri.

ModBus este proiectat pentru a permite proiectarea unui master, care să fie cât mai simplu posibil.  Acesta permite, de asemenea, strategii alternative, cum ar fi depunerea cererii de către o adresă alternativă, folosind o rețea de comunicații total independentă, în cazul defectării unei componente a infrastructurii de rețea. Un master ModBus este întotdeauna conceput pentru a sprijini mai mulți slave concurenți, chiar dacă în utilizarea avută în vedere doar un singur slave pare să aibă sens. Acest lucru permite unui master să se închidă și să redeschidă conexiunea în succesiune rapidă, în scopul de a răspunde rapid la non-livrarea a unui răspuns.

În cazul în care se utilizează o stivă convențională de protocol, resurse de memorie semnificative pot fi salvate prin reducerea dimensiunilor tampon primite și transmise. Un serviciu ModBus poate aloca un tampon pe conexiune, în scopul de a ușura fluxul de transfer de date de la slave, de exemplu prin fișiere. Un astfel de spațiu tampon nu are nici o valoare în ModBus, deoarece dimensiunea maximă a unei cereri sau a răspunsului este mică.

Sistemul TWS – Traffic Warning System

Conducatorii auto pot intalni în trafic o multitudine de situații neprevazute, care pot fi reperate și aduse în atenția șoferului cu ajutorul sistemelor specializate în depistarea acestora. Traffic Warning System (numit mai departe TWS) este un dispozitiv de semnalizare precoce a unor situații speciale în trafic, cum ar fi prezența motocicletelor, a accidentelor sau a vehiculelor de Poliție sau Ambulanțe aflate in misiune și a altor evenimente imprevizibile. Scopul dispozitivului este sporirea vigilenței conducătorului auto. Dispozitivul de avertizare, pentru o funcționare optimă, trebuie instalat atât pe automobilul ce utilizează informația, cât și pe cele care iși semnalizează prezența, fie că acesta din urmă se află în mișcare, sau este situat în punct fix. În funcție de viteza de deplasare, acest dispozitiv aduce la cunoștința conducătorului auto direcția de deplasare a motocicletelor sau a autovehiculelor speciale aflate în misiune.

Fig. 4.6 Dispozitivul TWS instalat pe bordul autovehicului

Implemenatrea acestui dispozitiv devine posibilă odată cu folosirea pe scară largă a luminilor cu LED-uri în dotarea curentă a noilor moduri de iluminare și semnalizare ale automobilelor moderne. Sistemul TWS are ca principale componente dispozitive de emisie și recepție. Cu adaptări minime se poate folosi sistemul de iluminat existent al autovehiculului dotat din fabricație cu lumini de tip LED, fără alte modificări aduse designului. Montarea dispozitivului de recepție, în componența căruie este necesară instalarea unor module fotosensibile, duce la modificăre de ordin estetic asupra caroseriei mașinilor pe care urmează să fie dotat sistemul.

Semnificația simbolurilor de avertizare ale sistemului TWS

Fig. 4.7 Dispozitivul TWS cu toate semnalele activate

Simbolurile sistemului TWS conțin o imagine sugetivă fiecărei situații semnalizate, precum și un inel luminos format din opt segmente. Acestea au rolul de a semnaliza, în perechi de două câte două, direcția de acțiune a evenimentului semnalizat.

Fig. 4.8 Semnalizarea direcției de acțiune a evenimentului

Semanlizarea motocicletelor

Fig. 4.9 Simbol de avertizare în trafic a motocicletelor

Semnalizarea acestui tip de vehicule este imperios necesară, deoarece acestea sunt greu de reperat de către orice conducător auto, iar modul de deplasare al acestora este diferit față de cel al automobilelor prin imprevizibilitatea manevrelor efectuate, astfel fiind mai predispuse accidentelor. Pe lângă acestea, este nevoie de o sensibilizare permanentă a participanților la trafic față de prezența acestora pe șosele. Dacă frecvența de semnalizare depășește un motociclist pe minut, atunci sistemul se dezactivează automat. Sistemul se ractivează dacă dupa 3 minute fără semnalizarea unui motociclist, se primește o nouă avertizare. Această funcție este utilă acolo unde densitatea motocicliștilor este foarte mare.

Semanlizarea atovehiculelor speciale

Fig. 4.10 Simbol de avertizare în trafic a autovehiulelor speciale

O altă problemă pregnantă a traficului sunt mașinile de pompieri sau ambulanțele aflate în misiune (numite in continuare autovehicule speciale). Prin avertizarea prezenței acestora în proximitate, conducătorii auto vor fi conștienți de nevoia de a asigura prioritate în funcție de direcția din care acestea se apropie. Astfel, prin anticiparea nevoii de a asigura prioritatea, se vor evita întârzierile și accidentele produse prin neacordarea priorității. Aceste vehicule au cel mai mare impact al poluarii sonore tocmai pentru a-și asigura prioritate față de ceilalți participanți la trafic, care în intireriorul vehicului sunt relativ izolați fonic, iar cei care nu participă la trafic sunt puternic deranjați. Implementarea acestui sistem TWS ar reduce stresul poluării sonore în aglomerările urbane și ar ajuta la creșterea eficienței deplasării acestor autovehicule speciale.

Semanlizarea autovehiculelor de poliție

Fig. 4.11 Simbol de avertizare în trafic a echipajelor de poliție

Această funcție de semanlizare a mașinilor de poliție aflate în misiune este eficientă în prevenirea incălcării regulilor de circulație prin simpla prezență a lor în trafic. Dispozitivul de semnalizare instalat în autovehiculul în misiune se activează și implicit comunică cu dispozitivele celorlalte mașini din trafic, imreună sau separate, cu punerea în funcțiune a semnalelor luminoase și de avertizare sonoră. Acest lucru este lăsat la latitudinea agentului de poliție.

Semanlizarea accidentelor rutiere

Fig. 4.12 Simbol de avertizare în trafic a accidentelor rutiere

Pentru transmiterea unei eventuale stări de blocaj rutier în urma unui accident în care se poate afla un autoturism sau mai multe, sistemul de avertizare și comunicare TWS instalat la bordul acestuia transmite semnale specifice la declanșarea airbagurilor, sau a altor senzori ce sesizează o avarie, precum și la inițiativa conducătorului auto. Ceilalți participanți la trafic la recepționează semnalul emis de cei implicați în accident si îl retransmit în cascadă unui numar limitat de autovehicule, în funcție de direcția de mers. Dacă semnalul este primit din față, atunci sistemul retransmite în spate, iar dacă este recepționat din spate, se retransmite în direcția lui de mers. Numărul de mașini care pot recepționa în cascadă este limitat de configurația terenului (vizibilitatea în linie dreaptă), dar nu mai mult de 5 autovehicule, considerând că însumarea distanței între 5 mațini este suficientă pentru evitarea unui carambol.

Semanlizarea altor situații speciale

Prin astfel de situații înțelegem evenimentele ce blochează sau îngreunează traficul pe un anumit tronson de drum. Aici se încaderază căderile de pietre, drumurile în lucru, alunecările de teren, inundațiile, oprirea la nivel de cale ferată, etc.

Fig. 4.13 Simbol de avertizare în trafic a altor situații speciale

În aceste situații, dispozitivul de comunicare ce emite un semnal specific, va intra în componența indicatorului luminos de semnalizare, plasat la fața locului de către echipajul de intervenție. Aceste semanle se retransmit în cascadă de 5 autovehicule, ca în cazul semnalizării de accident. Lipsa sistemului TWS pe indicatorul de semnalizare montat de echipele de intervenție poate fi substituit de pornirea semnalizării de avarie de însuși conducătorul auto.

Detectarea vehiculelor autonome

Fig. 4.14 Simbol de avertizare în trafic a vehiculelor autonome

Cunoscute ca autoturisme fără șofer, mașinile autonome sunt autoturisme sau autovehicule care sunt concepute astfel incât să poată rula fără să fie conduse de o persoană. Pentru a putea rula, aceste autoturisme detectează obiectele și obstacolele din mediul inconjurător și aleg cea mai bună, scurtă și sigură rută spre o destinație prestabilită.

Pentru a putea rula fără un conducător auto care să le controleze, autovehiculele autonome necesită diverse echipamente și tehnologii sofistícate, care includ calculatoare performante, sisteme de navigare GPS, senzori cu infraroău și radare. Tehnologia autovehiculelor autonome a evoluat foarte mult, astfel încât în viitorul apropiat vor fi o prezență comună pe drumurile publice.

Dacă acestea se conduc dupa principii si algoritmi proprii, diferite de cele conduse de om, acesta din urma trebuie sa le ia în calcul, afișând un comportament activ la întalnirea în trafic. Sistemul TWS în acest caz are rolul de a ajuta pe ceialți participanți la trafic în eventualele pericole și de a induce un comportament firesc în prezența lor.

Acest tip de semnalizare este prezentat în lucrarea de față doar ca perspectivă de dezvoltare odată cu creșterea numărului autoturismelor autonome.

Codul funcției ModBus RTU aplicat sistemului TWS

În figura 4.5 este reprezentată harta funcțiilor publice și de utilizator al protocolului ce comunicație ModBus. Pentru aplicația TWS s-a ales protocolul ModBus RTU explicat în subcapitolul 4.3.6. În zona funcțiilor definite de utilizator, există o nouă funcție specific, cu posibilitatea ca acestea să se extindă în viitor. Fiecare funcție are cel puțin două sarcini de transmis dispozitivului TWS: una de semnalizare pe panou, iar alta de retransmisie a informației către alte vehicule.

Orice vehicul dotat cu un dispozitiv TWS poate iniția o sesiune de transmitere de informații și în acel moment pe direcția de transmisie aleasă el are funcția de master. Un dispozitiv poate îndeplini simultan funcțiile de master sau slave pe ambele direcții, dar și separate.

Dispozitivul TWS are funcția de master implicit dacă fiind montat pe autovehiculele speciale, acestea sunt în misiune. Restul de atovehicule au funcția implicită de slave pe toată durata de activare a dispozitivului TWS. Comutarea de pe funcția de slave la cea de master se face la cererea altui master, dar numai din direcția opusă celei de la care a primit sau din proprie inițiativă a conducătorului auto ce decide să semnalizeze un accident sau o altă atenționare, cum ar fi: drum în lucru, staționare la trecere de cale ferată, blocaj etc.

Implementarea protocolului ModBus și a unor funcții specifice se impune pentru asigurarea unui un grad mare de rezistențe la perturbări de zgomot și separare în timp a fluxului de informații.

Din figura 4.5 se poate vedea că între 100 și 110 sunt coduri de funcții rezervate utilizatorilor protocolului ModBus RTU. Așa că vom descrie mai jos funcția ce va servi dispozitivul TWS. Tot din aceeași figură alegem pentru aplicația de față codul funcție 100 (hexa 64). Această funcție unică va fi utilizată pentru a îndeplini toate nevoile de comunire în această variantă a dispzitivului TWS. Dat fiind faptul că fiecare master se adresează slave-lui care îi este în zona de vizibilitate, câmpul de adresa va fi 00. În câmpul dat, avem două coduri de câte un byte, primul indicând tipul vehiculului ce se cere semnalizat, iar al doilea byte numărul maxim de clienți la care să se propage această solicitare.

Fig. 4.15 Ordinea byte-ilor într-o transmisie ModBus RTU

Dispozitivul va semnaliza cu pictograma corespunzătoare, cu segmentele de jos active, după codul citit în câmpul trei al tabelui din figura 4.15 (Data-Tip) astfel:

Data – Tip – 01 Autovehicule speciale

Fig. 4.16 Imaginea activată la Data – Tip – 01

Pentru acest tip de semnal dispozitvul identifică toate cele 4 direcții din care se apropie autovehiculul care cere prioritate maximă.

Data – Tip – 02 Echipaje de poliție în misiune de control

Fig. 4.17 Imaginea activată la Data – Tip – 02

Pentru acest tip de semnal dispozitvul identifică doar semnalul detectat pe direcția de mers, restul fiind ignorate.

Data – Tip – 03 Echipaje de poliție în misiune preventivă

Fig. 4.18 Imaginea activată la Data – Tip – 03

În acest mod de semnalizare nu se va indica direcția din care a fost recepționat semnalul, astfel de indicator având rolul doar de atenționare sau de disciplinare a conducătorilor auto în trafic.

Data – Tip – 04 Motocicliști

Fig. 4.19 Imaginea activată la Data – Tip – 04

Acest semnal al dispozitvului identifică toate cele 4 direcții din care își poate face apariția un vehicul pe două roți.

Data – Tip – 05 Accidente rutiere

Fig. 4.20 Imaginea activată la Data – Tip – 05

În acest caz semnalizarea nu este percepută doar din direcția de mers, nemaiavând relevanță celelalte direcții.

Data – Tip – 06 Situații speciale

Fig. 4.21 Imaginea activată la Data – Tip – 06

Această semnalizare va fi activată voluntar de către conducătorii auto care se află intr-o situalție dificilă, atât din cauze proprii cât și din alte cauze legate de infrastructură sau alte pericole sesizate. Acest mesaj este adresat tuturor clienților aflați în proximitatea unui autovehicul care solicită acces cu prioritate sau semnalizează doar prezența lui în trafic. Câmpul de adresă fiind 00 nu așteaptă un răspuns imediat de la nici un client, dar repetă mesajul după 0,1 secunde. Dacă de regulă o transmisie de tip brodcast, ca aceasta, unde adresa clientului nu este definită, se poate repeta semnalul la o distanță în timp de 3,5 ori viteza de transmitere a unui bait, dar în cazul nostru timpul este stabilit la 0,1 s pentru transmiterea mesajului următor.

Urmează o analiză în timp și spațiu evoluția unui mesaj cu această funcție. Presupunem viteza minimă de comunicație de 1200 baud rate. Aceasta este echivalentă la 1200 de baiți transmiși într-o secundă. Un bait la această viteză se transmite în 0,83 ms, tot mesajul de 5 baiți se transmite în:

5×0,83=4,55ms (4.2)

iar echivalentrul a 3,5 baiți este de:

3,5×0,83=2,9ms (4.3)

Din relațile 4.2 și 4.3 rezulta un timp total de aproximativ:

4,5+2,9=7,4 ms (4.4)

Rontunjim în sus acet timp la 10 ms și obținem un timp total de retransmitere a acestui mesaj, folosind variabila din câmpul patru, 0A hexa este echivalent la 10 zecimal și obținem un timp t:

t=10×10=100ms=0,1s (4.5)

Dacă presupunem că viteza de deplasare a autovehiculului special este de v=100km/h, acesta parcurge o distață d de aproximiativ:

d=(v*t)/3600=2,78 m. (4.6)

Vom analiza distanța semnalizată cu un cod de maximă prioritate în două variante:

Semnalizarea vehiculelor ce se deplasează în același sens.

Vehiculul ce primește din spate acest mesaj îl retransmite în direcția lui de mers după timpul echivalent de transmis 3,5 baiți, dar va decrementa valoarea trecută în câmpul patru, numărul. Acest proces se repetă până valoarea din câmpul număr devine zero. Vehiculul ce a recepționat acest mesaj cu codul din câmpul trei nu va mai retransmite mesajul.

În situație analizată, retranslația s-a făcut de 10 autovehicule, dacă presupunem că distanța între ele este 30m, atuvehiculul care solicită prioritate are cale liberă, semnalizată pe o distanță de 300 de metri la fiecare 2,78m parcurși. Dacă vehiculele sunt la distanță mai mare decât zona de acoperire a semnalului VLC, retranslația se poate pierde la un număr mai mic de autovehicule, dar evident distanța este mai mare de 300 de metri.

Semnalizarea vehiculelor ce se deplasează în sens contrar.

Un mesaj recepționat din fața va fi retransmis în spate. În prima stare analizată nu s-a calculat decât deplasarea vehiculului care solicită prioritate, celelalte care merg în aceeași direcție având un impact nul dacă merg cu aceeași viteză și unul destul de redus, chiar dacă viteza este de jumătate decât a celui care solicită prioritate.

Presupunem că atât vehiculul care solicită se deplasează cu o viteză de 100km/h, iar cele din sens contrar cu aceeași viteză, va rezulta în același timp t de 0,1s (4) că distanța dintre acestea se va reduce cu de două ori distanța d, adică 5,56 m. Deși distanța relativă între vehiculele din sensuri diferite scade frecvența de a întâlni vehicule, din sens invers este mai mare implicit și șansa ca solicitarea de prioritate să fie propagată pe o distanță mai mare.

Implementarea acestor funcții în nevoile noastre de comunicare, exploatează posibilitatea de atribuire a funcției de slave la toate vehiculele care sunt în așteparea unei informații. În momentul când apare nevoia de a comunica o stare, clientul devine automat master, în raport cu celelalte echipamente conectate și transmite date adresate tuturor receptorilor slave aflați în aria de recepție a semnalului.

Dezvoltarea sistemului poate ridica nevoia de interacțiune a autovehiculelor conținând și alte elemente de semnalizare și dirijare a traficului auto. Astfel, sistemul hard odată realizat se poate upgrada cu variante de soft actualizate. Trecerea de la ModBusRTU la ModBusTCP/IP este facilitată de sistem și astfel fiecare participant poate avea un IP ce îl identifică.

Odată cu implementarea noi generații de adrese internet IPV6 începută din 2012, adresele IP folosite de 20 de ani IPV4 sau epuizat (ex: 232.232.0.232) “next generation IP (IPng) protocol” (IPV6) va putea asigura o identificare absolută a utilizatorilor. Sunt oferite soluții complete de migrare la noul protocol IPV6. Acest nou protocol deschide posibilitatea indentificării unice a unui număr de 3,4 x 1038 adrese, de 7,9 x 1028 mai multe decât de cele 4,3 miliarde ale IPV4 care se credeau a fi suficiente în perioada de început a aplicării.

Implementarea pe sistemul TWS a protocolului ModBusTCP/IP în varianta IPV6 va permite o individualizare a tuturor vehiculelor și a elementelor de infrasctructură rutieră, care având o poziționare geografică bine stabilită, pot asigura o alternativă a sistemului de localizare GPS. Interconectarea elementelor de infrastructură rutieră la internet poate oferi soluții terestre ieftine de urmărire și poziționare a autovehiculelor în trafic.

Concluzii Capitol 4

Utilitatea sistemului TWS devine cu atât mai evidentă în aglomerațiile urbane, unde de exemplu prezența sirenelor este permanentă. Gradul de poluare sonoră nu este cântărit comparative cu utilitatea urgenței asigurării asistenței medicale, viața având întâietate în fața confortului urban. Aplicația TWS odată implementată, nu doar că reduce poluarea sonoră, dar poate asigura prioritate serviciului de asistență medical, cu o eficiență mult crescută.

Confortul în interiorul fiecărui autovehicul este asigurat și de izolarea fonică față de zgomotul din trafic. Acest lucru a impus ca sistemele de semnalizare sonoră să fie de nivele ridicate. Astfel pietonii, locuitorii din proximitatea arterelor orășenești, elevi din școli, bolnavi din spitale, sunt inevitabil incomodați de vacarmul sirenelor. Sistemul TWS, folosind un canal de comunicație neutilizat până în prezent, transmite informația doar acolo unde este necesar, fără să creeze disconfort celor cărora nu le este adresată solicitarea de prioritate. Dacă astăzi prezența sirenelor este un lucru obișnuit, lipsa lor va deveni un câștig în gradul de confort al cetățenilor și totodată, prin folosirea sistemului TWS va exista o eficiență crescută în asigurarea priorității vehiculelor speciale.

Sistemul TWS asigură o semnalizare eficientă, care poate duce la o scădere a accidentelor și o stimulare în folosirea motocicletelor, lucru care ar reduce mult gradul de poluare.

CAPITOLUL 5

ANALOGII ÎNTRE SISTEME DE COMUNICAȚIE RADIO

ȘI SPECTRUL LUMINII VIZIBILE

Introducere în sisteme de radiocomunicații

În 1873 odată cu publicarea ”Tratatului asupra Electricității și Magnetismului” de către James Clerk Maxwell, putem afirma că este începutul tehnologiei de transmisie prin undele radio. După 15 au fost detectate primele unde radio. Heinrich Rudolph Hertz, în 1888 este cel de la care provine numele unitătii de măsură a frecvenței. Hertz prin generarea de scântei electrice folosind o bobină de inducție, demonstrează că acestea pot fi asimilate cu undele radio, descrise teoretic de către Maxwell. Cercetările lui Heinrich Rudolph Hertz sunt continuate de către Guglielmo Marconi și aplicate în telegraful fără fir. Marconi transmitea în anul 1896, mesaje în codul Morse pe o distanță de câțiva kilometri.

Tehnologia HF (High Frequency), s-a dezvoltat repede. După anii ’40 radioul a fost principalul mijloc de comunicație pe distanțe lungi. Domeniul militar fiind principalul beneficiar, deoarece asigura între trupe tersetre, vasele militare și cu aronavele aviației. Antenele emițătoarelor radio transmit unde radio care au viteza de propagare prin spațiu egală cu viteza luminii. Frecvența radio are unitatea de măsură herți (cicli pe secunda), cu mutipli kiloherți și megaherți. Comunicațiile radio pe distanțe lungi, se fac pe frecvențe înalte (HF) cuprinse între 1,6 și 30 MHz. Divizarea porțiunilor de bandă radio în cadrul acestei benzi, se pe baza unor acorduri internaționale, benzile radio fiind specifice fiecărui tip de utilizator.

Modulația este un proces ce modifică parametri unui semnal radio, faza, amplitudinea sau frecvența unui semnal de emisie, astfel ca aceștia să poarte informația dorită a fi transmisă. Caracteristica fenomenului de refracție a undelor radio din ionosfera Pământului, asigură propagarea ca unde spațiale pe distanțe lungi ce asigură comunicațiile.

Folosirea pe scară largă a emițătoarelor în spectru radio ce are o gamă relativ redusă de frecvențe generează interferențe, zgomotul atmosferic, activitățile industriale sunt sursa principală de zgomot radio.

Aplicarea descoperirilor matematice, a funcțiilor de transfer, în domeniul dispozitivelor DSP pot acum asigura o filtrarea adaptivă, eliminarea interferențelor și a bruiajul neintenționat. Caracteristicile echipamentelor se vor extinde  astfel încât parametri semnalelor radio vor fi optimizate astfel ca să poată fi folosit întreg spectru de frecvențe, în viitoarele aplicați de transmisii radio.

Circuitele numerice continua să își găsească loc din ce în ce mai mult în echipamentele radio în defavoarea circuitelor analogice. Rezultă astfel o reducere de costuri și aplicarea proiectări adaptive și verificarea încă din faza de proiectare. Circuitele de procesare numerice trec la folosirea de frecvențe ridicate și convertoare analogice-digitale cu rezoluție și viteză ridicată, iar circuitele DSP vor deveni tot mai des folosite și prețul din ce în ce mai mic. Adaptabilitatea, care a devenit posibilă datorită trecerii de la prelucrarea analogică la cea digitală, permite echipamentelor radio să se adapteze pentru diferite moduri de lucru, rezultând grade de performanță noi:

– rate de mari transfer ale datelor,

– moduri de lucru adaptate la condițiile de propagare,

– capacități îmbunătățite de salt în frecvență.

În prezent comunicațiile dintre calculatoare și modem-urile care le asigură conexiunea la internet se fac prin utilizarea UHF (Ultra Hight Frequency) ce prin puteri mici și distanțe scurte asigură comunicații sigure.

Comunicațiile wireless, curent utilizate în tehnica de calcul, au frecvența purtătoarei de 2,5 GHz și 5 GHz. Experimental însă s-au făcut comunicații cu 76 GHz. Acestă frecvență are lungimea de undă de circa 4mm.

Lungimea de undă este e caracteristică legată de viteza de propagare printr-un anumit mediu a undei și de frecvența ei printr-o relație invers proporțională:

(5.1)

Viteza de propagare a luminii se notează de cu litera c și este 299.792.458 m/s măsurată în vid, dar puțin mai mică în aer.

Fig. 5.1 Forma sinusoidei și lungimei de undă

Lungimea de undă este o caracteristică a fenomenelor ondulatorii care au o periodicitate, așa cum sunt:

– undele electromagnetice,

– undele radio,

– lumina.

– undele mecanice (sunetele, undele seismice, etc.).

Lungime de undă este o caracteristică ce se poate atribuii orcărui fenomen ce are o periodicitate în spațiu. Matematică ne pune la dispoziție funcțiea sinusoidală la care tratăm argumentul funcție poziționat în spațiu, putem defini ca lungime de undă distanța la care funcția își repetă valorile, după cum este exemplificată in figura 5.1.

Trecerea la folosirea în viața de zi cu zi a frecvențelor foarte înalte, de ordinul GHz-ilor, la utilizarea spectrului lumini vizibile, neutilizat în mod curent, este doar un pas tehnologic care trebuie trecut datorita aglomerării canalelor de comunicații.

Fig. 5.2 Secțiune printr-un cablu de fibre optice

Trecerea la folosirea luminii vizibile drept purtător pentru informații este doar un pas. Folosirea pe scară largă a transmiterii informației folosind fibra optică drept canal de propagare, a dezvoltat o gamă largă de echipamente, modulatoare, amplificatoare, receptoare și emițătoare pe diferite spectre de lumină.

Fibra optică poate fi construită atât din sticlă cât și din plastic. Este un cilindru cu diamnetrul mult mai mic decât lungimea și asigură propagarea luminii de-a lungul său. Fibrele optice sunt folosite transmitrea de date în telecomunicații. Tehnologia produceri fibrelor optice și a echipamentelor adiacente permit transmisii pe distanțe și lărgimi de bandă mari ce depășesc alte medii propagare folosite în comunicație. Doar nevoia existenței fizice a cablului de fibră optică mai lasă spațiu de utilizare a undelor radio ce nu au nevoie de un mediu de propagare bine definit. Teoretic, poate fi construit un cablu de fibră optică care să asigure un număr de canale separate de transmisie egal sau mai mare cu toate canalele folosite în radiofrecvență.

Fibrele optice tind să înlocuiască cablurilor de metal ce transmit informații acestea au pierderi mai mici decât prin cablu electric, sunt imune la interferențe electromagnetice și utilizarea foarte largă a dus la costuri reduse. Fibrele optice se folosesc frecvent în iluminat ele putând transmite imagine și astfel, datorită dimensiunilor, permițând vizualizarea în spații înguste. Fibrele optice sunt special proiectate pentru utilizarea în diverse alte aplicații, inclusiv senzori și laseri. Fibra optică se comporte ca ghid de undă datorită reflexiei interne totale ce permite dirijarea luminii prin miezul fibrei.

Fibrele optice sunt construite în două tipuri:

fibre multimodale (MMF), suportă mai multe căi de propagare. Acestea au diametre mai mari și se utilizează pentru comunicații pe distanțe scurte, având nevoie de puteri mai mari

fibre monomodale (SMF) se folosec la distanșe mai mari de 0,5 km și asigură un singur mod de transmisie

Rețelele cu fibre optice sunt mult mai complexe coparativ cu rețeleșe de cabluri electrice. Terminalele fibrei trebuie sunt prelucrate cu dispozitive special construite și apoi asamblate prin metode mecanice, sau prin proceduri de sudură cu arc electric.

Comunicații în spectrul luminii vizibile

(VLC – Visible Light Communication)

Comunicarea în lumină vizibilă câștigă mult interesul cercetătorilor din cauza unor avantaje unice asupra frecvențelor radio. Susținera cercetărilor în sursele de lumină de randament ridicat, au adus echipamente complexe de alimentat surse de lumină echipate cu LED (Light Emitting Diode). Încercările practice de a explora posibilitățile diodelor electroluminiscente LED în sisteme de transmitere a informației sunt cu atât mai tentante cu cât posibilitățile de modulare sunt la costuri relativ mici și există o largă gamă de dispozitive de control și comandă. Un LED poate emite și primi lumina, prin urmare un simplu element poate să constituie un sistem de comunicare în spectrul vizibil de lumină (VLC).

Avantajele comunicării în spectrul de lumină vizibilă

Urmează a se enumera și explica o serie de avantaje relevante în spectrul de lumină vizibilă:

canalul de comunicare este vizibil (în contrast cu comunicațile radio, ce nu pot fi puse în evidență decât cu aparete dedicate), astfel încât este ușor să se determine care sunt dispozitivele care la un moment dat intră în contact pentru a schimba un mesaj, folosind simțul uman, văzul;

comunicarea în spectrul de lumină vizibile, permite transferul de informații și în medii unde efectul radiației electromagnetice trebuie evitat. Exempu cel mai evident în sălile de operații unde orice interferență a undelor electromagnetice poate crește riscurile de funcționare defectuoasă a aparateor. Un efect secundar este faptul că utilizarea comunicării prin lumina nu are nevoie de partajarea de canale, care este acum strict reglementată în spectrul de frecvențe radio. Interferențele sunt limitate la nivelul orizontului în spațiul de utilizare, iar ecranarea este un lucru infint mai facil de realizat decât în spectrul radio.

Principiul VLC este o abordare relativ nouă pentru optică folosită în aplicații în spațiul liber. Cu toate acestea, a fost luată în considerare până acum în principal, pentru acces la internet sau rețelele de acasă, dar poate oferi soluții fezabile în multe alte domenii.

În transportul rutier, se poate utiliza în schimbul de informații între vehicule, între mijloacele de semnalizare, dirijarea circulației și vehicule. Este utilă de asemenea pentru semnalizarea vehiculelor care au nevoie de prioritate mărită, care prin folosirea comunicației VLC, se reduce astfel poluarea sonoră a sirenelor.

Avertizările sonore și cele optice au acum rolul de-a face vizibil vehiculul ce solicită prioritate în traficul auto. Spațiul de vizibilitate accesibil conducătorilor auto poate fi ușor perceput drept canal de informație ce transmite o gamă largă de alte informații direct la conducătorii celorlalte vehicule, cum ar fi:

nivelul de prioritate solicitat,

direcția de unde care solicită prioritate (din interiorul unui vehicul este dificil de apreciat direcția de unde se aude sirena unui vehicul special),

numărul celor care solicită (poate fi o coloană de intervenție sau doar o simplă salvare).

Energia luminoasă este energia radiantă produsă de o sursă de lumină și care se propagă prin spațiu în cuante de energie numite fotoni, care interacționează cu atmosfera și obiectele întâlnite.

Radiația optică, numită și semnal de intrare, după ce ajungând pe suprafața opto sensibilă senzorul emite un semnal electric la ieșire cum se vede în figura 5.3 a, care poate fi utilizat, după prelucrări, în afișarea informației sub o formă sau alta, pe consolă intuitivă sau sub formă de text pe un ecran.

Fig. 5.3 Transformarea radiației optice în semnal electric

Orice senzor folosit are o caracteristică din care se utilizează porțiunea liniară sau porțiunea ce este bine definită și stabilă în timp la acțiunea factorilor de mediu la care este supus, lucru evidențiat în figura 5.3 b.

Radiația luminoasă este emisă sau absorbită prin cuante corespunzătoare unor particule numite fotoni. Acest principiu oferă o detecție în timp real, o rezoluție înaltă, o imagine multispectrală.

Fig. 5.4 Amplasarea spectrului vizibil în radiația luminoasă

În figura 5.4 se prezintă "poziția" zonei vizibile a spectrului optic în cadrul spectrului de frecvență. Prin radiația luminoasă în spectrul vizibil se înțelege radiația în gama lungimilor de undă de 0,4μm – 0,76μm. Radiația infraroșie este cea cuprinsă în gama 0,76μm – 100μm iar radiația ultravioletă cea cuprinsă în gama 0,01μm – 0,4μm.

Fig. 5.5 Culorile în spectrului vizibil în radiația luminoasă

Spectrul luminii vizibile este o porțiune restrânsă din radiația luminoasa (fig. 5.4) după cum este reprezentat în figura 5.5 și este cumprins între spectrul infraroșu si cel violet. Zona luminoasă a infraroșului este folosită în transmiterea și recepționarea informațior emise de telecomenzile pentru controlul aparatelor caznice. Spectrul luminii violet are o utilitate mai restrânsă, fiind folosită, ca de exemplu, pentru aparaturi bancare care pun în evidență elementele de siguranță ale bancnotelor.

Posibilitățile fizice de detectare a radiației optice sunt prezentate în tabelul din figura 5.6. Primele două categorii sunt cele mai utilizate în transmiterea de informații.

Fig. 5.6 Tabel reprezentând posibilități fizice de detectare a radiației optice

Funcționează detectoarelor cuantice se bazează pe efectului fotoelectric extern, mai exact pe capacitatea unor solide de-a emite electroni dacă asupra acestora se emite un flux luminos. Acest tip de emisie este guvernat de două legi principale:

densitatea curentului fotoelectronic este proporțională cu intensitatea fluxului luminos absorbit pe unitatea de suprafață emisivă.

energia maximă a electronilor emiși este direct proporțională cu frecvența radiației și nu depinde de intensitatea ei.

Conversia fluxului radiant în semnal electric are limitări în timp datorită factorilor ce limitează procesul de detecție:

timpul de viață a purtătorilor de sarcină,

timpul de transport al sarcinii,

capacitatea termică,

electronica aferentă procesului,

modularea fluxului radiant.

Performanțele acestor elemente, combinate cu parametrii ce descriu drumul optic, definesc în final performanțele senzorului optic.

Componentele unui senzor optic sunt grupate în trei categorii:

elementul propriu zis și etajul de preamplificare,

elemente auxiliare pentru fixarea precum și elemente optice (oglinzi, lentile, filtre),

elementele electronice (amplificatoare, filtre, decodoare).

Un ansablu format dintr-o sursă de lumină (constituită dintr-o diodă LED, un bec cu incandescență, sau tub fluorescent) ce generează un fascicol luminos care este captat de un element fotosensibil (fotodiodă, fotorezistență, fototranzistor), este elementul minim necesar pentru studierea și analiza prezenței sau absenței fluxului luminos pe receptor și va putea pune în evidență prezența sau absența informației.

Dispozitive folosite in comunicații VLC

Fotorezistorul este format dintr-un strat semiconductor de Se, SPb, STa, SeCd, SePb depus prin evaporare în vid pe un grătar metalic, fixat în prealabil pe o placă izolatoare, cum se poate vedea în figura 5.7.

Fotorezistorul este prevăzut cu două contacte identice și simetrice ce asigură interconectarea lui cu elementele circuitelor electronice. Pelicula semiconductoare se protejează prin separarea de mediul extern printr-un ecran transparent sau pein acoperire cu lac sau peliculă de masă plastică transparentă. Pelicula își modifică rezistența electrică, aceasta fiind invers proporțională cu valoarea fluxului luminos incident până la valori în jur de 100 Ω, dacă aceasta este expusă unui flux de raze de lumină de intensitate mare.

Fig. 5.7 Forma fizica a fotorezistorului și caracteristica de răspuns

Rezistența fotorezistorului, făra să fie supus incidenței razelor de lumină, este definită ca orice rezistența aparținând elementelor electrice. Sensibilitatea integrală S este definită ca raportul dintre fotocurent și fluxul luminos Φ incident la suprafața fotorezistorului:

(5.2)

unde I este curentul care trece prin fotorezistor la iluminare, iar Id este curentul de întuneric.

Dacă fotorezistorul este supus incidenței unui flux de lumină monocromatic, atunci el poate oferi informații de natură spectrală asupra fluzului de lumină. Sensibilitatea fotorezistorului se definește în funcție de rezistența la iluminare cu un flux luminos și rezistența la întuneric. Întârzierea în răspuns a acestor elemente sensibile este mai mare de 10 ms.

Caracteristicile spectrale ale sensibilității fotorezistorului sunt o funcție proporțională cu lungimea de undă a lumini la care este expus:

S =f(λ) (5.3)

sau caracteristicile voltampermetrice:

I = f(U), Id = f(U) (5.4)

unde U este tensiunea aplicată pe fotorezistor.

Fotodioda din figura 5.8 reprezintă o joncțiune p-n de o construcție specială, astfel încat să facă posibilă incidența razelor de lumină în domeniul zonei de difuzie a acesteia.

Fig. 5.8 Reprezantarea fizică a unei fotodiode și caracteristica electrică

Caracteristicile statice ale fotodiodei evidențiază două regimuri posibile de funcționare:

regimul propriu-zis de fotodiodă,

regimul de fotogenerator (transformator al energiei luminoase în energie electrică).

Joncțiunea p-n este polarizată invers cu ajutorul sursei U1. Incidența razelor de lumină în zona de difuzie determină o creștere a curentului invers Iinv. Simbolul și modul de polarizare a fotodiodei sunt prezentate în figura 5.9.

Fig. 5.9 Simbolul electric și schema de conectare în circuit a fotodiodei

Curentul de saturație, care corespunde unui flux luminos incident nul, se numește curent de întuneric (~1μA). Timpul de creștere, măsurat între momentul când curentul variază între 0,1 și 0,9 din valoarea finală, la aplicarea unui salt de iluminare, este de ordinul a 1 μs.

Orice element fotodetectoare are o caracteristica de sensibilitate spectrală ce prezintă un maxim. De exemplu în infraroșu fotodioda cu Si are un maxim la λmax = 800nm, iat cele cu Ge au λmax = 1,6 μm, iar cele din InAs, λmax = 3.5 μm.

Fig. 5.10 Forme constructive de fotodiode

Dependența dintre valoarea parametrului electric maxim a fotoelementului și valoarea deplasării unghiulare față de axa optică a lui, se definește ca fiind caracteristica de directivitate normală. Directivitate ete mult mai pronunțată la elementele foto prevăzute cu lentilă decat cele dotate doar cu fereastră plană. La alegere tipului de fotodiodă pentru diferite aplicații se are în vedere în primul rand lungimea de undă a radiației recepționate.

Fototranzistorul are în coponeța sa constructivă, la fel ca și orice tranzistor, un strat semiconductor de tip PNP sau NPN, care în zona de bază, primtr-o fereastră sau lentilă se poate radia cu lumină.

Fig. 5.11 Structura și simbolul fototranzistorului PNP și NPN

Caracteristicile acestui element sensibil sunt prezentate în figura 5.12.

Fig. 5.12 Caracteristicile fotorezistorului

Fototranzistorul păstrând caracteristica de amplificare a unui tranzistor obișnuit, realizează și o amplificare a curentului fotoelectric. Echivalent curentului de bază și la fototranzistor, prin incidența radiațiilor, curentul de colector are o creșterea dată de factorul de amplificare. Curentul de întuneric este echivalent cu cel rezidual al unui tranzistorobișnuit și este dat de:

(5.5)

unde acest curent este mult mai mare decât cel al fotodiodei care corespunde la ICB0, de aici ve vede câștigul în aplificare al fototranzistorului față de fotodiodă.

Notând cu IF curentul de colector datorat incidenței razelor de lumină și prin β factorul de amplificare datorat efectului de tranzistor, curentul de colector IC al unui fototranzistorului este:

(5.6)

Dar fototranzistoarelor în funcționare au o inerție mai mare decat cea a fotodiodei.

Diodele electroluminiscente – LED (Light Emitting Diode) și IRED (Infra Red Emitting Diode) sunt fotodiode emisive. Polarizând joncțiunea în sens direct, în zona de trecere a acesteia vor avea loc procese de recombinare electron – gol, insoțite de emisie de energie în exterior. În general, suprafața activă a unei astfel de diode este de 0,1-10 mm2 și intensitatea radiațiilor emise este proporțională cu curenții direcți prin joncțiune (1 – 100 mA).

Un circuit tipic de alimentare pentru un LED este prezentat în figura 4.13.

Fig. 5.13 Simbolul electric și schema de conectare în circuit a LED-ului

Eficiența transformării este de 1 – 5 %. Radiația luminoasă obținută cu ajutorul unui LED este monocromatică. Se realizează LED-uri cu radiație roșie (LED pe bază de GaAsP), galbenă, verde (LED pe bază de GaP) sau infraroșie (LED pe bază de GaAs).

LED-ul este mai scump decât un bec de mică putere, dar fiind un dispozitiv cu răspuns și cu radiație cu spectru îngust, în comparație cu dioda laser, LED-ul are avantajul unei dependențe mai scăzute a puterii emise față de temperatură și astfel cerințele de stabilizare pentru circuitele de excitare sunt mai mici.

Utilizarea dispozitivelor LED în comunicarea VLC

Termenul de comunicație se referă la schimbul de informații între doi interlocutori, care pot fi persoane sau echipamente. Dacă acest schimb de informații se face la distanță și implică utilizarea unor echipamente speciale, atunci este vorba de telecomunicații. Telecomunicațiile se ocupă cu transmiterea mesajelor între producătorii de informație și utilizatori. Situația actuală în domeniul telecomunicațiilor este caracterizată de următoarele tendințe:

dezvoltarea sistemelor de comunicație și de transmisiuni digitale;

evoluția rețelelor de telecomunicații spre rețele digitale cu servicii integrate (SDH, ATM, TCP/IP);

globalizarea rețelelor (Internet);

creșterea explozivă a volumului de informații vehiculate;

diversificarea serviciilor cerute de utilizatorii sistemelor de telecomunicații (voce, date, video).

Fig. 5.14 Reprezentare schematică de comunicare între LED-uri

Dezvoltarea rețelei de telecomunicații este determinată de creșterea cerințelor pentru servicii clasice (telefon, telegraf, telex, etc.) dar și de apariția unor cerințe pentru servicii noi, legate în special de dezvoltarea sistemelor informaționale, de necesitatea interconectării autovehiculelor, sistemelor de semnalizare și control ale circulației auto. Ea a devenit posibilă și datorită progreselor înregistrate în diversele domenii ale științei și tehnicii:

microelectronica;

digitalizarea transmisiei și comutației;

desfășurarea rapidă a rețelelor bazate pe fibre optice, rețele radio de mare capacitate și pe sateliți, care au antrenat schimbări în tehnologiile de transmisie;

Dezvoltarea și punerea la dispoziția producătorilor de soft a unui aparat matematic elaborat.

Analiza schemei bloc într-un VLC

Un mesaj care aduce date utile în rezolvarea unei probleme ce prezintă un anumit grad de incertitudine, are denumirea de informație. Sursa de informații (emițătorul) și utilizatorul informației (reseptorul) formează sistemul de telecomunicații.

Fig. 5.15 Schema bloc al unui sistem VLC folosind tehnologia LED

Emițătorul primește spre prelucrare semnalul s, pentru a-l face apt de a fi transmis prin mediul de propagare, în cazul de față spațiul atmosferic limitat la orizontul vizibil. Echipamentul de recepție extrage din mediul de transmisie semnalul recepțonat r. Acest semnal reprezintă o combinație între semnalul emis s și perturbațiile n care afectează canalul de transmisie. Echipamentul de emisie, mediul de propagare și echipamentul de recepție formează un ansamblu numit canalul de comunicație.

Traductorul de recepție (LED sau alt dispozitiv optosensibil) transformă semnalul electric r în mesajul purtător de informație, u. În cazul ideal este valabilă relația:

m≡u (5.7)

adică mesajul recepționat este identic cu cel emis.

În realitate, există o relație de forma:

u = f(m) (5.8)

unde f este o funcție cunoscută.

Echipamentul de emisie conține două blocuri funcționale principale: codorul și modulatorul.

Codorul are rolul de-a prelucra semnalul în așa fel ca prin trecera lui prin mediul de propagare diminuează la maxim apariție a erorilor în timpul transmisiei. El este format din circuite electronice ce adaptează sursa de semnal la tipul canalului de emiseie ce va fi utilizat

Modulatorul este un circuit de prelucrare cu ajutorul căruia semnalul s modifică parametrii unei oscilații de frecvență, în cazul nostru, comandă emisia în spectrul vizibil numit purtătoare.

Trecera semnalului s emis prin mediul de acesta suferă o atenuare. Atenuarea este dependentă de caracteristicile mediului de propagare și este de regulă proporțională distanța la care se află receptorul față de emițător. Una din problemele majore a unui canal de comunicații este introducerea de perturbații (zgomot) prin trecerea semnalului prin mediul de propagare. Raportul dintre nivelul semnalului util și nivelul semnalelor perturbatoare nu este permis să scadă sub o anumită valoare astfel încât informația primită de receptor să rămână inteligibilă,. În cazul VLC distanța de transmisie este incomparabil mai mică decât în cazul transmisiilor radio. Astfel, nu se pune problema creșterii puterii mai mare decât cea necesară asigurării vizibilității sau semnalizarea prezenței autovehicului, respectiv a dispozitivelor de interconectare.

Echipamentul de recepție este totalitatea echipamerntelor ce pot asigură preluarea semnalului din mediul de propagare, amplificarea, filtrarea, demodularea și decodarea semnalului transmis. Receptorul trebuie să asigure, printr-o prelucrare analogică sau numerică a semnalului recepționat, regenerarea semnalului s într-o formă cât mai apropiată de cea originală.

Perturbațiile care afectează semnalul vehiculat prin mediul de propagare al semanlului emis, prin lumina vizibilă pot fi catalogate în trei categorii distincte:

perturbațiile rezultate din interferențele canalelor multiple ce pot să apară de la mai multe emițătoare;

perturbațiile iluminatului ambiental sau al firmelor luminoase din spațiul urban, care se adaugă peste cele din prima categorie;

perturbații de staturație a elementului receptor datorită luminii naturale.

Semnalul sau suportul mesajului în sistemele de comunicații VLC, este un semnal electric. Traductorul de la emisie transformă datele care urmează a fi transmise în variații proporționale ale unei mărimi electrice.

Fig. 5.16 Tipuri de semnale

Semnalele pot fi descrise prin funcții de timp. Semnalele utilizate în sistemele de comunicație pot fi subîmpărțite în două clase:

semnale continue cu variație continuă în timp, numite și semnale analogice, precum pot fi observate în figura 5.16 a;

semnale discontinue (discrete), care la rândul lor pot fi:

semnale cuantificate în timp (eșantionate) (figura 5.16 b);

semnale continue cuantificate în nivel (figura 5.16 c);

semnale cuantificate în nivel și eșantionate (figura 5.16 d);

semnale digitale (figura 5.16 e).

Amplitudinea semnalelor analogice poate lua orice valoare într-un domeniu, cum de altfel și amplitudinea semnalelor eșantionate poate lua orice valoare în intervalul de valori în care sunt definite, dar numai în anumite momente de timp, în rest, ele au valoarea zero, iar amplitudinile semnalelor cuantificate în nivel pot lua anumite valori într-un domeniu dat. Semnalele digitale sunt caracterizate prin două niveluri posibile ale amplitudinii, denumite nivel „1” și nivel „0”, această informație având denumirea generică de bit.

În primele patru cazuri, mesajul este transpus, cu exactitate mai mare sau mai mică, așa cum se observă în figura 5.15, în valori de amplitudine ale semnalului electric. În ultimul caz, frecvența sau durata impulsurilor de amplitudine fixă sunt cele care „transcriu” mesajul.

Reprezentarea semnalelor

Orice semnal poate fi caracterizat prin două reprezentări:

reprezentare în domeniul timp (formă de undă);

reprezentare în domeniul frecvență (spectrul de frecvențe).

Semnale pur sinusoidale. Un asemenea semnal se exprimă printr-o relație de forma:

(5.9)

unde: – este amplitudinea maximă a semnalului și

– frecvența unghiulară (pulsația) a semnalului:

(5.10)

unde: – fiind frecvența semnalului, iar perioada lui;

– faza inițială.

Caracteristici și moduri de exploatare a LED-urilor

Pentru a folosi un LED la recepția impulsurilor luminoase se exploatează sensibilitatea acesteia la primirea de fotoni, generându-se foto-curent de valoare foarte mică. Evidențierea acestei caracteristici se face prin polarizarea inversă a LED-ului cu un curent foarte mic. LED-ul se comportă ca un condensator de capacitate mică. În această stare încărcată, un flux de fotoni generat de emițător accelerează descărcarea condensatorului. Dacă acest semnal se aplică la intrarea unui convertor analog digital (ADC) ce este disponibil în sistemul cu microcontroler, tensiunea de pe LED poate fi măsurată după o perioadă de timp constant. ADC măsoară valore scăzută, indică o descărcare rapidă de foto-curentul generat de fotoni și dacă ADC măsoară valori ridicate înseamnă că nu a existat nici o sursă de lumină prezentă. Se poate folosi în locul ADC-lui un comparator de tensiune cu histerezis ce poate fi utilizat pentru a decide dacă tensiunea eșantionată are nivel logic ridicat sau scăzut. Acesta soluție se limitează la distanțe mici între sursă de lumină și receptor, iar rezultatele depind deasemenea de intensitatea emițătorului. LED-ul s-ar putea să nu primească suficientă lumină astfel cât să nu scadă sub tensiune de prag minim, iar în acest caz, este imposibil să se distingă lumina transmisă de la lumină ambientală. ADC, pe de altă parte, permite receptorului stabilirea automată a limitelor de prag pentru a detecta schimbări fine, în măsurători.

Procesarea semnalelor în echipamentele de telecomunicații

Pe baza caracteristicilor, funcție de timp și funcție de frecvență, pot fi definite următoarele proprietăți generale ale semnalului:

durata semnalului TS;

lărgimea de bandă a spectrului BS,

raportul semnal/zgomot HS, definit ca logaritmul raportului dintre puterea medie a semnalului PSși puterea medie a zgomotului PZG de care este afectat:

(5.11)

Lărgimea de bandă a spectrului BS este dependentă de numărul de armonici din structura semnalului. Cu cât forma caracteristicii în funcție de timp a unui semnal este mai diferită de o sinusoodă, cu atât el conține mai multe componente armonice. Este important de știut că un semnal dreptunghiular are un număr infinit de armonici.

Produsul celor trei mărimi definește volumul semnalului a cărui transmisiune trebuie asigurată:

(5.12)

În acest context, volumul semnalului este o mărime „geometrică”. El nu se referă la nivelul semnalului.

Mărimile caracteristice canalului de telecomunicații

Calitatea comunicației este în bună măsură dependentă de canalul de telecomunicații, și anume de:

timpul în care transmite semnalul, TC;

banda de trecere a canalului, BC;

gama dinamică a semnalelor pe care le poate transmite, HC.

Gama dinamică este ecartul dintre puterea maximă admisă de echipamente și puterea minimă corespunzătoare pragului de sensibilitate. Capacitatea canalului de telecomunicații este dată de produsul celor trei mărimi :

(5.13)

Canalului de comunicație trebuie să aibă o caracteristică superioară celor ale semnalului, pentru ca transmisiunea să nu fie afectată de distorsiuni. Dacă această condiție nu este îndeplinită, dar este satisfăcută relația VS≤ VC, atunci transmiterea semnalului este posibilă după o modelare corespunzătoare a semnalului la caracteristicile canalului. Modelarea este un ansablu de operațiuni ce implică controlul nivelului semnalului prin diverse metode de prelucrare/procesare a acestuia. Atunci când VS≥ VC transmiterea semnalului este considerată inutilă, are loc o pierdere de informație.

Transformările uzuale la care sunt supuse semnalele în echipamentele de telecomunicații sunt:

modulația

amplificarea/atenuarea

filtrarea

codarea/decodarea.

Aceste operați la care este supusă informația pentru a deveni semnal ce se poate propaga spre un receptor vor fi explicate pe scurt în cele ce urmează. Vor fi prezentate de asemenea și câteva aspecte ale generării semnalelor folosite ca purtători în procesul de modulație, sau ca impulsuri de tact în comunicațiile digitale.

Modulația semnalului purtător

Modulație esteprocesul prin care se modifică unul sau mai mulți parametri a unui semnal purtător pentru a transmite informații. Semnalele care intervin în procesul de modulație sunt:

semnalul s(t) care poartă mesajul, denumit semnal modulator;

semnalul p(t) asupra căruia se transferă informația, denumit purtător;

semnalul modulat sM, rezultat din acțiunea semnalului modulator asupra purtătorului.

Modulația, deci transferul de informație, constă în modificarea unui parametru (amplitudine, frecvență, fază,durată, etc.) al purtătorului p(t) de către semnalul modulator s(t). În funcție de forma de undă a semnalului purtător, se pot deosebi următoarele tipuri de modulație:

modulație cu purtător sinusoidal

modulație cu purtător în impulsuri.

Modulația cu purtător sinusoidal

Procesul de modulație urmărește ca modificarea parametrului purtătorului de către semnalul modulator să aibă loc după o lege liniară. O astfel de dependență asigură la recepție o recuperare simplă a semnalului util din sM(t) (demodulație):

modulație de amplitudine (MA);

modulație de frecvență (MF);

modulație de fază (MP).

sisteme de modulație combinate de tip (MA+MP)

Modulația de amplitudine este unul dintre primele tipuri de modulație folosite. Echipamentul necesar atât pentru modulație cât și pentru demodulație, este simplu.

Fig. 5.17 Forma semnalului modulat în amplitudine cu purtător sinusoidal

În figura 5.17 sunt prezentate formele de undă ale semnalelor modulator, purtător și modulat pentru cazul în care și semnalul modulator este pur sinusoidal.

Deși acest tip de modulație necesită echipamente simple pentru modulație și demodulație, el nu va fi utilizat în VLC. Acest mod de modulație este încă folsit în transmisiile de radiodifuziune. Dacă s-a renunțat la acest tip de modulație pentru transmisiile comerciale sau militare, nu s-a renunța în aviația civilă. Acest sistem de transmitere a informației este cel mai simplu de demodulat și astfel de interpretat.

Modulația de frecvență și de fază

Modulație de frecvență și de fază au fost introduse deoarece semnalele modulate obținute prezintă o mai bună stabilitate la perturbații decât semnalele cu modulație de amplitudine.

Orice modificare a amplitudinii sub acțiunea perturbațiilor apare ca o modulație în amplitudine suplimentară, ceea ce duce la falsificarea mesajului original. Perturbațiile care acționează asupra semnalului în timpul transmisiei afectează în special amplitudinea acestuia. Prin modulația de frecvență (MF) semnalul modulator modifică frecvența instantanee a purtătorului, iar prin modulația de fază (MP) , modifică faza instantanee.

Fig. 5.18 Modulația de fază PSK și polifazată nPSK

Pentru modulația de frecvență se definește deviația de frecvență și frecvența purtătorului

nemodulat. În urma analizei semnalelor MF și MP, analiză care necesită un aparat matematic superior, rezultă câteva concluzii:

banda de frecvență ocupată de spectrele semnalelor MF și MP este mai mare decât cea a semnalelor MA, ceea ce înseamnă o utilizare mai puțin economică a canalului;

în cazul MF banda necesară pentru transmiterea semnalului este largă, dar constantă (independent de frecvența semnalului modulator); modulația de frecvență va utiliza mai eficient canalul de comunicație dacă semnalul modulator are un spectru larg;

în cazul MP banda necesară pentru transmisie depinde de frecvența semnalului modulator (este mai mare pentru componentele de frecvență mare); din acest motiv, MP va fi utilizată pentru transmisii cu modemuri, pe canale cu bandă de trecere îngustă.

Modulațiile polifazate nPSK precum și cele de amplitudine și fază QAM reprezintă forme moderne și performante de modulație utilizate constant pe canalele radio. Modulațiile polifazate și modulațiile de fază și de amplitudine sunt eficiente din punctul de vedere al parametrului bit/Hz pentru transmisia de date.

Filtrarea semnalelor

Filtrele sunt circuite utilizate la prelucrarea semnalelor, prin care pot trece doar semnalele de anumite frecvențe, impuse. Un filtru este un cuadripol, adică două borne de intrare și două borne de ieșire. Printre dispozitivele de bază folosite în electronică, filtrele ocupă un loc privilegiat, datorită frecventei lor utilizări. Nu există nici un echipament electronic a cărui structură să nu conțină cel puțin un filtru. Teoria filtrelor analogice a fost elaborată la începutul secolului XX.

Dezvoltarea acestei teorii a fost stimulată de necesități practice. Una dintre acestea, poate cea mai importantă, a fost problema transmiterii informației pe canale afectate de zgomot. Există două tipuri de soluție pentru această problemă:

creșterea imunității la perturbații a semnalului emis prin codarea canalului;

îmbunătățirea raportului semnal pe zgomot (RSZ), prin filtrarea semnalului recepționat.

Filtrarea semnalelor se poate face în scheme electronice ce conțin componente analogice sau prin eșantionarea semnalului si prelucrarea lui digitală, asfel impărțindu-se:

filtre analogice

filtre numerice

Filtrele analogice

Folosirea acestora a fost mult anterioară celor numerice. Și filtrele analogice au pe lîngă caraceristicile componentelor folosite și un suport matematic consistent necesar pentru o bună utilizare a componentelor și obținerea caracteristicilor necesare.

După tipul componentelor, se pot defini două clase mari de filtre:

filtre pasive

filtre active

Filtrele pasive conțin în structura lor numai elemente concentrate pasive (rezistențe, condensatoare, bobine) și permit realizarea oricărui tip de caracteristică de filtrare, începând din domeniul frecvențelor audio și până la frecvențe de ordinul a zecilor de megaherți. În domeniul frecvențelor foarte înalte (sute sau mii de MHz) se utilizează filtre LC cu constante distribuite. Pentru realizarea filtrelor de bandă cu caracteristici cât mai apropiate de cea ideală (rectangualară) se utilizează rezonatoare magnetostrictive (filtre electromecanice), rezonatoare cu cuarț sau materiale speciale în care se pot introduce unde acustice de suprafață (filtre de bandă SAW – Surface Acoustic Wave).

Filtrele active conțin în structura lor elemente active (tranzistoare, amplificatoare operaționale). Ele se folosesc cu precădere în domeniul frecvențelor joase și foarte joase (de la câțiva Hz până la câțiva kHz). Cele mai cunoscute structuri de filtre active cu un amplificator operațional sunt: structura cu reacție simplă, cea cu reacție multiplă și cea cu amplificator neinversor. Spre deosebire de filtrele pasive care fac o atenuare mai mică în banda de trecere și o atenuare pronunțată în spectrul de blocare, filtrele active pot avea un câștig în zona benzii de lucru și o atenuare în zona ce se dorește eliminată.

Filtrele se utilizează în toate domeniile telecomunicațiilor, în radiotehnică, în electroacustică, în telefonie. O importantă aplicație o au filtrele în telefonia și telegrafia radio sau prin curenți purtători, pentru separarea unei benzi laterale a semnalelor modulate în echipamentele de emisie, și separarea benzilor corespunzătoare fiecărei căi în echipamentele de recepție telefonică. Folosirea filtrelor analogice se restrânge în sistemele de comunicații ce folosind tehnica de calcul, pot ușor implementa filtrele numerice. Implementarea în softul folosit de microcontrolere a algoritmilor de calcul, cît și apariția cipurilor specializate, permite o abordare sigură a comunicațiilor VLC, folosind filtrele numerice.

Filtrele numerice

Printre matematicienii care au adus cele mai de seamă contribuții la rezolvarea acestei probleme prin filtrare se numără și profesorul Norbert Wiener, care a activat la MIT  (Massachusetts Institute of Technology). Ideile sale au fost puse în practică de doctorandul său, inginerul electronist Y. W. Lee, care a expus totul pe înțelesul studenților și tinerilor cercetători.

Implementarea în softul folosit de microcontrolere a algoritmilor de calcul, cît și apariția cipurilor specializate, permite o abordare sigură a comunicațiilor VLC, folosind filtrele numerice. Avantajele filtrelor numerice față de filtrele analogice:

caracteristicile sunt ușor de modificat prin simpla schimbare a coeficienților în program.

sunt ușor de sintetizat, testat și implementat pe orice calculator de uz general, microcontroler sau procesor de semnal.

caracteristicile nu sunt influențate de condițiile de mediu și nici de timp.

nu necesită componente hardware de precizie. Precizia este asigurată doar de lungimea cuvântului prelucrat.

permit implementarea unor caracteristici care nu pot fi realizate cu filtre analogice.

semnalele de intrare și de ieșire pot fi stocate sau transmise la distanță.

utilizând tehnicile VLSI, raportul performanță/preț ajunge foarte ridicat.

Filtrele sunt quadripoli (diport) care lasă să treacă cu o atenuare cât mai mică oscilațiile cuprinse într-o anumită bandă de frecvențe numită bandă de trecere, și atenuează foarte mult oscilațiile care nu sunt cuprinse în banda de trecere (banda de atenuare). Ca orice sistem ce are o funcție de intrare și alta de ieșire care se poate analiza, simula, aplica folosind funcția de transfer.

Funcția de transfer (FDT) este definită ca raportul dintre imaginea operațională Y(s) a funcției de ieșire y(t) și imaginea operațională U(s) a funcției de intrare u(t).

(5.12)

Coificienții b ai polinomului de la numărător stabilesc rădăcinile acestuia. Rădăcinile polinomului de la numitor dau gradul filtrului și se numesc poli ai funcției de transfer. La funcția de transfer aplicată filtrelor polinomul de la numărător are gradul mai mic sau cel mult egal cu gradul polinomului de la numitorul funcției de transfer, adică m ≤ n.

Poziționarea polilor față de axa de separare a valorilor imaginare de cele reale, definesc stabilitatea sistemului. Maxima stabilitate este dată când polii au vaolarea 0, sau rămân în zona în interiorul cercului unitar, dar dacă iasă din cercul unitar sistemul este instabil și intră în oscilație. Există diferite tipuri de filtre, principalele deosebiri dintre ele fiind caracteristica de transfer (banda transmisă) și tipul elementelor componente. În funcție de banda transmisă, fitrele se împart în:

filtre trece jos (FTJ)

filtre trece sus (FTS)

filtre trece bandă (FTB)

filtre oprește bandă (FTO)

În continuare folosind MATLAB pentru a exemplifica și simula funcționarea filtrelor numerice. MATLAB este un mediu de modelare și simulare interactiv utilizat pentru calcule și analize științifice. Înglobează diverse posibilități de lucru, precum: analiza numerică, calculul matricial, procesarea semnalelor sau reprezentarea grafică, într-un mediu ușor de utilizat. Formularea enunțurilor și soluțiile problemelor se exprimă exact cum sunt scrise matematic, nefiind necesară o programare tradițională. În calcule complexe programul se bazează pe operațiile cu matrici. MATLAB-ul are module dedicate ce permit stabilirea coificienților polinoamelor din funcția de transfer, gradul filtrului, tipul acestuia, banda de trecere, atenuare în afara benzii.

În modulul Filter Design & Analysis Tool găsim o mulțime de instrumente utile pentru proiectare și analiza filtrelor. În continuare se vor utiliza cele patru tipuri de filtre în aplicația MATLAB.

Filtrele trece-jos (FTJ)

Aceste filtre permit trecerea cu atenuare mică a semnalelor de frecvență joasă, banda de trecere fiind cuprinsă între zero și o frecvență limită superioară, numită frecvență de tăiere. În 5.23 se vede fereastra oferită ce ne permite să alegem parametri filtrului. Am ales o frecvență de trecere de 9.600 Hz și o atenuare de 80 dB a frecvențelor mai mari de 1,2kHz.

Fig. 5.23 Modulul de parametri Filter Design & Analysis Tool

În figura 5.24 se observă atenuarea obținută a ului semnal trecut prin caracteristicile filtrului trece-jos cu parametri în ecranul printscreen al modului Filter Design & Analysis Tool din figura 5.23. Datorită numărului de poli mare (Current filter information/Order: 50) se observă atenuarea puternică în afara benzi de trecere.

Fig. 5.24 Caracteristica de transfer a FTJ

Conform funcției de transfer (FTD) din formula 5.12 rădăcinile polinomului de la numărător, numiți poli ai funcției, se află toți în origine, acest lucru asigură o stabilitate maximă a sistemului.

Fig. 5.25 Distribuția polilor și zerourilor în FTJ

În exemplul tratat de față, funcția de transfer a filtrului de ordinul 50 are o distribuție a zerourilor redată mai jos în figura 5.25.

Filtrele trece-sus (FTS)

Sunt filtre care permit să treacă neatenuate sau foarte puțin atenuate semnalele cu frecvențe peste o anumită valoare numită frecvență de tăiere. Semnalele cu frecvențe mai mici decât frecvența de tăiere sunt atenuate forte puternic.

Filtrul trece-sus este exact opusul filtrului trece-jos, dupa cum sugereaza si numele: permite trecerea semnalelor de frecventa înalta si blocheaza trecerea semnalelor de frecventa joasa. Aceste filtre atenuează banda de frecvență mai mică decât frecvența de trecere și permite trecerea frecvențelor superioare fără atenuare. În figura 5.26 s-a ales (Freqency Specifications/Fpass) tot 9,6 kHz frecvența minimă de trecere, frecvență sub care semnalele sunt atenuate cu mai mult de 80 dB.

Fig. 5.26 Caracteristica de transfer a FTS

În diagrama din figura 5.27 ce reprezintă rădăcinile polinoamelor funcției de transfer se poate obsera simetria față de diagrama FTJ reprezentată în figura 5.25.

Fig. 5.27 Distribuția polilor și zerourilor în FTS

Filtrele trece-bandă (FTB)

Sunt filtre care permit să treacă neatenuate sau atenuate foarte puțin, semnalele cu frecvențe cuprinse într-un anumit domeniu de frecvențe, numit bandă de trecere. Semnalele cu frecvențe aflate în afara benzii de trecere sunt atenuate foarte puternic.

Exista aplicatii in care este nevoie de filtrarea unei anumite benzi de frecvente din totalul frecventelor prezente in semnal. Circuitele de filtrarea realizate pentru indeplinirea acestui obiectiv pot fi realizate dintr-un filtru trece-jos si unul trece-sus, conectate impreuna. Rezultatul este un filtru denumit trece-bandă.

Aceste filtre admit două limitări de frecvență, astfel că în afara acestor limite toate semnalele sunt atenuate și banda între aceste limite nu are atenuare semnificativă.

În figura 5.28 se poate vedea graficul de atenuare a frecvențelor în jurul benzii de trecere.

Fig. 5.28 Caracteristica de transfer a FTB

Figura 5.29 reprezintă dispunerea rădăcinilor numărătorului (zerouri) oarecum simetric față de axa imaginară, iar rădacinile numitorului (poli) sunt tot în zero ca și la celelante filtre.

Fig. 5.29 Distribuția polilor și zerourilor în FTB

Filtrele oprește-bandă (FTO)

Sunt filtre complementare filtrelor trece–bandă, care permit să treacă neatenuate sau atenuate foarte puțin, semnalele cu frecvențe aflate în afara domeniului de frecvențe numit bandă de tăiere și atenuează foarte puternic semnalele aflate în frecvența benzii de tăiere. În transmiterea de date se poate întâlni în mediul de propagare existența unui semnal perturbator, care prin amplitudinea lui mărește factorul de zgomot peste posibilitățile echipamentului de recepție de a extrage semnalul util. În aceste cazuri se poate folosi filtrul oprește-bandă ce atenuează toate frecvențele cuprinse în banda selectată.

Același meniu sugestiv ne permite o configurare a FTO, după cum se poate vedea în figura 5.30.

Fig. 5.30 Modulul de parametri Filter Design & Analysis Tool pentru FTO

Atenuarea în bandă de blocare (Magnitude Specifications/Astop) s-a ales la 60 dB și poate fi văzută în figura ce urmează (fig. 5.31).

Fig. 5.31 Caracteristica de transfer a FTO

Ordinul filtrului ales (Current filter information/Order) este 46 și se pot vedea 46 de poli în punctul de coordonate 0-0 în figura ce urmează (fig. 5.32)

Fig. 5.32 Distribuția polilor și zerourilor în FTO

Concluzii Capitol 5

Dezvoltarea cunoașterii umane s-a putut realiza printr-un un mare efect de evoluție în domeniul comunicațiilor și mai cu seamă în domeniul filtrelor. Suportul matematic folosit pentru construirea filtrelor analogice și parametri tehnici bine definiți ai componentelor au creat posibilitatea construirii pe scară largă a filtrelor și implicit o dezvoltare rapidă a tehnicilor de comunicație. Dacă filtrele pasive cu componente discrete (rezistențe, condensatoare, bobine) au posibilități limitate în atingerea performanțelor necesare, filtrele care exploatau diverse alte caracteristici ale materialelor, au ajuns la perormanțe care se credeau de nedepășit. Dar una din marile unități de producție de filtre analogice performate, Rockwell Collins Filter Products a anunțat la 1 ianuarie 2016 închiderea liniilor de producție a filtrelor. Inroducerea pe scară largă a microcontrolerelor în echipamentele de comunicație, permite implementarea filtrelor numerice, care au performanțe superioare filtrelor analogice. Filtrele numerice pe lângă costul mic oferă și o foarte mare flexibilitate în proiectarea echipamentelor, flexibilitate care nici pe departe nu se putea obține cu filtrele analogice. Filtrele analogice erau construite pe anumite frecvențe, iar dacă se dorea schimbarea unor parametri ai filtrului era imposibil și se utilizau proceduri de comutare în funcție de nevoi.

Filtrele numerice permit o regândire a principiilor echipamentelor de comunicație tocmai datorită calității acestora de a se modela după necesitățile din fiecare moment în utilizarea echipamentelor de comunicație. Dacă până la folosirea filtrelor numerice comunicațiile în spectrul vizibil (VLC) aveau doar abordări teoretice, acum implementarea lor va permite abordări practice din cele mai variate și utile pentru comunicații, siguranță, confort, eliminarea radiațiilor nocive de radiofrecvență.

CAPITOLUL 6

MODEL EXPERIMENTAL DE TRANSMISIE-RECEPȚIE DATE

Introducere

Utilitatea abordării practice a acestei teme, constă tocmai în lipsa unor produse ce pot satisface, fie și parțial, comunicarea în spectrul vizibil. Documentarea a relevat o dinamică crescută a interesului pentru acest tip de aplicații. Apar tot mai multe material folosite, metode ce abordează acest domeniu, aplicații practice și rezultatele testelor.

În lucrarea de față s-a început stabilirea soluților practice folosind datele și cunoștințele bine verificate în timp pe comunicațile în spectrul radio. Echipamentele folosite în comunicații, ce folosesc ca purtătoare undele electromagnetice, au cunoscut o adevărată revoluție tehnologică prin utilizarea tehnicii de calcul și aplicarea principilor matematice în filtrarea și decodarea semnalelor.

Lipsa echipamentelor VLC pe scară largă, permite o facilitate utilizatorului unic, într-o bandă largă a spectrului vizibil, fară a ridica problemele specifice de interferențe între canalele adiacente de comunicație, foarte frecvent întâlnite în spectrul radio. Toate semnalele detectate în mediul înconjurător au doar atributul de zgomot și nivel de saturație al receptorului. Aceste două probleme fiind ușor de înlăturat. Zgomotul preponderent fiind în frecvențele joase, sub 150 Hz, se poate diminia reletiv simplu cu filter trece-sus. Cât privește dinamica mare, de la lumina naturală de peste zi și cea artificială la orele nopții, poate fi corectată cu circuite de reglare automată a amplificării sau pur și simplu filtre optice de lumină.

Modulele electronice folosite în echipamentele radio pot fi în parte identice cu cele folosite în VLC. Deosebirea fundamentală între ele constă în circuitele de intrare ale receptorului și cele de ieșire a emitătorului. Antena folosită în undele radio devine inutilă, dar reflectoarele parabolice ale receptoarelor de unde cu frecvență de ordinal GHz, pot fi asimilate și la sistemele VLC.

Li-Fi, tehnologia inventată de către Harald Haas de la Universitatea din Edinburgh în 2011, folosește comunicarea prin lumina vizibilă (VLC) și este, practic, un mod avansat de cod Morse: un LED clipește la viteze ce nu pot fi percepute de ochiul uman și este folosit pentru a scrie și transmite informații în cod binar. Folosind lumina, conectarea nu se poate face decât din camera în care se află dispozitivul ceea ce oferă o securitate mai mare, în plus, există mai puține interferențe cu alte device-uri.

În continuarea acestui capitol va fi prezentant acest principiu într-o formă simplistă printr-un montaj experimental.

Model inițial de transmitere a datelor VLC

Cel mai simplu receptor al semnalelor transmise în lumină vizibilă este o fotodiodă comună, conectată la intrarea de microfon a unui PC. O aplicție cu funcția de osciloscop ce poate rula pe PC, poate pune în evidență existența semnalelor de diverse forme și intensitate în spectrul vizibil al luminii.

Prima încercare practică a fost prin utilizarea a două PC-uri, un modulator de lumină, și un receptor format dintr-o singură fotocelulă. Configurare echipamentului se poate vedea în figura 6.1.

Fig. 6.1 Model experimental de transmitere a datelor prin VLC

Semnalul emis de unul din PC pe ieșirea de căști, amplificat și trecut printr-un mic transformator de adaptate de impendanță, era emis de un LED cu lumină albă. Recepția, pe un alt PC este asigurată de o fotodiodă cuplată la intrarea de microfon. Semnalul modulat în PSK (tratat în capitolul 5.4.2) se poatea receționa fără eroare de la o distanță maximă de 5 m.

Schema emițătorului în lumină vizibilă cu semanl modulat de o aplicație soft este prezentat în figura 6.2.

Fig. 6.2 Schema electronică a modelului experimental de transmitere a datelor prin VLC

Emițătorul transmitea un mesaj pe purtătoae audio modulat în PSK cu un LED ce are sarcina unui amplificator în clasa A cu un consum de 15mA. Aceasta este echivalent cu o putere de P=U·I unde U=1,5V , iar I=0,015A rezultă P=1,5·0,015 => P=0,022W. Cu aceste caracteristici ale unui echipament s-a încercat prima tramsmisie, iar recepția a reușit la o distanță de 5 m fără nici o eroare. Peste această distanță devenea imposibil de aliniat emițătorul cu receptorul ce nu aveau elemente de focalizare iar lumina ambiantă nu permitea vizualizarea facicolului emis.

Experimentul s-a reluat și în condiții de lumină artificială, seara, realizandu-se o focalizare mai comoada si chiar o creștere a distanței de emiție/recepție. Dacă receptorul nu se satura la lumina zilei, în lumină artificială nivelul de zgomot la 50 Hz era de câteva ori mai mare decât al semnalului util. rejecția semnalelor parazite fiind realizată de softul echipamentului de recepție al semnalului modulat PSK. Acesta a fost impulsul de a trece la experimentarea practică a modulelor necesare unei comunicații prin lumină vizibilă VLC, ce pot asigura construcția de echipamente fiabile, utile și la un preț competitiv.

Pentru a se putea evita perturbațile date de lumina ambientală s-a luat decizia de-a realiza un filtru trece-bandă digital ce poate asigura o imunitate la paraziții surselor de lumină artificială. În realitate se pot întâni semnale parazite cu frecvențe diferite față de cele in condiții experimentale, astfel se impune folosirea unor filtrelor numerice. S-a ales pentru experimentare un filtru numeric ce va fi descries în continuare.

Filtrarea DSP (Digital Signal Prcocessing)

Lumea știnței și ingineriei este plină de semnale: imagini de la sondele spațiale îndepărtate, tensiunile generate de inima si creierul uman, ecouri de radar și sonare, vibrațiile seismice și nenumărate și alte aplicații.

Digital Signal Processing este un instrument ce prin utilizarea calculatoarelor ajută la înțelegerea acestor tipuri de date. Aceasta include o mare varietate de obiective: filtrare, recunoașterea vorbirii, de îmbunătățire a imaginii, de compresie a datelor, retele neuronale si multe altele. DSP este una dintre cele mai puternice tehnologii care vor forma știința și ingineria în secolul al XXI-lea.

Filtrul este modulul de cea mai mare importanță în orice echipament de telecomunicație. Ideea de procesare digitală a semnalelor nu este nouă, performanțele obținute de astfel de echipamente ar fi fost greu de utilizat prin intermediul circuitelor analogice. În capitolul 5.5.2 s-a făcut o prezentare teortică a filtrelor numerice.

Un filtru DSP se poate face atât prin calcule matematice de catre om, dar nu în timp real pentru că este extrem de complicat. Problema principală care a fost rezolvată și care a permis pătrunderea DSP-ului în viața de zi cu zi a fost de natură tehnologică. Dezvoltarea tehnologiilor de producție a circuitelor integrate pe scară largă a permis realizarea de circuite cu un număr impresionant de porți echivalente, de ordinul milioanelor. Viteza de procesare a crescut și ea, făcând posibil calculul în timp real la un preț de cost rezonabil.

Unul dintre echipamentele cheie de care dispune un procesor DSP specializat este blocul multiplicator hardwere. Acesta îi permite unității centrale să efectueze operații de înmulțire, operație tipică procesării digitale de semnal, într-un timp foarte scurt. Pe lângă prezența multiplicatorului, structura internă a procesorului îi permite să execute mai multe instrucțiuni în paralel, ceea ce crește considerabil viteza de lucru. Modurile de adresare specifice unui procesor DSP sunt special proiectate pentru a servi scopului.

Un procesor de uz general ar putea îndeplini funcția unui DSP, dar viteza de calcul va fi redusă și aplicabilitatea limitată. Algoritmul de calcul trebuie să fie executat suficient de repede încât operațiile să se încheie înainte ca următorul eșantion să trebuiască să fie recepționat/transmis de la/către convertorul A/D (Analog/Digital) respectiv D/A (Digital/Analog).

Scopul montajului

Circuitul prezentat este un filtru trece bandă realizat în tehnica DSP. Fecvența centrală a filtrului este de 750 Hz, iar banda de trecere este selectabilă, având una dintre valoriile: 500, 300 sau 150 Hz. Selecția benzii de trecere se face prin acționarea unui întrerupător cu revenire aflat pe placa de circuit imprimată. Banda de trecere curentă este indicată de unul dintre cele 3 LED-uri special destinate acestui scop.

Montajul folosește ca piesă de bază un microcontroler de tip PIC16F877, produs al firmei Microchip (www.microchip.com).

Fig. 6.3 Microcontroler tip PIC16F877

Motivele care, printre altele, au determinatat alegerea acestui circuit sunt următoarele:

PIC16F877 integrează numărul de elemente minim necesare procesării digitale de semnale: convertorul A/D, unitatea centrală de producție, ROM (FLASH, programabil electric și rapid comparativ cu EPROM), RAM și un modulator de impulsuri în durată, care va ține loc de convertor D/A. Un circuit DSP de uz general ar fi constutuit numai dintr-o unitate centrală și ar fi avut nevoie de o placă de cablaj destul de complicată, pe care să se afle circuitele anexe menționate mai sus.

PIC16F877 utilizează capsula DIP40 și poate lucra cu el relativ ușor.

Dezavantajele principale ale PIC-ului sunt viteza redusă și setul restrâns de instrucțiuni. Frecvența aleasă este un compromis acceptabil, care poermite efectuarea calculelor în timp real.

Ultimul, dar nu cel mai puțin important, este abudența de note de aplicație, documentație și un mediu integrat de dezvoltare programe și simulare disponibile pe situl firmei Microchip. Este um mare avantaj să se poată începe scrierea aplicației și testarea algoritmilor.

Realizarea

Conform teoremei eșanționării, frecvența ideală minimă de eșanționare a unui semnal analogic de bandă limitată este dublul frecvenței maxime din spectrul semnalului. Presupunând că banda semnalului modulat este sufiecient de îngustă, în cazul prezentat frecventa de eșanționare minimă ar fi de aproximativ 2750Hz=1500Hz. Utilizarea acestei frecvențe minime ar presupune filtre analogice anti-alias explicate mai jos și de reconstruție de ordin infinit. Cum așa ceva nu este realizabil, rata de așanționare a fost crescută la 3.2KHz. valorea reprezintă compromisul între cerințele de procesare și cerințele referitoare la filtrele analogice menționate.

Fig. 6.4 Schema bloc a filtrului digital

Schema bloc a montajului se compune din: filtru de intrare sau anti-alias, microcontrolerul PIC16F877, filtru de ieșire sau de reconstrucție și sursa de alimentare.

Procesul

Semnalul de bandă limitată de la intrare atacă prin cuplaj galvanic pinul 2 (RA0) al microcontrolerului. Acest pin este configurat prin software ca intrare a convertorului A/D de 10 biți disponibil la acest tip de microcontroler. Dacă este corect programat, acesta trebuie să funcționeze de la prima alimentare. Verificarea funcționării se poate face cu un osciloscop la pinul de ieșire al osciloscopului de ceas. De asemenea, pentru testarea rapidă a funcționării, pinul 15 (RC0) livrează un semnal dreptunghiular a cărui frecvență este egală cu fecvența de eșanționare. Mai mult, semnificația acestui semnal este următoarea:

dacă nivelul este ”1” logic (aproximativ 5V) atunci unitatea centrală este în cursul calcului eșantionului următor;

dacă nevelul este ”0” logic, atunci microcontrolerul a terminat calculul și se află în bucla de așteptare a unei noi cereri de întrerupere.

Tot în scopul testării, dacă se menține apăsat butonul de schimbare a lărgimii de bandă și se alimentează sau se resetează procesorul, la ieșire se va genera sinusoida a cărei frecvențe este de 723Hz. Eșanționale necesară generării semnalului de test sunt stocate în interiorul memoriei de program și pentru a ajunge la ieșire acesta trebuie să parcurgă cele trei secțiuni de filtru digital. Funcționaliatea butonului de schimbare a lărgimii de bandă se menține, în felul acesta putându-se testa toate benzile de trecere ale filtrului. Revenirea în modul de funcționare normal se face fie prin reset, fie prin oprirea temporară a alimentării.

Frecvența eșanționare este generată intern prin intermediul cererilor de intrerupere. În acest scop sunt utilizate circuitele de temporizare disponibile în interiorul controlerului. Frecvența de ceas nominală pentru care a fost proiectat filtrul este de 20MHz.

Montajul funcționează și la frecvențe mai scăzute, dar consecința va fi aceea de deplasare a frecvenței central a filtrului proportional cu deviația față de frecvența nominal a osciloscopului de ceas. Depășirea frecvenței maxime specificate de producător nu mai garantează funcționarea circuitului.

Conversia D/A

Revenirea la semnalul analogic se face prin intermediul unui artificiu. Lipsa unui convertor D/A traditional, a determinat folosirea modulatorului de impulsuri în durată, din interiorul microcontrolerului.Desigur, există pe piață o varietate de convertoare D/A, dintre care unele sunt foarte performante. Se pot menționa caracteristici ca transmiterea serial a datelor, includerea filtrelor de reconstructive (refacerea semnalului), viteze mari de operare sau chiar codecuri care conțin întreaga interfață întresemnalul analogic și partea de procesare digital, în ambele sensuri. Dar acestea din urmă sunt destul de scumpe și în consecință nu sunt potrivite scopului montajului de față.

În acest caz, conversia digital/analogical se face prin generearea unor impulsuri cu factorde umplere variabil, în concordanță cu valoarea eșantionului rezultat îmn urma filtrării.

Fig. 6.5 Conversia din factor de umplere în nivelul de tensiune continua

Dacă se face analiza componentelor spectrale prezente într-un semnal dreptunghiular, se constată existențaunei componente de curent continuu (frecvența zero) precum și a armonicelor frecvențe fundamentale. Frecvența fundamentală este definită ca fiind:

(6.1)

unde T= perioada semnalului dreptunghiular.

De exemplu, pentru un semnal dreptunghiular cu perioada T=100µs, frecvența fundamentală va fi:

(6.2)

și se va găsi armonice pe frecvențele de 20, 30, 40, 50 KHz și așa mai departe. Componenta contiună este independență de frecvența fundamentală. Această componentă este în relație directă cu factorul de umplere al semnalului cu alte cuvinte raportul dintre intervalul de timp în care semnalul se află în ”1” și perioada totală a semanlului. Pentru un semnal a cărui valoare este ”1” pentru 50% din timp, factorul de umplere este de 50% sau ½.

Valoarea echivalentă de curent continuu a semnalului dreptunghiular trebuie estimată ca în figura 6.5:

se calculează aria reprezentată de porțiunea hașurată din semnalul dreptunghiular (stânga)

se imaginează un semnal cu valoarea constantă a cărui arie ar fi egală cu porțiunea hașurată, dar care se întinde pe o perioadă întreagă a semnalului.

înălțimea (tensiunea) noului semnal, de această dată semnal de curent continuu, a cărui arie pe o perioadă este egală cu aria semnalului dreptunghiular pe acceași perioadă, este componenta de curent continuu echivalentă a semnalului dreptunghiular.

În consecință, dacă sunt filtrate componentele alternative (armonicele) și extragem numai valoarea de curent continuu, cu ajutorul unui filtru trece jos, prin modificarea factorului de umplere se poate obține practic orice tensiune în intervalul 0-5V. În consecință, deși avem la dispoziție un semnal digital, prin artificiul prezentat mai sus, se poate obține valori intermediare ale tensiunii. Rezoluția (treapta mininmă de tensiune între două valori discrete adiacente) depinde de precizia cu care se poate fixa factorul de umplere al semnalului dreptunghiular.

Orice valoare de curent continuu obținută în urma extragerii componetei continue din semnalul cu factor de umplere variabil, poate constitui un eșantion dintr-un semnal sinusoidal. Ca și cum s-ar genera o sinusoidă cu jutorul unui convertor D/A. Ceea ce oferă converorul D/A este în fond o sinusoidă ”zimțată”, ale cărei ”colțuri” vor fii netezite cu filtrul de reconstrucție (figura 6.6).

Nivele discrete, care dau aparența zimțată a sinusoidei sunt de fapt valoriile discrete de tensiune pe care le pooate genera convertorul D/A. Este irelevant în cazul nostru dacă nivelele discrete sunt generate de o rețea rezistivă tipică unui convertor D/A sau dacă sunt rezultatul extrageii componentei continue dintr-un semnal dreptunghiular. Iată, așadar, că printr-un mic artificiu se poate evita utilizarea unui circuit integrat scump.

Filtrul de reconstrucție

Deși denumirea pare pretențioasă, filtrul de reconstrucție nu este altceva decât un simplu filtru trece jos, ca și filtru anti-alias. Ceea ce este special în legătură cu acest filtru, este alegerea frecvenței de tăiere. Aceasta trebuie stabilită în asa fel încăt să elimine orice componentă spectrală prezentă în semnal, cu excepția semnalului analogic util. Semnalul de la ieșirea modulatorului de impulsuri în durată (factor de umplere) conține următoarele componente:

recvența fundamentală a semnalului dreptunghiular cu factor de umplere variabil (aproximativ 19 KHz) și armonicele acesteia.

Fig. 6.6 Efectul filtrului de reconstructive asupra semnalului digital

frecvența de eșantionare trebuie înțeleasă ca frecvența cu care se face reactualizarea factorului de umplere, în vederea generării unei noi valori echivalente de curent continuu – în esență, un nou eșantion. Frecvența de eșantionare este de aproximativ 3,2 kHz.

frecvența semnalului util. Filtrul a fost realizat având frecvența centrală de 750 Hz. Având în vedere cerințele de mai sus, frecvența de tăiere a filtrului trece jos de la ieșire (filtru de reconstrucție) a fost stabilită la valorea de 1 KHz.

Schema electrică a filtrului de ieșire coincide cu cea a filtrului de intrare. Toate comentariile de la filtrul de intrare se aplica și la cel de ieșire, cu excepția tensiunilor de polarizare, acesea sunt după cum urmează: Colector = 5 V; Bază = 2,5 V; Emitor = 1,8 V.

Schema electrica este atasata la rubrica Anexe ale acestei lucrari.

Filtrarea

Orice ce filtru, fie că este activ, LC, cu linii de transmisiune sau cristale cu cuarț, are o caracteristică de trecere. Este ceea ce observăm când aplicăm la intrare un semnal de frecvență variabil și citim amplitudinea rezultată la ieșiere. Din punct de vedere matematic, ceea ce caracterizează filtrul este fucția de transfer. Funcția de transfer este relația de dependență dintre semnalu de ieșire și cel de intrare. filtrele întâlnite frecvent în electronică sunt aproximate cu ajutorul funcțiilor de transfer rațional-polinomiale. Aceasta înseamnă că funcția de transfer este de forma:

(6.3)

unde P(s) și Q(s) sunt două polinoame de variabilă complexă s,

(6.4)

Gradul polinoamelor implicate determină ordinul filtrului. În cazul unui filtru de ordinul 2, forma generală a ecuației de transfer este:

(6.5)

Prin inspecția expresei lui H(s), se constată că rădăcinile polinomului P(s) vor conduce la anularea funcției de transfer H(s), iar rădăcinile polinomului Q(s) vor determina o valoare infinită pentru H(s). Rădăcinile polinomului de la numărător P(s) formează zerourile (sau nulurile) lui H(s), iar rădăcinile numitorului Q(s) formează polii lui H(s).

Rădăcinile unui polinom sunt definite ca fiind valorile variabile de intrare pentru care polinomul se anulează.

Poziția polurilor și zerourilor în planul complex determină caracteristica de transfer a filtrului. La rândul lor, rădăcinile celor două polinoame P și Q sunt determinate de valorile coeficienților respectiv . Acestea înseamnă că dacă sunt cunoscute pozițiile polilor și zerourilor în planul complex, se pot determina coeficienții polinoamelor P și Q.

Forma în (s) a funcției de transfer reprezintă transformarea Laplace a funcției pondere a sistemului. Funcția pondere este definită ca răspunsul filtrului la impulsul Dirac. Transformata Laplace este o metodă specifică analizei sistemelor continue (analogice). Un filtru analog realizat cu amplificator operațional sau cu elemente LC este caracterizat prin transformarea Laplace a funcției sale de transfer. Pentru a simula filtrul analogic cu ajutorul unui sistem discret, este necesară aplicarea unei transformări conforme de forma:

(6.6)

asupra funcției de transfer a filtrului.

Aceasta se numește metoda transformării biliniare. Transformarea biliniară convertește axa imaginară a planului complex într-un cerc de rază unitate. Semiplanul stâng al planului complex s este adus în interiorul cercului de rază unitate, iar semiplanul drept se va afla în afara cercului. Ca remarcă, condiția de stabilitate a sistemului, aceea că polii să se afle exclusiv în semiplanul stâng, se va transforma în condiția că polii să se afle în interiorul cercului de rază unitate.

În urma tranformării de variabilă menționate, noua formă a funcției de transfer devine:

(6.7)

unde coeficienții sunt în directă dependență de deci de poli și nulurile funcției de transfer H(s). Noua formă a funcției de tranfer poartă numele de transformată Z și reprezintă forma discretă a funcției de transfer a filtrului inițial din domeniul analogic (continuu). Din proprietățile transformatei Z, înmulțirea cu reprezintă o întârziere în timp cu intervale de eșantionare a funcției în timp.

Dar H(z) fiind funcția de tramsfer a sistemului, mai poate fi scrisă ca raportul dintre mărimea de ieșire și cea de intrare, mai exact transformata Z a semnalului de ieșire și cea a semnalului de la intrare, adică:

(6.8)

unde y(n)

Adică X(z) este transformata Z a semnalului x(n), iar Y(z) este transformarea Z a lui y(n). Din egalitatea celor două forme ale transformatei Z a funcției de transfer, rezultă expresia:

(6.9)

Efectuând calculele în continuare, se obține ecuția urmatoare (6.10):

(6.10)

Ecuația 6.10 se paote împărții convenabil cu astfel coeficientul lui Y(z) să fie egal cu 1.

Prin rearanjarea teermenilor se obține ecuatiea următoare (6.11):

(6.11)

Aplicând proprietatea de linearitate și teorema întârzierii în timp a transformatei Z, se obține ecuația următoare (6.12):

(6.12)

unde și sunt eșantioanele semanlului de ieșire respectriv de intrare. Această ultimă ecuație reprezintă în esență calculele care trebuie efectuate de procesor între două eșantioane seccesive.

Interpretarea ecuației este următoarea: eșantionul curent al semnalului de ieșire, este o combinație liniară a eșantionului de intrare și a ultimelor două eșantioane de ieșire.

O consecință imediată este aceea că sistemul de filtrare digital trebuie să aibă posibilitatea de a memora atât eșantioanele de curent de intrare și ieșire , cît și eșantioanele primite/transmise cu două perioade de eșantionare în urmă.

În cazul montajului prezentat, pentru a face un compromis între performanțele filtrului și timpul de calcul necesar, a fost aleasă o caracteristică trece bandă de tip Cebîșev de ordinul 6, a cărei funcție de transfer este de forma:

(6.13)

Deși forma este în esență corectă, implementarea în software a unei funcții de transfer de ordin mai mare de 2, pune probleme deosebite datorate preciziei finite de calcul a procesoarelor. Dinamica numerelor cu care se operează, ar putea depăși ușor capacitatea de stocare a registrelor unității centrale, conducând la erori și implicit la nefuncționarea algoritmului. Pentru a depăși această dificultate s-a recurs la un artificiu. Conform toremei fundamentale a algebrei, orice funcție polinomială se poate factoriza dacă i se cunosc rădăcinile. Altfel spus, dat fiind un polinom oarecare:

(6.14)

Acesta se poate scrie sub forma de produs, adică:

(6.15)

unde , ,…, sunt rădăcinile polinomului P(x), adică soluțiile ecuației P(x)=0

Aplicând teorema de mai sus la funcția de transfer H(s) de ordinul 6, se obține o nouă formă a lui H(s), și anume:

(6.16)

Ceea ce demonstrează această nouă formă a lui H(s) este că funcția de transfer inițială, de ordinul 6, se poate obține prin conectarea în cascadă a 3 celule de filtru de ordinul 2. Aceste celule de ordinul 2 sunt alese în așa fel încât fiecare fracție să grupeze câte o pereche de poli și nuluri de magnitudini apropiate, planul Z. în urma evaluării numerice a fiecărei celule de filtrare de ordinul 2, riscul apariției unor valori prea mari este mai scăzut.

Având în vedere cele de mai sus, rezultă că programul de calcul va trebui ca, pe lângă efectuarea calculelor pentru cele trei celule de filtrare, să asigure și memorarea ultimelor 3 eșantioane de intrare/ieșire ale fiecărei celule. La expirarea unui interval de eșantionare, buferele de eșantioane vor trebui rotite, în așa fel încât vechiul eșantion (n-2) se va pierde, locul său fiind luat de eșantionul (n-1), care la rândul său va fi înlocuit de eșantionul (n) și așa mai departe. În vederea utilizării eficiente a memoriei disponibile, memoria de eșantioane de ieșire ale unei celule de filtru va constitui zona eșantioanelor de intrare ale celulei următoare. În mod evident, prima celulă va primi ca eșantioane de intrare rezultatele convertorului A/D, iar ultima celulă a filtrului digital va trimite rezultatele calculelor spre convertorul D/A.

Organigrama programului

Imediat după alimentarea cu tensiune sau după reset, circuitele periferice interne ale microcontrolerului sunt dezactivate, iar memoria RAM într-o stare nedefinită. Din acest motiv, primele instrucțiuni executate de unitatea centrală au menirea de a configura perifericele și a inițializa variabilele din memorie.

După aceea sunt activate întreruperile și programul intră într-o buclă în care verifică dacă a fost apăsat S1 și așteaptă întrerupre de la timerul TMR2, butonul S1 se regăsește în schema electrica DSP din rubrica Anexe ale lucrării. În cazul în care a fost acționat S1, sunt reactualizate locațiile coeficienților celulelor de filtrare cu noile valori corespunzătoare lărgimii de bandă dorite, apoi programul revine în buclă. În cazul în care primește o cerere de întrerupere, programul setează în 1 bitul 0 al portului C (pin 15), apoi trimite la convertorul D/A valoarea de ieșire calculată la cererea de întrerupere anterioară. În acest fel, timpul scurs între cerearea de întrerupre și scrierea efectivă a valorii eșantionului este intotdeauna bine determinat.

Cu alte cuvinte, noul eșantion apare întotdeauna la distanța Ts în timp, față de eșantionul anterior (Ts = perioada de eșantionare). Dacă efectuarea calculelor s-ar face inainte de scrirea eșantionului, momentul scrierii acestuia ar fi afectat de o oarecare incertitudine. Aceasta ar fi datorată variabilității timpului de calcul în funcție de valorile curente cu care operează celulelede filtrare.

Fig. 6.7 Organigrama programului de rulare pe microcontroler

În continuare sunt executate cele trei celule de filtrare și sunt rotite bufferele de eșantioane pentru a face loc noului eșantion de intrare. După verificarea terminării conversiei A/D, dacă aceasta a fost încheiată, noul eșantion este preluat, depus în poziția eșantionului cel mai recent din bufferul de intrare și activată o noua conversie A/D. Pentru a încheia rutina de întrerupere, este resetat bitul 0 al portului C, după care programul revine în bucla de așteptare.

Celula de filtrare

Fiecare celulă de filtrare rulată în timpul execuției rutinei de întrerupere efectuează evaluarea unei expresii algebrice utilizănd coeficienții b0, b1, b2, a0, a1, a2 corespunzători:

Fig. 6.7 Schemă logică pentru celula de filtrare

Bufferul de ieșire (y) pentru o celulă reprezintă intrarea (x) pentru celula următoare.

Montajul experimental a fost realizat și experimentat pe o placă de monstrativă de tipul PICDEM2 produsă de firma Microchip. Programul a fost dezvoltat cu ajutorul mediului integrat de dezvoltare MP LAB IDE. Programarea și depanarea a fost posibilă grație modulului MP LAB ICD (In Circuit Debugges) produs de aceeași firmă. MP LAB IDE, manuale de utilizare și diverse informații tehnice pot fi găsite pe situl www.microchip.com

Procesarea semnalului DSP a fost analizat, mai sus, în model experimental, dar este bine de știut că acest tip de filtrare este utilizat la scară largă intr-o mulțime de aplicații si echipamente, astfel au fost construite circuite specializate ce integrează acest principiu de prelucrare al semnalelor.

Aplicație practică TWS

Principiul de funcționare a sistemul TWS a fost prezentat și explicat amănunțit în a doua parte a capitolului 4 a acestei lucrări. Așadar a fost făcută o prezentare teoretică a sistemului, urmând ca în continuare să fie realizat practic un prototip funcțional ce poate demonstra utilitatea soluției propuse.

La începutul acestui capitol s-a realizat un model inițial de transmitere a datelor VLC folosind modulația PSK în semnal de joasă frecvență ce nu poate fi replicată decât cu sisteme de calcul complexe ce nu fac obiectul acestei teme. Prototipul TWS urmarește strict transmiterea la distanță a semnalelor în spectrul luminii vizibile. Implementarea unui sistem de comunicație în spectrul luminii vizibile are nevoie de date obținute experimental privind transmiterea de date în acest spectru ce se pot obține cu echipamente existente. În urma documentării pentru realizarea prototipului s-au identificat componente electronice, care includ filtre DSP, ce asigură o imunitate a semnalului transmis și recepționat fără a se ridica la performanțele transmiterii prin modulație PSK.

În capitolul 4 s-a prezentat protocolul de comunicație ModBus ce poate fi implementat în transmiterea semnalelor cu modulație tip PSK. Protocolul ModBus si-a dovedit fiabilitatea în aplicațile industriale astfel nemaifiind nevoie de modele experimentale pentru a demonstra eficiența acestuia. Pentru emisie s-a ales utilizarea unui sistem de codificare ce poate fi ușor repordus de orice aparat telefonic sau PC. Pentru recepția semnalului se folosesc componente electronice discrete incluse în modelul experimental. Astefel se poate construi un prototip ce verifică transmiterea datelor la distanță folosind spectrul luminii vizibile. Acest prototip cu astfel de funcții folosește modul de codificare/decodificare DTMF. Prototipul respectă schema bloc al unui sistem VLC folosind tehnologia LED din figura 5.15 (capitolul 5), pentru a evidenția posibilitățile de transmitere a datelor în spectrul luminii vizibile.

Principiu de funcționare DTMF

DTMF (Dual Tone Multi Frequency) reprezintă un sistem de semnalizare care înlocuiește transmiterea clasică, cu pulsuri, în rețeaua telefonică. De asemenea sistemul DTMF este utilizat și în alte aplicații cum ar fi sistemele bancare prin telefon, poșta electronică pe linie telefonică, control la distanță prin telefon și multe altele. Un semnal multifrecvență (DTMF) reprezintă o sumă de două semnale de formă sinusoidală convenabil alese pentru care există mai multe standarde, care diferă prin numărul de frecvențe alese și de valoarea acestora.

Cel mai utilizat este standardul CCITT care recomandă două grupuri de frecvențe: un grup de frecvențe joase (697, 770, 852, 941 Hz) și un grup de frecvențe înalte (1209, 1336, 1477, 1633 Hz). Astfel sunt 16 tonuri, fiecare compus dintr-o frecvență de linie și o frecvență de coloană rezultând zece cifre (0 – 9), tonurile de diez (#) și stea (*) și patru tonuri speciale (A, B, C, D).

Fig. 6.8 Frecvența/Matricea de coduri pentru DTMF

Emițător

Pentru implementarea generatorului nu am folosit circuite specializate, acesta se poate ușor simula cu un PC, cu o aplicație instalată pe un telefon mobil, sau pur și simplu cu tastatura oricărui telefon. Pentru modularea semnalului în spectrul de lumină vizibilă s-a utilizat montajul din figura 6.2. Montajul fiind introdus în interiorul unei lantene cu LED, ce are ca sursă de alimentare trei elemente de baterii AA de 1,5 V.

Lanterna este prevazută cu un cablu terminat cu o mufă jack de 3,5 mm ce se conectează ieșirilor audio la un PC sau telefon mobil.

Fig 6.9 Emițător lumină modulată (lanternă cu LED)

Receptorul

Recepția semnalului este asigurată de un montaj electronic ce are în componeță un fototranzistor și circuitul specializat HT9170B. Cele 16 coduri ce le poate recepționa sunt suficiente pentru a exemplifica funcționarea sistemului TWS.

Circuitul din seria HT9170 este un receptor integrat Dual Tone Multi Frequency (DTMF) cu funcții de decodare și filtrare numerică (DSP). Toate tipurile din seria HT9170 folosesc tehnici digitale pentru a detecta și a decoda cele 16 tonuri DTMF. Tonuri sunt disponibile intr-un cod de patru biți.

Fig 6.10 Schema bloc a integratului HT9170B

Folosind acest circuit integrat s-a făcut montajul din figura 6.12 pentru a recepționa si decoda semnalele emise de sistemul TWS și afișate pe ecranul dispozitivului.

Fig 6.11 Receptorul lumină modulată (fototranzistor și lupă)

Receptorul DTMF ce conține integratl HT9170B furnizează semnalele în cod binar nivel TTL (0-5V), notate în schemă cu D0 până la D3. Aceste semnalele de ieșire sunt amplificate la un nivel de 0-24V folosind tranzistorii T1 până la T4 și sunt utilizate in aplicația ce folosește un ecran touchscreen pentru afișarea simbolurilor sistemului TWS la bordul autoturismului, dar acest concept o sa fie prezentat mai jos. Semnalele rezultate au fost notate cu I0 până la I3, apoi prin divizare au fost aduse la un nivel CMOS și decodificate zecimal. Pentru decodificatorul CMOS s-a folosit porți de negare din circuitul MMC4069 și decodificator zecimal MMC4028.

Fig 6.12 Schemă electronică a receptorului TWS

Celor patru ieșiri binare corespund 16 semnale în cod zecimal, din care se utilizează doar 5 ieșiri care reprezinta cele cele 5 avertizari grafice ale sistemului TWS. Fiecarui simbol i se atribuie un cod DTMF ca în tabelul de mai jos:

Fig 6.13 Echivalenta coduri – simbol – recvență DTMF

Utilizarea unei interfețe HMI în sistemul TWS

Din ce în ce mai mulți constructori auto adoptă un stil futuristic atunci când vine vorba de designul interior, concentrați mai ales pe aspectul planșei de bord, dar și de ergonomie. Așa s-a ajuns ca autoturismele actuale să fie vândute cu ecrane tactile care înlocuiesc obișnuitele butoane si comutatoare de pe consola centrala a bordului, inclusiv la echipările de bază sau autoturime de bugete mai scazute.

Fig 6.14 Plansă de bord a autoturismului Tesla Model 3

Dezvoltarea comunicării om-mașină duc spre utilizarea sitemelor HMI (Human Machine Interface) ce cuprind aproapte toate funcțile necesare informării și interacțiunii șoferului cu mașina. Tendințele de design actuale au ajuns până la nivelul în care sunt înlocutie aproape în totalitate mijloacele de interacțiune de la bord cu ecrane touchscreen de mari dimensiuni. În această tendință s-a experimentat dezvoltarea sistemului TWS pentru a putea fi integrat pe consola centrală autoturislului.

Fig 6.15 Ansamblu de componente ale sitemului TWS

Semnalele în cod binar ale receptorului I0-I3 din figura 6.12, au fost conectate ca semnale de intrare la un PLC. Automatul programabil folosit în experimentul de față are implementată interfață de comunicare ModBus și Ethernet. Pentru o distribuție mai simplă a informației între echipamentele utilizate am folosit conexiunea Ethernet. PLC-ul utilizat este de fabricație Schneider Electric, model M221CE24R, iar pentru programarea lui s-a folosit softul SoMachineBasic V1.4.

Fig 6.16 Ecran de lucru al softului SoMachineBasic V1.4

Pentru consola HMI a fost utilizat un afișor touchsreen ce are implementată funcția de VNC ce permite conectarea cu alte echipamente dintr-o rețea locală. Afișajul este produs de compania Weintek, model eMT3070 cu rezoluție 800×480 pixeli, iar penru programarea lui s-a folosit softul EasyBuilder Pro.

Fig 6.17 Ecran de lucru al softului EasyBuilder Pro

Automatul a fost programat pentru decodificrea semnalul binar de la intrare și pune la dispoziția afișajului o locație de memorie ce conține codul ce urmează să fie convertit într-unul din simbolurile sistemului TWS.

Fig 6.18 Grafica simbolurilor TWS afișate pe ecranul touchscreen

Subrețeaua Ethernet are în componență un router wireless pentru a asigura conexiunea între PLC și afișaj, cât și pentru alte echipamente (PC sau smartphone). IP-ul PLC-ului este 192.168.2.10, iar afișajul are IP-ul 192.168.2.11. Activarea funcției VNC la afișaj permite și altui dispozitiv conectat în această subrețea sa vizualizeze imaginile de pe consolă, ca urmare a recepției unei avertizări de la sistemul TWS. In acest mod se pot transmite imagini unui telefon de tip smartphone, iar aceste informații se pot dezvolta într-o aplicație mobilă.

Fig 6.19 Exemplu de conexiune VNC

Grafica simbolurilor si a imaginilor reprezentate pe ecranul touchscreen au fost dezvoltate în softul grafic CorelDraw X3. S-au experimentat mai multe teme ale fundalului pentru diferite culori, cum se poate vedea în figura 6.18.

Testare și interpretarea experimentelor

Testarea echipamentelor prezentate mai sus s-a facut intr-un laborar de electronică pe un stand de lucru ce are în componență următoarele aparate:

sursă de curent continuu de 12V

luxmetru Gossen Mavolux 5032C USB

Echipamentul testat este format din:

emițător de lumină modulată TWS

receptor cu decodificator TWS

telefon cu sitem de operare Android

modulator radio FM

Emițătorul de lumină modulată folosește ca sursă de semnal un telefon cu sistem de operare Android pe care este intalată o apicație generatoare de tonuri DTMF. Pentru controlul la distanță telefonul conectat la emițătorul de lumină modulată a fost folosit ca receptor radio FM cu ajutorl unei alte aplicații instalate. Semnalul pentru modulație fiind transmis printr-un modulator radio FM de lăngă receptorul cu decodificator TWS.

Testarea în condiții de laborator

Iluminarea reprezinta masurarea fluxului luminos repartizat uniform pe o suprafata de 1 metru patrat. Unitatea de masura a iluminarii este luxul [lx], care se calculeaza ca valoare a fluxului luminos in raport cu 1 metru patrat [lm/m²].

Emițătorul de lumină modulată TWS contruit dintr-o lanteră cu led ca în figura 6.9, montat pe un trepied și conectat prin mufa jack telefonului generator de semnale DTMF s-au facut următoarele măsurători:

Măsurarea gradului de iluminare

Măsurătoarea s-a făcut într-o încăpere iluminată natural la un grad iluminare ambiental de 500 luxi la o distanță de 50cm înre emițător și receptor

Fig. 6.20 Gradului de iluminare în funcție de modulație

Măsurătorile efectualte relevă faptul ca diferențele între gradul de iluminare cu modulație și cel fără modulație este nesemnificativă.

Verificarea codurilor DTMF recepționate

În urma măsurătorilor trecute în tabeul de mai jos, unde s-a măsurat gradul de iluminare la diferite coduri ale emițătorului la o distanță de 50cm, s-a ajuns la concluzia că gradul de iluminare ambientală și cel al emițătorului nu influentează calitatea semanlului recepționat. De asemenea indiferent de codul luminii modulate gradul de iluminare al emițătorului este constant.

Fig. 6.21 Gradului de iluminare în funcție de lumina ambientală

Măsurarea gradului de iluminare la distanțe diferite

Fig. 6.22 Măsurători la diferite distanțe

Măsurătorile relevă faptul ca gradul de iluminare scade exponențial cu distanța.

Punerea în funcțiune și testarea în condiți de trafic

Pentru experimentarea în condiții cât mai apropiate de cele reale am avut la dispoziție două autoturisme pe care a fost instalat sistemul TWS. Unul având rol de emițător, iar pe celalalt cel de receptor și echipamentul de decodare și afișare instalat la bord.

Neavând posibilitatea de a interveni în instalția electrică a unei mașini dotată cu iluminare prin LED-uri s-a folosit o sursă extrenă de iluminat. Această sursă care a fost prezentată mai sus este construită dintr-o lanternă cu LED în care deasemnea este instalat modulatorul de lumină. Cele cinci stări ale sistemului TWS au fost simulate folosind drept generator DTMF un telefon mobil.

Fig. 2.23 Receptorul instalat pe autoturism

Receptorul montat pe autoturismul de teste este contruit din două părți:

Receptroul ce conține fotocelulă, montat pe un suport magnetic pentru o mai nuna fixare pe plafonul mașinii

Partea de decodor și afișare montată pe bordul autoturismului aliment de la sursa de 12V

Fig.6.24 Emițătorul instalat pe autoturism

Alimentarea sistemului cu energie electrică s-a facut de la mufa de 12V de la bord. Emițătorul transmițând toate cele cinci coduri pe rând, s-a observat o receptie pentru fiecare simbol după cum era de așteptat precum se poate vedea în imaginile următoare.

Fig.6.25 Modulul decodor și afișaj instalat la borul autoturismului

Până la 30m s-a obținut o recepție sigură în condițiele de iluminat natural cu cer senin și soare. La aprinderea farurilor pe diferite faze ale autoturismului emițător nu s-au observat perturbații în recepție.

Dacă receptorul era în lumina directă a soarelui, recepția era perturbată și la distanțe mici. Pentru o experimentare mai aprofundată a sistemelor de transmisie date prin lumină vizibilă pe distanțe mai mari este nevoie de echipamente și filtre optice de lumina mult mai performante.

CAPITOLUL 7

CONCLUZII

Concluzii finale

Domeniul științific în care se integrează tema de cercetare propusă în această teză doctorală este cel al siguranței auto, mai exact analiza sistemelor active și pasive in domeniul siguranței auto. Acest domeniu se referă la studiul și aplicarea proiectării, construcției și echiparea vehiculelor pentru a minimaliza probabilitatea apariției și consecințele accidentelor rutiere. Perfecționarea proiectării automobilelor cât și șoselelor au redus în mod constant rata victimelor și a mortalității.

Sistemele de siguranță, în special sistemele de avertizare, au rolul de a oferi informații suplimentare conducătorului auto despre mediul înconjurător și condițiile de trafic, dar accidentele sunt cauzate de o largă varietate de factori, prin urmare, îmbunătățirea securității și progresul siguranței auto pot fi realizate numai prin multiple strategii. În ultimele decenii multe programe, strategii de management orientate spre comportamentul sistemelor de siguranță, design de mediu și inovații tehnologice, au contribuit la reducerea ratei de decese și leziuni legate de accidente. Există, desigur, factorul uman, care joacă un rol major în toate strategiile de siguranță rutieră. În timp ce fabricanții auto nu pot împiedica eroarea umană, ei cu siguranță pot proiecta autoturisme mai sigure care încorporează o rețea complexă de dispozitive și sisteme, care sunt menite să sporească siguranța.

Sistemele de siguranță ale automobilelor au evoluat semnificativ în ultimii ani. Aceste evoluții vor continua și chiar se vor accelera în anii care vin. Optimizarea acestor sisteme va continua în domeniul comunicării între autovehicule cât și in alte ramuri ale siguranței auto. Creșterea performanțelor și reducerea costurilor în domeniul electronicii permit deja răspândirea largă a sistemelor de comunicații. Este foarte posibil condusul autovehicului să devină automat în totalitate, mulți constructori auto promițând această funcție până în anul 2020.

Siguranța în trafic a celor din interiorul atovehiculului este așadar, după cum a fost prezentat în acestă teză, asigurată prin multipli factori. Dar se simte într-o oarecare măsură lipsa sistemelor de prevenție a accidentelor, sistemele ce aduc în atenția conducătorului auto eventualele cauze de risc sau solicitări imperative de a ceda prioritatea maximă autovehicolelor speciale, cum ar fi mașinile de intervenție sau de poliție

Participanții la trafic pot gestiona mult mai eficient eventuale situații de criză dacă au o vedere de ansamblu asupra situației din trafic și respectiv, în situațiile cu risc ridicat de accidente să fie semnalată imediat prezența acestora în aria de manevră și implicit fiecare vehicul aflat în situație de criză să își semnalizeze prezența.

Industria autovehiculelor este în dezvoltare continuă. Producătorii auto acordă o atenție sporită siguranței rutiere, pe lângă numeroase alte tehnologii introduse în mașini. Rata ridicată a accidentelor rutiere din întreaga lume a motivat în mod deosebit implementarea de aplicații de asistență a conducătorului auto care să poată face posibilă reducerea numărului acestora. Este deosebit de importantă dezvoltarea de sisteme care îmbunătățesc percepția mediului exterior și avertizează șoferul în situațiile dificile. Un astfel de sistem trebuie să ajute șoferul, dar în același timp nu trebuie sa reducă participarea activă a șoferului la condus. Ȋn cazul în care șoferul se bazează prea mult pe un astfel de sistem, poate să nu reacționeze la timp în situații limită, pentru care sistemul de asistare nu a fost proiectat.

Ȋn prima parte a tezei au fost expuși în primul rând principalii factori de risc ce pot apărea în trafic și gradul de pericol pe care acești factori îl reprezintă asupra creșterii riscului de a provoca un accident, precum și modul în care industria auto dezvoltă continuu metode de creștere a siguranței auto.

Industria auto traversează o perioadă plină de schimbări datorită adoptării pe o scară tot mai largă a unor tehnologii digitale, pe care până de curând le întâlneam doar la produsele electronice sau în industria militară. Aceste tehnologii, care sunt sau vor deveni din ce în ce mai populare în interiorul mașinilor de serie, completează o gamă variată de noutăți pentru șoferi, cum ar fi îmbunătățirea dramatică a sistemelor de siguranță auto, inclusiv la nivelul centurii de siguranță și al airbag-urilor, sau proiectarea unor autostrăzi inteligente care să ne ajute să conducem confortabil și sigur. Astfel, producătorii de mașini încearcă și, în cele mai multe cazuri, reușesc să dezvolte soluții suplimentare pentru a gestiona mai ușor comenzile disponibile pe bord, să introducă tehnologii care să ne facă să fim atenți în permanență la drum. Constructorii auto sunt într-o competiție puternică pentru a utiliza noi tehnologii care să vină în sprijinul confortului și siguranței șoferilor. Multe dintre ele sunt încă prea scumpe pentru a fi disponibile la toate modelele, însă pe măsură ce vor fi adoptate pe un număr tot mai ridicat de unități, costurile de producție vor scădea, precum în orice alt domeniu.

Dezvoltarea cunoașterii umane s-a putut realiza printr-un un mare efect de evoluție în domeniul comunicațiilor și mai cu seamă în domeniul filtrelor. Suportul matematic folosit pentru construirea filtrelor analogice și parametri tehnici bine definiți ai componentelor, au creat posibilitatea construirii pe scară largă a filtrelor și implicit o dezvoltare rapidă a tehnicilor de comunicație. Dacă filtrele pasive cu componente discrete (rezistențe, condensatoare, bobine) au posibilități limitate în atingerea performanțelor necesare, filtrele care exploatau diverse alte caracteristici ale materialelor, au ajuns la perormanțe care se credeau de nedepășit. Dar una din marile unități de producție de filtre analogice performate, Rockwell Collins Filter Products a anunțat la 1 ianuarie 2016 închiderea liniilor de producție a filtrelor. Introducerea pe scară largă a microcontrolerelor în echipamentele de comunicație, permite implementarea filtrelor numerice, care au performanțe superioare filtrelor analogice. Filtrele numerice pe lângă costul mic oferă și o foarte mare flexibilitate în proiectarea echipamentelor, flexibilitate care nici pe departe nu se putea obține cu filtrele analogice. Filtrele analogice erau construite pe anumite frecvențe, iar dacă se dorea schimbarea unor parametri ai filtrului, era imposibil și se utilizau proceduri de comutare în funcție de nevoi.

Filtrele numerice permit o regândire a principiilor echipamentelor de comunicație tocmai datorită calității acestora de a se modela după necesitățile din fiecare moment în utilizarea echipamentelor de comunicație. Dacă până la folosirea filtrelor numerice comunicațiile în spectrul vizibil (VLC) aveau doar abordări teoretice, acum implementarea lor va permite abordări practice din cele mai variate și utile pentru comunicații, siguranță, confort, eliminarea radiațiilor nocive de radiofrecvență.

Cu scopul de a sublinia utilitatea acestei teze de doctorat, în cele ce urmează sunt enumerate principalele concluzii ce se desprind în urma cercetărilor.

Cercetările efectuate au urmărit firul istoric din dezvoltarea automobilului până la cele mai inovative sisteme de siguranță din zilele noastre, pentru a înțelege cât mai bine modul lor de funcționare și care sunt factorii care influențează performanța și rolul lor in salvarea de vieții omenești. Automobilele din ziua de azi au foarte multe sisteme de siguranță, majoritatea impuse de normele de fabricație. Acestea se împart în două categorii: active și pasive. Sistemele de siguranță active sunt toate acele mijloace prin care mașina ajută soferul să evite un accident, iar sistemele de siguranță pasive sunt mijloacele prin care mașina și pasagerii sunt protejați în cazul unui impact. Astfel, în capitolului 2, s-a întocmit o clasificare sintetizată a sistemelor de siguranță active și pasive.

Sistemele de siguranță auto care fac viața mai ușoară și țin în siguranță pasagerii, se pot clasifica în 4 grupe mari:

sisteme de evitare a accidentelor

sisteme de asistență a șoferului

sisteme de protecție în caz de impact

sisteme de protecție post-impact.

Toate aspectele care pot preveni producerea unor accidente fac parte din siguranța activă. Din categoria celor mai importante caracteristici de siguranță fac parte:

stabilitatea de rulare

asigurarea confortului

siguranța în percepție

siguranța în utilizare.

Siguranța pasivă reprezintă totalitatea măsurilor constructive destinate protecției pasagerilor împotriva rănirii, respectiv diminuării pericolelor de rănire. Siguranța auto pasivă poate fi definită prin cumulul de modalități de reducere a consecințelor accidentelor și poate fi împărțită în două categorii:

siguranța exterioară – factorii care influențează siguranța exterioară sunt forma autovehiculului și comportamentul la deformare al caroseriei.

siguranța interioară – prin aceasta urmărindu-se minimalizarea forțelor și accelerațiilor care acționează asupra ocupanților unui autovehicul în eventualitatea unui accident.

Contribuții personale

Cercetările realizate în cadrul acestei teze de doctorat s-au concretizat în următoarele contribuții personale:

realizarea unui studiu bibliografic care a permis trasarea stadiului actual al cercetărilor în domeniul siguranței auto, prin identificarea elementelor esențiale în construcția și funcționarea acestora;

s-a realizat un studiu de impact referitor la accidentele rutiere și factorii care influențează direct producerea accidentelor rutiere;

s-a analizat cronologic o lista a celor mai importante sisteme de siguranță și când au apărut ele, împreuna cu un istoric al automobilului din punct de vedre al siguranței rutiere;

de asemenea, s-a întocmit o clasificarea detaliată a sistemelor de siguranță a autoturismelor după scopul urmărit cât și după modul de acțiune al acestor sisteme, fiind enumerate și explicate, iar cele mai importate și răspândite au fost analizate amănunțit; totodată s-au prezentat și tendințe de dezvoltare ale sistemelor de comunicații, dar și soluții constructive propuse pentru dezvoltare;

s-au prezentat și clasificat metodele de testare ale sistemelor de siguranță și organizațiile care operează crash teste în lume punându-se accept pe instituția de profil europeană;

s-au studiat protocoale de comunicație ce poate fi aplicate în transmiterea de informații între autovehiculele aflate în trafic; s-a ales protocol ModBus care este folosit și la rețelele interne instalate pe mașinile moderne;

de asemenea, s-au explorat posibilitățile standardului de comunicație ModBus de a implementa funcții noi specifice aplicației dezvoltate în acestă teză;

realizarea conceptuala a unui dispozitiv TWS (Traffic Warning System), care asigură o comunicație pentru creșterea siguranței în trafic, semnalizându-i conducătorului auto prezența în trafic a altor autovehicule ce solicită prioritate sau au un risc mărit de accident;

s-a identificat drept canal de comunicație spectrul luiminii vizibile (VLC – Visible Light Communication), nexploatat în mediul de folosință al autovehiculului și s-au analizat posibilitățile de implementare al canalului respectiv la un dispozitiv TWS ce este propus ca echipament util creșterii siguranței în trafic.

s-a realizat prototipul sistemului TWS, împreună cu interfata HMI cât ș programul de vizualizare a semnalelor sistemului pe un ecran touchscreen.

s-au făcut teste în laborator cât și în condiții de trafic cu rezultate pozitive.

Lucrarea este structurată în șapte capitole, bibliografie și anexe, prezentate succint în cele ce urmează:

Introducerea argumentează alegerea temei de cercetare și actualitatea ei prin evidențierea importanței siguranței auto și confortul participanților la trafic. În acest capitol sunt prezentate scopul și obiectivele cercetării, o prezentare sunccintă a conținutului tezei de doctorat cât și un scurt istoric al autoturismului prin prisma siguranței auto.

În Capitolul 2 sunt evidențiate generalități ale sistemelor de siguranță auto, clasificarea acestora după scopul urmărit și după modul de actiune activă și pasivă. Tema de cercetare fiind plasată în categoria sistemelor de siguranță activă adică aspectelor ce pot preveni producerea accidentelor de circulație. În încheirea capitolului sunt cuprinse tendințele de dezvoltare ale sistemelor de comunicații cu scopul de prevenire a accidentelor și creșterea siguranței în trafic.

Capitolul 3 prezintă și analizează detaliat sistemele actuale de siguranță, precum și tendințe de dezvoltare a unor soluții inovatoare propuse în industria auto. A doua partea a capitolului este dedicat metodelor de testare folosite de constructorii auto căt și standardelor de siguranță în domeniu.

Capitolul 4 face trecerea la cercetarea propriuzisă a temei propuse prin sublinierea importanței modului de comunicație de tip ModBus ales pentru dezvoltarea sitemului Traffic Warning System (TWS) care este prezentat intr-o formă conceptuală.

În Capitolul 5 denumit Analogii între sisteme de comunicație radio și spectrul luminii vizibile sunt prezentate principile sistemelor de radiocomunicație care sunt preluate de comunicația în spectrul luminii vizibile cu particularități ce apar în tehnologi de procesare a semnalelor în telecomunicați. Deasemea se descriu tipuri de modulație a semnalelor și filtrarea acestora.

Capitolul 6 prezintă etapele experimentale de proiectare și execuție a prototipului TWS. Începutul experimentărilor s-a realizat prin interconectarea a două PC-uri folosind ca mediu de propagare spectrul luminii vizibile (VLC). Elementele principale de transmisie-recepție fiind utilizarea tehnologiei LED. Softul furnizând semnal modulat de diferite tipuri de modulație, recepționat de un alt echipament capabil sa demoduleze mesajul primit. Importanța filtrări semnalelor impune abordarea experimentală a unui filtru numeric DSP (Digital Signal Prcocessing). Având ca scopul principal evidențierea transmisiei și recepției de date în spectrul luminii vizibile, s-a folosit un circuit integrat de filtrare DPS pentru recepția semanlui prin coduri DTMF (Dual Tone Multi Frequency). Această tehnologie de transmitere a codurilor este utilizată pe scară largă, prin stransmiterea de tonuri audio formate din doua frcvențe diferite atribuite tastelor numerice a unui telefon. Prezentarea semnalelor recepționate s-a făcut în două moduri: un modul de recepție dedicat (prototipul TWS) și unul format din componente de serie ce permit o interfață grafică superioară folosind un ecran touchscreen HMI. Rezultatele testelor sunt prezentate în urma măsurătorilor în laborator, cât și instalarea echipamentelor pe autovehicule, pentru o evidențiere mai clară a eficienței înregului sistem TWS.

Capitolul 7 subliniază contribuțiile personale ale tezei, prezintă o sinteză a acesteia și accentuează concluziile finale care se desprind în urma studiilor, soluților alese și deatele experimentale. Totodată sunt prezentate direcțiile viitoare de cercetare în acest domeniu.

Direcții viitoare de cercetare

Prezenta teză de doctorat poate fi suportul de noi analize a conceptelor de siguranță auto, aceasta fiind o sinteză documentată a sistemelor existente până în acest moment.

Sistemul de comunicare folosind drept canal de transmisie spectrul luminii vizibile, deschide noi perspective de interacțiune între participanții în trafic și infrastuctura drumurilor publice, ceea ce va garanta o creștere a siguranței rutiere.

Implementarea noului protocol de comunicație TCP/IPv6, care permite adresarea directă a unui număr teoretic nelimitat de echipamente, asigură interoperabilitatea cu toate dispozitivele din infrastructură și cunoașterea în timp real a stării acestora, cât și a participanților la trafic.

Realizarea practică a conceptului TWS (Traffic Warning System), cât și rezultatul măsurătorilor făcute, va permite o abordare sigură în dezvoltarea sistemului și conceptului propus în această teză.