Licenta Zavate Mircea V1.8 [308584]

UNIVERSITATEA „POLITEHNICA” DIN BUCUREȘTI

FACULTATEA TRANSPORTURI

Departamentul Telecomenzi și Electronică în Transporturi

PROIECT DE DIPLOMĂ

București

2018UNIVERSITATEA „POLITEHNICA” DIN BUCUREȘTI

FACULTATEA TRANSPORTURI

Departamentul Telecomenzi și Electronică în Transporturi

Sisteme de evitare a coliziunii în traficul rutier

București

2018

Cuprins

Capitolul 1. Introducere 1

1.1 Considerații generale 1

1.2 Obiectivele lucrării 1

Capitolul 2. Memoriu justificativ 2

2.1 Introducere 2

2.2 Analiza comparativă a situației accidentelor rutiere în U.E vs România 2

2.2.1 Analiza accidentelor rutiere în U.E 2

2.2.2 Analiza accidentelor rutiere în România 5

2.3 Nevoia implementării unui sistem de evitare a coliziunii 8

2.4 Tehnologii și echipamente actuale 8

2.4.1 Tehnologii la bordul vehiculelor rutiere 8

2.4.2 Tipuri de senzori utilizați în sistemul de evitare a coliziunii 11

2.4.3 Analiza comparativă a sistemelor AEBS de la diferiți furnizori contractați 19

2.4.4 Tehnologii de infrastructură 22

2.5 Concluzii 27

Capitolul 3. SISTEME DE EVITARE A [anonimizat] 28

3.1 Descrierea propunerii 28

3.2 Componente Hardware 29

3.2.1 Placa de dezvoltare 29

3.2.2 Senzorul ultrasonic 34

3.2.3 Modulul de comunicație Bluetooth 36

3.2.4 Motoarele în curent continuu 40

3.2.5 Modulul de comandă de putere (acționarea motoarelor) 41

3.3 Mediul de dezvoltare a aplicației software 44

3.3.1 Mediul integrat de dezvoltare (IDE) al plăcii Arduino 44

3.3.2 Aplicația de comunicație Bluetooth 46

Capitolul 4. [anonimizat] 48

4.1 [anonimizat] 49

4.1.1 Realizarea șasiului machetei 49

4.1.2 Asamblarea componentelor pe șasiul machetei și interfața de alimentare 49

4.1.3 Conectarea dispozitivelor la placa de dezvoltare Arduino 50

4.2 Programul software pentru placa de dezvoltare 51

4.3 Instalarea și utilizarea aplicației Bluetooth 52

4.4 Utilizarea machetei demonstrator și interpretarea rezultatelor 53

Capitolul 5. Calculul fiabilistic și economic al echipamentului 53

5.1 Calculul fiabilistic al echipamentului de evitare a coliziunii în traficul rutier 53

5.2 Calculul economic al echipamentului de evitare a coliziunii în traficul rutier 55

Capitolul 6. Concluzii 56

Dicționar explicativ de termeni și abrevieri 57

Bibliografie 58

Anexa 2 59

Introducere

Considerații generale

Din diverse surse de informare auzim aproape în fiecare zi despre un accident rutier. [anonimizat], să neglijeze și să ignore anumite aspecte ale condusului preventiv și astfel se produc foarte multe accidente. Cu toate că autovehiculele în sine devin din ce în ce mai „inteligente”, nepăsarea și neatenția șoferilor determină companiile producătoare de autovehicule să crească permanent capitolul de siguranță al acestora.

Industria sistemelor de siguranță a evoluat extrem de mult în ultimii 20 de ani. Inițial, [anonimizat], precum: scaunele, [anonimizat]-urile etc., au fost dezvoltate pentru a putea salva viețile omenești și pentru minimizarea vătămărilor produse în urma unui posibil accident. [anonimizat], farurilor etc., au fost introduse pentru a reduce probabilitatea producerii accidentelor.

În zilele noastre tehnologia a [anonimizat]use pot anticipa producerea unui accident sau pot asigura protecția pietonilor și a celor din jur. Cu ajutorul sistemului de evitare a coliziunii, care este sub o intensă dezvoltare, rata accidentelor scade drastic.

Obiectivele lucrării

Scopul acestei lucrări constă în prezentarea și aplicarea cunoștințelor acumulate în decursul anilor de facultate, pentru a prezenta sistemele moderne, în cea mai mare parte fiind electronice și integrate în sistemele vehiculelor, care au rolul de realiza de cele mai multe ori imposibilul: evitarea unei coliziuni rutiere.

Aplicația practică este o machetă (model pilot) ce simulează și prezintă funcționarea sistemului avansat de evitare a coliziunii, funcție realizată cu ajutorul unui cod ce are rolul de a corela în timp real informațiile primite.

Memoriu justificativ

Introducere

Accidentele rutiere răpesc în fiecare an aproximativ 1,3 milioane de vieți omenești și au un impact imens asupra oamenilor și economiei. Conform rapoartelor Organizației Mondiale a Sănătății (OMS), accidentele rutiere reprezintă a noua cauză principală de deces la nivel global, iar până în anul 2030 se preconizează că acestea vor deveni a șaptea cauză. Cu toate că accidentele rutiere au o rată de mortalitate mare, cele mai multe dintre acestea pot fi prevăzute și prevenite.

Analiza accidentelor la nivelul Uniunii Europene, cu accent pe situația din România în anul 2016 reprezintă punctul de plecare al acestei lucrări de licență. Trebuie specificat faptul că, instituțiile desemnate pentru realizarea analizei accidentelor rutiere din Uniunea Europeană, pe anul 2017, au publicat doar o analiză preliminară cu privire situația accidentelor rutiere.

Harta cu numărul de decese provenite din accidente rutiere raportate la un milion de oameni

Analiza comparativă a situației accidentelor rutiere în U.E vs România

Analiza accidentelor rutiere în U.E

Conform comunicatului de presă eliberat de Comisia Europeană în data de 28 Martie 2017, drumurile europene sunt cele mai sigure din toată lumea: în anul 2016 s-au înregistrat 50 de accidente fatale la un milion de locuitori față de 174 la un milion de locuitori la nivel global.

Anul 2016 a însemnat un punct de cotitură în lupta reducerii accidentelor rutiere: după doi ani de stagnare, numărul celor care și-au pierdut viața în accidente rutiere a scăzut cu 2%. Din anul 2010 până în anul 2016 s-a înregistrat o scădere de 19% a accidentelor mortale pe toată suprafața Uniunii Europene.

Având în vedere că fiecare viață salvată contează, atingerea scopului de a se înjumătăți numărul de accidente din care rezultă pierderea vieților omenești, în decursul anilor 2010 – 2020, este unul extrem de dificil.

Situația deceselor provocate de accidentele rutiere din U.E

În timp ce majoritatea statelor membre ale Uniunii Europene și-au imbunătățit siguranța rutieră a drumurilor încă din anul 2010, există totuși o discrepanță de performanță între anumite state din U.E. În 2016 țările cu cea mai mică rată de mortalitate în cazul accidentelor rutiere, calculată la milionul de locuitori au fost: Suedia (27) urmată de Regatul Unit al Marii Britanii (28), Olanda (33), Spania (37), Danemarca (37) și Germania (39). [1]

Analiza comparativă a accidentelor rutiere la nivel european în anii 2015 și 2016

Din datele furnizate de ETSC „European Transport Safety Council” cu privire la anul 2016, pe locul trei se situează accidentele produse pe autostradă (8%), locul doi este ocupat de accidentele ce se petrec în zonele urbane (37%), iar pe primul loc conduc detașat accidentele care se produc în zonele rurale (55%).

Procentajul accidentelor rutiere în funcție de localizare

Din punct de vedere al numărul victimelor rezultate din accidentele rutiere, utilizatorii de mașini dețin cel mai mare procentaj (46%). Categoria utilizatorilor vulnerabili ai drumurilor, adică pietonii, bicicliștii și motocicliștii completează tabloul sumbru al accidentelor rutiere mortale cu un procentaj de 54%. [1]

Procentajul victimelor din accidentele rutiere

În noiembrie 2016, comisia Uniunii Europene a publicat un document, ce conține datele furnizate de 16 state membre, cu privire la statisticile rănilor produse într-un accident rutier grav. Cu ajutorul acestor date noi, ce reprezintă aproximativ 80% din totalul accidentelor produse în Uniunea Europeana, s-a estimat faptul că aproximativ 135.000 de persoane sunt grav rănite în urma accidentelor rutiere.

Analiza accidentelor rutiere în România

Potrivit raportului anual din 2016 eliberat de către Inspectoratul General al Poliției Române intitulat „Buletinul siguranței rutiere”, pe drumurile publice din România s-au produs 8686 de accidente rutiere grave, din care au rezultat 8285 de persoane rănite grav și 1913 persoane decedate. O statistică sumbră este reprezentată de numărul accidentelor rutiere grave care fost mai mic cu 13,5% dar numărul persoanelor decedate a crescut cu 1,1%, în comparație cu anul precedent. [2]

În perioada anilor 2012 – 2016 s-a înregistrat o reducere modestă a numărului de accidente rutiere grave și a victimelor asociate acestor evenimente, evoluția descendentă fiind influențată negativ de creșterea din anul 2015 a numărului de evenimente rutiere.

Din datele furnizate de Inspectoratul General al Poliției Române reiese faptul că în România, mediul urban este pe primul loc la producerea accidentelor grave, aici având loc cele mai multe accidente grave (42%), cu cei mai mulți oameni răniți grav (41%). În ciuda aparențelor, în mediul urban s-a reușit cea mai mare reducere procentuală: -16% în cazul accidentelor grave și -18% la numărul de raniți grav.

Cu toate că mediul urban reprezintă centrul accidentelor rutiere, mediul rural reprezintă locul unde s-au înregistrat cele mai multe accidente rutiere ce au condus la pierderea de vieți omenești.

Graficele accidentelor în funcție de locul de producere

Primele cauze ale accidentelor rutiere grave produse pe drumurile publice din Romania, au fost indisciplina pietonilor și viteza autovehiculelor, acestea fiind responsabile pentru producerea a 41% din accidentele grave. Reduceri semnificative sunt înregistrate în următoarele categorii:

conducerea sub influența alcoolului (-28% față de 2012)

neacordarea de prioritate a vehiculelor (-21%)

neasigurarea la schimbarea direcției de mers (-20%)

În partea opusă, au fost înregistrare creșteri semnificative în următoarele categorii:

abateri ale bicicliștilor (+25%)

circulația pe sens opus (+22%)

preocupările la volan care distrag atenția (+20%)

În mediul rural și în afara acestuia (vorbim de drumuri naționale/județene) cele mai multe accidente sunt determinate de viteză, în timp ce în mediul urban cauza principală a accidentelor este datorată indisciplinei pietonilor.

Dinamica accidentelor grave în funcție de cauza producerii 2012 – 2018

În ediția din anul 2016, față de anii precedenți, comunicatul „Buletinul siguranței rutiere” cuprinde o nouă categorie de participanți la trafic care ridică probleme îngrijorătoare, aceasta fiind reprezentată de persoanele vârstnice. Această categorie este responsabilă pentru 1399 de accidente rutiere produse în anul 2016, categorie ce cuprinde persoanele cu vârsta de 65 de ani sau mai mult. Ca o sinteză a acestui număr, 1 din 6 accidente rutiere grave din România a fost produs din vina persoanelor vârstnice. [2]

Totodată această categorie este responsabilă pentru producerea a unui sfert din totalul accidentelor ce determină lovirea unui pieton. Din totalul accidentelor în care persoanele vârstnice sunt implicate, aproximativ 73% sunt constituite din vina acestora.

Rata mortalității rutiere pe categorii de vârstă

O statistică sumbră a drumurilor din Romania, o reprezintă numărul de decese în funcție de fiecare categorie de participanți la trafic:

Conducători de vehicule:

3290 răniți grav

771 decedați

Pasageri, călători, însoțitori:

2394 răniți grav

423 decedați

Pietoni:

2588 răniți grav

717 decedați

Situația deceselor provocate de accidentele rutiere din România

Nevoia implementării unui sistem de evitare a coliziunii

Conform celor prezentate anterior, accidentele rutiere reprezintă o problemă ce crește exponențial, nu doar ca număr ci și ca gravitate. Numărul de vehicule rutiere crește din ce în ce mai mult și odată cu acesta și numărul de accidente produse în fiecare an. Accidentele rutiere au cauze diferite, dar majoritatea pot fi evitate prin frânarea corespunzătoare și în timp util a autovehiculului. Pentru a îmbunatăți frânarea în caz de urgență, un factor important și decisiv care trebuie luat în considerare este eliminarea sau reducerea pe cât de mult posibil a întârzierii reacției șoferului.

În ultimul deceniu, tehnologia vehiculelor a evoluat extrem de mult, aproape de nivelul autonom al acestora. Sistemele inteligente, ce se regăsesc cu precădere pe vehiculele din ziua de astăzi, fac parte din ADAS („Advanced Driver Assistance System”, sisteme avansate de conducere). Această categorie de sisteme joacă un rol crucial în viața de zi cu zi a multor oameni pe care îi salvează de la accidente minore, până la accidente majore cu posibile pierderi de vieți omenești.

O parte dintre sistemele importante ale ADAS sunt: frânarea automată de urgență, parcarea automată, asistență la depășire, eCall , păstrarea direcției între benzile de circulație, pilotul automat adaptiv etc…

Tehnologii și echipamente actuale

Tehnologii la bordul vehiculelor rutiere

După cum am precizat și mai sus, familia ADAS este formată din mai multe sisteme ce au rolul de a ajuta șoferul în anumite situații potențial periculoase. Peste 90% dintre aceste sisteme au ca directivă reducerea posibilității producerii unui accident și protejarea vieților omenești în cazul producerii unuia.

Componența ADAS

Sistemul principal care se ocupă cu evitarea unui posibil accident este AEBS, care în esență, are rolul de a frâna în mod sigur pentru a evita obstacolul din calea vehiculului. Astfel sistemul lucrează în mai multe etape care se succed într-o ordine clară, toate având ca scop final evitarea producerii accidentului.

Din punct de vedere al principiului de funcționare sistemul AEBS este format din trei strategii de evitare a coliziunii pe care calculatorul de bord le alege în funcție de datele pe care le primește de la senzorii sistemului. Cele trei strategii de evitare sunt evidențiate mai jos în ordinea cronologică a apariției lor:

Prevenirea coliziunilor – senzorii detectează o posibilă coliziune și anunță șoferul cu privire la aceasta. Acest principiu este cel mai puțin riscant deoarece, falsa detecție a unui pericol are impact numai asupra reacției șoferului care poate interpreta datele. In Uniunea Europeană sistemul a fost pus în funcțiune pe anumite mașini încă din anul 1999.

Diminuarea coliziunilor – senzorii detectează posibilele coliziuni dar nu iau nici o decizie imediată pentru evitarea impactului. In momentul în care senzorii detectează că impactul este iminent, frânarea sau schimbarea direcției sunt aplicate în mod automat (independent de șofer) pentru a reduce viteza impactului. Acest principiu are un potențial mai scăzut decat primul exemplu, dar și riscuri mai mici deoarece preia controlul vehicului doar în ultimul moment.

Evitarea coliziunii – senzorii detectează o posibilă coliziune și preiau inițiativă pentru a evita accidentul în totalitate chiar dacă șoferul nu mai deține controlul autovehiculului. În viitor aceast principiu are cel mai mare potențial de implementare, dar cu anumite riscuri ce fac referire la falsa activare a sistemului ce poate determina riscuri clare pentru alți utilizatori ai traficului. [3]

Tehnologia de frânare automată combină senzori de diferite tipuri, pentru a putea crește gradul de eficiență al detectării unui obstacol, într-un caz în care accidentul este inevitabil.

Datele de intrare, care provin de la diferiți senzori, sunt utilizate să determine dacă există orice obiect, ce ar putea periclita siguranța autovehiculului, prezent în calea acestuia. Dacă este detectat un obiect care îndeplinește condiția de mai sus, sistemul poate determina dacă viteza de deplasare a autovehiculului este mai mare decât viteza obiectului din fața acestuia. O diferența significativă, între cele două viteze, poate indica o posibilă coliziune, caz în care sistemul este capabil sa activeze în mod automat frânele.

Fiecare producător de autoturisme, și-a dezvoltat propriul sistem de frânare automată, dar care se bazează pe același principiu de funcționare și care în esență realizează aceeași funcție: frânarea autovehiculului în condiții de siguranță pentru evitarea unui obstacol – cel puțin deocamdată sistemele de frânare automată și cele de evitare a coliziunilor nu au fost standardizate. Sistemul AEBS este format, în principal, din trei mari componente:

Alcătuire sistem AEBS

Camera video oferă o performanță mai bună în ceea ce privește detecția și precizia țintei pe partea laterală față de radar. Aceasta este calibrată să gestioneze în medie în jur de 12 ținte diferite în același timp. Procesarea de imagini nu este folosită doar pentru detecția țintelor, ci și pentru analiza informațiilor despre mediu, pentru a preveni detecțiile false.

Acoperirea zonelor de detecție – comparație între tehnologii

Radarul cu microunde este mult mai precis pentru detecția țintelor in planul longitudinal (maxim 200 de metri) decât camera. Partea hardware a acestuia conține si Unitatea de Control Logic care are rolul de a compara datele primite de la blocul de detecție al radarului si de la blocul de detecție al camerei video. În funcție de datele primite, acestea sunt comparate, iar apoi se trimite o decizie afirmativă/negativă catre bordul mașinii si catre sistemul de frânare al acesteia.

Blocurile componente ale sistemului AEBS

Camera video transmite prin intermediul magistralei CAN („Controller Area Newtwork”), către blocul radarului o serie de informații cu privire la eventualele ținte. Deoarece radarul și unitatea centrală de control se află în același bloc component, informațiile provenite din partea radarului sunt preluate direct. În acest punct unitatea centrală de control analizează datele primite de la cameră și de la radar, iar pe baza acestora decide într-un timp extrem de scurt, următorul pas.

Dacă, în urma analizei, rezultatul este favorabil, unitatea de control trimite prin magistrala CAN o serie de semnale ce au rolul de informa calculatorul sistemului de frânare și calculatorul de bord, cu privire la starea de atenționare. Mai departe calculatorul de bord are rolul de a atenționa șoferul, pentru e perioadă scurtă de timp, cu privire la o viitoare posibilă coliziune.

În același timp, calculatorul sistemului de frânare pregătește sistemul pentru o posibilă frânare, prin încărcarea parțială a sistemului de frânare. Dacă în urma atenționării șoferului, acesta nu reacționează, sistemul de evitare a coliziunii intervine, prin acționarea sistemului de frânare în funcție de analiza realizată de unitatea de control de la început.

Tipuri de senzori utilizați în sistemul de evitare a coliziunii

Senzorul Radar

Radarul (Radio Detecting and Ranging, detecție și urmărire prin radio) este un procedeu de explorare a spațiului cu ajutorul undelor electromagnetice de înaltă frecvență (microunde). Cand întalnesc obstacole (în special cele care reflectă foarte bine undele electromagnetice), undele se reflectă mai mult sau mai puțin intens. Unda reflectată este din nou recepționată. Prin intensitatea și direcția sa, unda reflectată dă informații asupra obiectului care a produs reflexia, de exemplu informații asupra mărimii, distanței, înălțimii și poziției obiectului. Astfel, radarul reprezintă nu numai o metodă de determinare a existenței obiectului (țintei), ci și o metodă de măsurare a parametrilor ei. [4]

Puterea undei reflectate la recepție este dată de următoarea formulă:

unde avem:

= puterea transmisă;

= câștigul obținut;

= aria antenei de recepție;

= coeficient de detecție;

F = factorul de propagare;

= distanța de la emitor până la țintă;

= distanța de la țintă până la receptor;

În cazul în care emitorul și receptorul sunt în același loc, și termenii pot fi înlocuiți cu R4 rezultă următoarea formulă:

Radarele Doppler se bazează pe principiul efectului Doppler ce constă în modificarea frecvenței unei unde, emise de o sursă în condiții de deplasare față de receptor. Modificarea frecvenței dintre sursă și receptor este cauzată de deplasarea relativă a uneia față de cealaltă.

În urma calculului din formula de mai sus, rezultă:

unde avem:

= frecvența de emisie;

= viteza luminii;

= aria antenei de recepție;

= viteza radială a țintei;

Deoarece radarul funcționează cu lungimi de undă de ordinul milimetrilor, radarele ce se găsesc in componența mașinilor, sunt foarte precise când vine vorba de detecția unui obiect de câțiva centimetri sau mai mult. Totodată radarele au proprietatea de a “ignora” obiectele care sunt relativ mici în comparație cu lungimea de undă (picăturile de apă din ceață).

Există două tipuri de radare din punct de vedere al imaginii pe care îl oferă:

Radarul formator de imagine, asigură reprezentarea unei imagini a obiectului sau zonei observate. Acest tip de radare sunt utilizate pentru cartografierea Pământului și a altor planete, a asteroizilor și a altor obiecte cosmice, precum și pentru clasificarea țintelor în cazul sistemelor militare.

Radarul ne-formator de imagine, care măsoară proprietățile de reflexie ale obiectului sau zonei observate. Exemple tipice de radare ne-formatoare de imagine (Non-Imaging Radar) sunt vitezometrele radar (radarele poliției) și radioaltimetrele avioanelor.

Capacitatea de separare a țintelor în funcție de numărul de fluxuri emise

O altă clasificare a radarele se poate face in funcție de tipul acestora de emisie:

Radare în impulsuri, care emit o serie de impulsuri de frecvență foarte înaltă și de mare putere. După fiecare impuls de sondaj urmează o pauză mai lungă, destinată recepționării semnalelor ecou, apoi un alt impuls de sondaj ș.a.m.d. Direcția, distanța și dacă este necesar înălțimea sau altitudinea țintelor pot fi determinate prin măsurarea poziției antenei și a timpului de propagare al impulsurilor.

Radare cu emisie continua, au rolul de a emite un semnal de frecvență foarte înaltă în mod continuu. Semnalul ecou este recepționat și prelucrat, iar receptorul (care are propria antenă de recepție) este dispus în același loc cu emițătorul.

Radare cu emisie continuă fără modulație, au rolul de a genera un semnal de emisie care este constant în amplitudine și în frecvență. Acest tip de radare sunt specializate în determinarea vitezei. Distanța nu poate fi măsurată. De exemplu, sunt utilizate de poliție pentru măsurarea vitezei autovehiculelor (vitezometre radar). Echipamentele mai moderne (LIDAR) lucrează în gama de frecvențe laser și pot face în afara vitezei și alte măsurători.

Radare cu emisie continuă cu modulație, generează un semnal de emisie care este constant în amplitudine, dar modulat în frecvență. Această modulație face din nou posibil principiul măsurării timpului de propagare. Un alt avantaj al acestor radare este că recepția semnalelor se face fără întreruperi și astfel rezultatele măsurătorilor sunt disponibile în mod continuu.

Radare bistatice, care au sistemul de emisie într-un loc diferit față de cel de recepție.[4]

Avantajele utilizării senzorilor RADAR:

Senzorii radar au o tehnologie matură;

Pot determina viteza direct, fără sisteme suplimentare;

Un singur senzor poate acoperi multiple zone dacă este poziționat corect și dacă se folosesc tehnicile de procesare potrivite.

Dezavantajele utilizării senzorilor RADAR:

Detecție vehiculelor nedorite, ce se găsesc în aria de emisie a radarului, dar nu in direcția autovehiculului;

Falsa detecție datorită multiplelor ținte;

Limitare pe distanțe scurte (tipic 600m – 1 km, datorită limitărilor legale privind puterile de emisie acceptabile la sol);

Camere video cu procesare de imagine

Un senzor de imagine este o cameră video convențională, care poate detecta viteza unui obiect reprezentând una dintre cele mai apreciate metode de detecție a vitezei. Baza acestei metode o reprezintă un algoritm care calculează viteza vehiculului intre două imagini consecutive.

Algoritmul are rolul de a transforma cele două imagini plane în imagini 3D. Mai departe algoritmul calculează diferențele celor două imagini, rezultând astfel eliminarea decorului și montarea ambelor vehicule într-o singură imagine. În cele din urmă se calculează distanța dintre cele două poziții ale vehiculului, rezultând astfel viteza acestuia. [5]

Cameră video cu algoritmi de procesare a imaginii

Avantajele utilizării procesării de imagini video:

Cost relativ mic de implementare a platformei;

Dezavantajele utilizării procesării de imagini video:

Sunt necesari mai mulți senzori de acest tip pentru a se detecta vehicule mici;

Nu au performanțe foarte bune în comparație cu alte tehnologii, datorită imaginii monoscopice (imposibilitatea urmăririi spațiale):

Cost mare în ceea ce privește dezvoltarea software;

Senzorul LIDAR

LIDAR ce reprezintă acronimul pentru “Light Detection and Raging” este o tehnologie de supraveghere ce măsoară distanța dintre țintă și dispozitiv cu ajutorul unei raze laser. Cu ajutorul ei, ca și in cazul sonarului și al radarului, se pot face “hărți“ de mare rezoluție cu o aplicare din ce în ce mai des întalnită în domeniul autovehiculelor. Tehnologia LIDAR a apărut încă din anul 1960, la scurt timp după inventarea laserului, când a avut prima întrebuințare în domeniul meteorologiei. Publicul general a devenit conștient de acuratețea și utilitatea aceastei tehnologii abia în anul 1971, în timpul misiunii Apollo 15, când astronauții au folosit tehnologia LIDAR pentru a cartografia suprafața lunii.

Principiul de funcționare al senzorului LIDAR

Cum am descris și mai sus, LIDAR-ul emite pulsuri de lumină (raze laser) și calculează timpul necesar întoarcerii acestora. Acest tip de ecolocație este folosit împreună cu coordonatele GPS și cu un sistem de măsurare inerțial (IMU-“inertial measurements unit“), care măsoară înclinația si unghiul, permițând astfel să se compileze o imagine a zonei înconjurătoare. După cum se poate vedea și mai jos, în urma terminării procesului de compilare, tehnologia LIDAR produce o imagine clară și cuprinzătoare. [6]

Senzorul LIDAR în domeniul autovehiculelor

În dominiul autovehiculelor, această tehnologie nu este nouă, fiind folosită din multe motive și poate fi găsită pe foarte multe autovehicule din ziua de astăzi. În anul 1992, firma japoneză Mitsubishi, a folosit pentru prima oară tehnologia LIDAR pentru detecția distanței față de un vehicul/obstacol din față. [6]

Tehnologia LIDAR tinde să fie, din perspectiva Google sau Uber, unul dintre pilonii de bază ai tehnologiei autovehiculelor autonome. Motivul pentru care tot mai multe companii care se bazează pe această tehnologie este simplu: cu toate că radarul și sonarul sunt dispozitive foarte bune pentru a crea hărți ale zonei înconjurătoare, amândouă au limitările lor. Radarul utilizează unde radio, dar are limitări pe distanțe scurte. Sonarul, utilizează unde sonore și este limitat pe distanțe lungi. În schimb, tehnologia LIDAR se descurcă foarte bine atât pe distanțe lungi, cât și pe distanțe scurte, fiind ideală pentru industria autovehiculelor autonome, care au nevoie de o hartă a obstacolelor si obiectelor de pe drum, atât la apropiere cât și la departare.

Avantajele utilizării senzorului LIDAR:

Acuratețe si viteză de procesare foarte bune;

Dependență umană mică;

Utilizabil pe distanțe atât lungi, cât și scurte;

Viteză de reacție foarte mare;

Dezavantajele utilizării senzorului LIDAR:

Sensibil la unele condiții meteorologice (ploaie, ninsoare și ceață);

Cost foarte mare de achiziționare;

Senzorul Ultrasonic

Rolul senzorului este de a transforma o mărime fizică de intrare (energie), provenită din mediu, într-o mărime electrică de ieșire, mărime ce poate fi măsurată, prelucrată si afisată. Senzorii ultrasonici sunt dispozitive electronice care emit pulsații acustice scurte, de înaltă frecvență (între 20Hz și 20KHz), la intervale de timp regulate. Acestea se propagă prin aer cu viteza sunetului. Dacă lovesc un obiect, acestea sunt reflectate înapoi ca semnale ecou la senzor, care calculează distanța până la obiect pe baza intervalului de timp dintre emiterea semnalului și recepționarea ecoului. [7]

Principiul de funcționare al senzorului ultrasonic

Deoarece distanța până la obiect este determinată prin măsurarea timpului de deplasare a undelor și nu prin intensitatea sunetului, senzorii ultrasonici sunt excelenți pentru eliminarea interferențelor de fundal. Pentru producerea undelor ultrasonice, este utilizat un dispozitiv numit traductor. Cu cât frecvența de emitere crește, cu atât undele transmise sunt pentru distanțe scurte. Dacă frecvența de emitere scade, undele transmise sunt pentru distanțe lungi. [8]

Un senzor ultrasonic este compus din două parți:

Emitorul – are rolul de a transmite undele ultrasonice la o distanță predestinată, în funcție de raza pe care o are fiecare model de senzor in parte.

Receptorul – dacă unda ultrasonică detectează un obstacol, acesta va produce o undă ultrasonică reflectată. Receptorul are rolul de a capta această unda reflectată și de a o transforma într-un semnal cu ajutorul traductorului.

Funcționarea senzorului ultrasonic în impulsuri

Un traductor este un dispozitiv elementar, capabil într-un anumit domeniu de măsurare, să convertească o mărime fizică de intrare într-o mărime electrică de ieșire. Traductorul în sine nu conține elemente de procesare, scopul lui este doar realizarea conversiei.

Există mai mulți factori care pot afecta senzorii ultrasonici precum:

Configurarea – senzorii ultrasonici pot conține unul sau mai multe traductoare, în funcție de aplicație. Spațierea dintre aceaste traductoare este importantă, deoarece dacă acestea sunt prea apropiate, se pot produce anumite interferențe nedorite între undele ultrasonice emise;

Unghiul – unghiul la care este amplasat senzorul, cât si unghiul la care este obiectul detectat, trebuie să fie cât mai apropiate ca valori, pentru cea mai bună acuratețe;

Materialul suprafeței de reflexie – senzorii ultrasonici lucrează cel mai bine cu obiecte drept țintă, realizate din materiale precum metalul, plasticul și sticla. Cu toate acestea, în cazul situațiilor în care obiectul este confecționat din materiale ce absorb undele ultrasonice, precum fibra, senzorul trebuie mutat mai aproape de obiect.

Avantajele utilizării senzorului ultrasonic:

Nu este afectat de culori sau de transparența obiectelor;

Se poate utiliza in medii întunecate;

Preț mic de achiziție;

Precizie foarte bună (există modele unde precizia este de sub 0.18mm);

Nu este afectat de praf, umezeală etc.;

Dezavantajele utilizării senzorului ultrasonic:

Nu este destinat utilizării în apă și poate genera erori în cazul utilizării pe ploaie sau cand receptorii sunt udați;

Limitat în funcție de model, de distanța măsurabilă;

Ineficient în detecția obiectelor fabricate din materiale ce absorb undele ultrasonice (în general materialele „moi”);

Analiza comparativă a sistemelor AEBS de la diferiți furnizori contractați

Având o importanță clară in domeniul siguranței automobilelor, zece companii fabricante de vehicule auto au luat decizia de a implementa sistemul AEBS (fiecare cu denumirea proprie a producătorului) ca și opțiune standard. Printre acestea se numără: BMW, Audi, Ford, Mazda, Toyota, Volkswagen, Volvo, Tesla și Mercedes-Benz.

O analiză comparativă a fiecărui sistem in parte, în funcție de producător, cu aspectele pozitive, dar și cu cele negative, este prezentată mai jos pe baza testelor realizate de cel mai mare club al pasionaților de autovehicule din Germania. [10]

Analiza comparativă a zece sisteme AEBS

Analiza comparativă – acordarea de calificative

Volvo: companie multinațională suedeză, se remarcă ca fiind una dintre producătoarele de vehicule rutiere cu cele mai bune rezultate în cadrul testelor de siguranță.

În anul 2007, Volvo a introdus pe piață propriul sistem AEBS sub numele de "Collision Warning with Auto Brake", pe noul model S80. Sistemul se baza pe fuziunea dintre un radar și o cameră, care furniza alerte de tip vizual cu ajutorul unui “head-up display”. Dacă șoferul nu reacționa, sistemul pre-încarca instalația de frânare, iar apoi creștea sensibilitatea frânelor pentru a maximiza reacția de frânare a șoferului. In versiunile ulterioare, sistemul aplică in mod automat frânarea de urgență pentru a minimiza impactul. In anul 2012, Volvo introduce pentru prima oară airbag-ul pentru pietoni, iar in anul 2013 introduce detecția bicicliștilor.

Tot in anul 2013, Volvo schimbă strategia detecției pericolelor, prin utilizarea tehnologiei LIDAR care are rolul de a scana drumul din fața vehicului pentru a detecta posibilele pericole. [9]

Amplasarea senzorului tip radar în grila autovehiculului (Volvo)

Mercedes-Benz: deține locul numarul doi din cadrul testului de eficacitate a sistemului de frânare automată în caz de urgență.

Compania germană s-a remarcat încă de la început în domeniul siguranței, aceasta fiind prima care a prezentat în anul 2003 la salonul auto de la Paris, sistemul "Pre-Safe". Cu trecerea timpului, sistemul a evoluat bazându-se în zilele noastre pe utilizarea unei combinații între radar și cameră.

Audi: în anul 2010 aceștia își fac debutul cu sistemul "Pre Sense" ce utilizează două radare și o cameră. Sistemul lucrează în patru faze: prima fază produce semnalele de alertă cu privire la un obstacol iminent, închizând geamurile și pre-tensionând centurile de siguranță. A doua fază este formată din luminile de frânare pentru a capta atenția șoferului. Cea de-a treia și cea de-a patra fază de frânare, cuprind forța de frânare exercitată la o rată de 3m/s2 și respectiv 5m/s2.

Volkswagen: tehnologia folosită de aceștia pentru a evita accidentele "Front Assist", este pentru prima oară implementată în anul 2010, pe modelul Touareg care este capabil să frâneze mașina în cazul unei urgențe și să pre-tensioneze centurile de siguranță ca și masură de precauție. În anul 2014, prin modelul Passat, este introdusă funcția de recunoaștere a pietonilor ca fiind parte a sistemului "Front Assist". Aceasta folosește o combinație de date furnizate de un radar și o cameră.

Amplasarea senzorului tip radar în grila autovehiculului (VW)

BMW: compania bavareză se remarcă prin introducerea a două sisteme în anul 2012. Primul sistem "Active Protection" care are rolul de a pregăti autovehiculul de accident și al doilea sistem "Driving Assistant Plus" care are rolul de a detecta și frâna autovehicolului în cazul detecției unui pericol iminent. Detecția se bazează pe utilizarea datelor primite de la fuziunea dintre un radar și o cameră. Sistemul a suferit de-a lungul timpului modificări substanțiale cu privire la falsa detecție provocată de ceață, ploaie, etc.

Infiniti: reprezintă divizia de lux a constructorului japonez Nissan. Tehnologia acestora de AEBS se numește "Intelligent Brake Assist" și se bazează pe utilizarea tehnologiei senzorilor radar de tip laser (LIDAR). În primă fază, sistemul alertează șoferul prin semnale de tip auditiv/vizual în cazul apariției unui obstacol. Tot acesta ridică pedala de accelerație, iar dacă șoferul eliberează pedala, sistemul aplică o frânare parțială. In caz contrar, în care șoferul nu reacționează, sistemul preia controlul și aplică o forță de frânare maximă. [9]

Tesla: este o companie multinațională înființată în anul 2003, dar care a intrat pe piața automobilelor în anul 2008, fiind prima companie mondială care dezvoltă exclusiv doar autovehicule electrice. Tehnologia AEBS a acestora se deosebește prin utilizarea unei tehnologii ce cuprinde 4 tipuri diferite de camere video, amplasate în locuri diferite, ce funcționează împreuna cu un radar. Cu ajutorul acestei configurații, autovehiculele de generație nouă marca Tesla, pot avertiza șoferul cu privire la o posibilă coliziune din partea laterală. [11]

Distribuirea camerelor video și a radarului

Tehnologii de infrastructură

Tehnologiile de infrastructură (Vehicle-to-Infrastructure) reprezintă comunicația și schimbul de date între vehicule și infrastructura drumului prin intermediul unui mediu wireless. În mod normal această legătură se realizează în mod bidirecțional: pachetele de date de la componentele de infrastructură (indicatoare rutiere, semafoare, accidente, etc.) pot fi livrate către vehicule și invers.

În ziua de astăzi drumurile publice încep să devină din ce în ce mai inteligente. Mașinile viitorului, cele care se conduc singure, devin realitate. Dar această provocare nu poate deveni realitate fără drumuri adecvate care să poată permite comunicarea cu mașina. Pentru a putea susține acest lucru, drumurile din ziua de astăzi trebuie remodelate dupa o arhitectură simplă, ce în final va permite comunicarea cu vehiculele:

Echipamentul de la bordul vehiculelor;

Echipamentul de pe marginea drumului;

Un canal de comunicații sigur;

Principiul de funcționare al tehnologiei V2I

O arie pe care această tehnologie o poate imbunătății, este cea a siguranței participanților la trafic. Să luăm un caz concret: în zilele noastre evitarea unui accident se face pe baza sistemului AEBS (cel pe care l-am descris anterior), dar care are limitările lui constructive și falsa detecție a unui obstacol. Sistemul AEBS este aproape ineficient dacă vorbim despre coliziunile din părțile laterale ale autovehiculului, unde acesta nu mai are nicio detecție din partea radarului și nici a camerei.

Cu ajutorul tehnologiei V2I ("Vehicle-to-Infrastructure") putem ajunge la apogeul inteligenței artificiale în domeniul "Automotive". Astfel prin intermediul tehnologiei V2I se poate evita producerea unui accident chiar și când nu există vizibilitate. Un alt beneficiu îl poate reprezenta cunoașterea în permanență a rutei optime către destinație, fără aglomerație, doarece sistemul cunoaște punctele de aglomerație rutieră și astfel propune ruta cea mai optimă împreuna cu limitele de viteza și indicatoarele aferente rutei alese.

Exemplu de utilizare al tehnologiei V2I

În ultimul deceniu s-au realizat progrese considerabile orientate către conceptul de „drum inteligent”. Ideea permiterii vehiculelor de a comunica cu drumul devine o reală posibilitate prin utilizarea unor puncte de acces wireless sau prin intermediul unor simple stații de transmisie. Aceste tipuri de echipamente trebuie amplasate în locuri strategice precum: bifurcații ale drumului, semafoare, indicatoare rutiere etc.

Comunicația dintre vehicule și echipamentul de emisie se realizează cu ajutorul următoarelor protocoale de comunicație:

DSRC („Dedicated Short Range Communications”)

WAVE („Wireless Access Vehicular Environment”)

CALM („Continuous Air Interface Long and Medium range communications”)

DSRC

Protocol de comunicație de distanță relativ mică (până la 1000m în linie dreaptă) care se bazează pe un control al comenzilor-răspunsurilor comunicațiilor dintre infrastructura drumului și vehicul.

În unele țări acest protocol a primit, o bandă dedicată ITS („Intelligent Transport System”). [12]

Alocarea DSRC a spectrelor

WAVE

Acest protocol de comunicație poate fi considerat urmașul protocolului DSRC deoarece, prezintă aceleași caracteristici, dar cu viteze mai mari de transfer al datelor și conexiune punct-la-punct.

Este o adaptare a protocolului 802.11A.

În anul 2008 s-a demonstrat faptul că WAVE depășește WI-FI în domeniul vehiculelor. [12]

Principiul de funcționare al tehnologiei WAVE – prototip

CALM

Cadru ce definește o arhitectură comună, protocoale de rețea și interfețe pentru toate tipurile de comunicații wireless.

Este dezvoltată de ISO („International Standards Organization”)

Este compus din 8 sub-grupuri de lucru:

Sub-grupurile protocolului CALM

Schema de arhitectură CALM

Cu toate că această tehnologie la prima vedere aduce numai beneficii, implementarea acesteea cât și întreținerea sunt foarte costistitoare. În primul rând, implementarea sistemului în fiecare mașina, în fiecare intersecție și pe marginea fiecărui drum produce un cost substanțial de mare. În al doilea rând, o altă problemă o reprezintă întreținerea echipamentelor atât din punct de vedere hardware, cât și din punct de vedere software. Este bine știut faptul că sistemul de trafic este foarte dinamic, zilnic unele drumuri sunt reparate, zilnic unele drumuri sunt închise, iar acest lucru ar putea dăuna întregului sistem. O altă problemă o ridică securitatea: fie ea fizică (lovituri ale unităților de pe marginea drumului) ori software (viruși, șocuri electrice/magnetice).

În cele din urmă multe dintre aceste idei rămân la stadiul de proiect sau sunt implementate la scară mică. Acest pas reprezintă cheia automatizării în domeniul controlului traficului rutier, un pas ce încă este departe de a se realiza.

Concluzii

Conform unui raport al IIHS („Insurance Institute for Highway Safety”) intitulat „Effectiveness of Forward Collision Warning Systems with and without Autonomous Emergency Braking in Reducing Police” din anul 2016, sistemul de evitare a coliziunii reduce sanșele producerii unui accident cu până la 39%. Raportul vizat se bazează pe mărturiile șoferilor care au luat parte la accidentele în cauză. O altă analiză preluată din raportul IIHS evidențiează faptul că în anul 2013 în SUA s-au raportat aproximativ 700000 de accidente frontale, iar aproximativ 300000 dintre acestea puteau fi prevenite dacă vehiculele implicate erau echipate cu sistemul de evitare a coliziunii. [22]

Baza analizei este reprezentată de o comparație între vehiculele echipate cu sisteme de evitare a coliziunii și vehicule care nu sunt echipate cu aceste tipuri de sisteme.

Comparație între numărul de accidente provocat de vehiculele echipate cu sisteme de evitare și de cele fără sistem de evitare

Cu toate că mulți oameni se consideră șoferi cu aptitudini excelente, care nu au nevoie de un astfel de sistem, sistemul automat de evitare al coliziunii nu a fost și nu este destinat exclusiv șoferilor care au nevoie de el. Orice șofer a experimentat sau urmează să experimenteze momente de distragere când schimbă postul radio, este atent la copiii din spate care fac gălăgie sau alte surse de influență externă. Acesta este momentul când sistemul automat de evitare al coliziunii intră în acțiune pentru a preveni sau a minimiza un accident rutier.

Tinând cont de evoluția tehnologiei, mulți șoferi se lasă în grija sistemelor de siguranță, ceea ce duce la producerea unor catastrofe reale. Acest lucru este greșit și este bine de știut faptul că, un sistem inteligent (cel puțin la nivelul actual) nu poate să inlocuiască intuiția și eficacitatea unui șofer atent.

În cele din urmă, sistemele de siguranță ale unui autovehicul sunt utilizate atunci când neatenția unui șofer poate produce pagube materiale si omenești, scopul acestora fiind doar de a repara greșeala omenească și nu de a o încuraja.

SISTEME DE EVITARE A COLIZIUNII ÎN TRAFICUL RUTIER – APLICAȚIE PRACTICĂ

Descrierea propunerii

Acest proiect are ca directivă punerea în temă a contribuțiilor privind ideea de evitare a unui preimpact în cazul unui accident rutier, cu ajutorul unui senzor ultrasonic care este folosit pentru detecția obiectului din fața vehiculului care mai apoi, trimite informația către un microprocesor. Pe baza semnalului recepționat de la senzor, microprocesorul trimite un semnal către sistemul de frânare al vehiculului pentru a acționa frânarea în cel mai scurt timp posibil.

Schema bloc a principiului de funcționare

Se va proiecta un model demonstrativ, un vehicul comandat prin mediul de comunicare al tehnologiei Bluetooth, cu capacitatea de a detecta obstacolele din calea acestuia de rulare și de a frâna in mod automat, înainte de a se lovi de acestea. Se va utiliza un program de tip C++ pentru a corela funcțiile modelului demonstrativ în timp real.

Tehnologiile propuse de utilizare în procesul de construcție al modelului demonstrativ si descrierea altor tehnologii viabile sunt prezentate in capitolele ce urmează.

Modelul demonstrativ este format din două parți:

Partea Hardware:

Microcontroller (Placă de dezvoltare tip Arduino Uno);

Senzor ultrasonic;

Modul comunicații Bluetooth;

Motoare de curent continuu;

Modulul de motoare dual;

Componenta de aplicație (software):

Arduino IDE;

Aplicație de comunicație Bluetooth;

Componente Hardware

Placa de dezvoltare

Această secțiune este dedicată analizei și prezentării plăcii de dezvoltare Arduino UNO, creierul modelului demonstrativ. Rolul unității de procesare este de a colecta datele de intrare, de a le analiza și nu în ultimul rând, de a comanda componentele legate la aceasta, în vederea executării anumitor funcții bine stabilite prin codul implementat.

Mulțumită simplității și experienței accesibile a utilizatorului, placa de dezvoltare Arduino UNO este perfectă pentru utilizarea acesteia în diferite proiecte și aplicații. Cheia principală a alegerii acestei placi o reprezintă modul de utilizare simplu pe care îl pune la dispoziție: este compatibilă cu sistemele de operare precum MAC, Windows și Linux. Pe langă acest motiv, în decizia utilizării acestei placi au mai intervenit:

Cost de achiziție mic;

Un mediu de programare simplu si clar;

Sursă liberă pentru extensiile software;

Sursă liberă pentru extensiile hardware;

Arduino Uno este o placă de dezvoltare bazată pe microcontrolerul ATmega328. În componența acesteia se găsesc 14 pini de intrare / ieșire de tip digital (dintre care 6 pot fi utilizați ca ieșiri PWM), 6 intrări analogice, un oscilator de cristal cu cuarț de 16 MHz, o conexiune USB, o mufă de alimentare, un antet ICSP și un buton de resetare. Alimentarea plăcii se poate realiza prin utilizarea cablului USB, o baterie sau cu un adaptor AC/DC. [13]

Specificații tehnice Arduino Uno

Unitatea centrală de procesare, în cazul nostru placa de dezvoltare Arduino UNO, are rolul de a comanda alte componente periferice în funcție de datele primite. Conectarea acestor componente cât și comunicația dintre Arduino Uno și componentele periferice, se face cu ajutorul pinilor pe care placa de dezvoltare îi are în componență. Disponibilitatea pinilor și rolul acestora, este prezentat mai jos:

GND — ground / polul negativ al circuitului / tensiune de 0 volți.

5V — 5V, pin care prezintă o tensiune de 5 volți față de GND, indiferent de tensiunea de alimentare.

N.B.: în funcție de modelul platformei de dezvoltare, tensiunea de lucru poate fi 5V sau 3,3V; pentru plăcile care funcționează la 3,3V, toate mențiunile explicite despre tensiunea de 5V din acest articol se vor citi 3,3V.

VCC — tensiunea de intrare. Platforma Arduino se alimentează fie prin conectorul USB, fie prin mufa de alimentare.

Digital 0, Digital 1, …, Digital 14 — pini de intrare/ieșire digitală. Se poate decide din program dacă pinul X va fi folosit pentru intrare sau pentru ieșire. Pinii digitali pot avea doar două stări: 1 ori 0 (logic), HIGH ori LOW (notația în cod), 5V ori 0V (tensiunea propriu-zisă).

Analog 0, Analog 1, …, Analog 6 — pini exclusivi pentru intrarea analogică. Aceștia pot citi valori discrete între 0 și 1023, corespunzătoare în mod proporțional tensiunii de intrare (între 0 și 5V).

Prezentarea componentelor plăcii Arduino Uno

Cei 14 pini digitali de intrare/ieșire lucrează la o tensiune de 5 volți si pot fi controlați cu una dintre următoarele funcțiile: pinMode(), digitalWrite() sau digitalRead(). Fiecare pin poate primi sau trimite o intensitate de maxim 40 mA și au o rezistență internă cuprinsă între 20-50 kOhmi (în mod normal deconectată). În afară de semnalul standard de intrare/ieșire, o parte dintre pini mai au și alte funcții specializate precum:

0 (serial) RX – pin serial, utilizat în special pentru recepția (intrare – Rx) datelor seriale asincrone (asynchronous serial communication). Protocolul serial asincron este o metodă foarte răspândită în electronică pentru a trimite și recepționa date între dispozitive. Acest protocol este implementat în dispozitiv numit UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)

1 (serial) TX – pin serial, folosit pentru trimiterea datelor asincrone (ieșire – Tx);

2 (External Interrupts) – întrerupere externă. Acest pin poate fi configurat pentru a declanșa o întrerupere la o valoare mică;

3 (External Interrupts + PWM) – întrerupere externă. Este identic cu pinul 2, dar poate fi folosit și pentru PWM (pulse with modulation);

4 (I/O) – pin standard intrare/iesire;

5 (PWM) – poate furniza control de ieșire pe 8-bit pentru controlul PWM;

6 (PWM) – identic cu pinul 5;

7 (I/O) – pin standard intrare/ieșire;

8 (I/O) – identic cu pinul 7;

9 (PWM)

10 (PWM + SPI) – suportă comunicare prin interfața serială (Serial Peripheral Interface). SPI-ul are patru semnale logice specific, iar acest pin se utilizează pentru SS – Slave Select (active low; output din master). Pinii SPI pot fi controlați folosind libraria SPI;

11 (PWM + SPI) – suportă SPI, iar acest pin se folosește pentru MOSI/SIMO – Master Output, Slave Input (output din master);

12 (SPI) – suportă SPI, iar acest pin se folosește pentru MISO/SOMI – Master Input, Slave Output (output din slave);

13 (LED + SPI) – suportă SPI, acest pin se folosește pentru SCK/SCLK – Ceas serial (output din master). De asemenea, pe placă este încorporat un LED care este conectat la acest pin. Când pinul este setat pe valoarea HIGH este pornit, când are valoarea LOW este oprit.

În continuarea celor 14 pini digitali, mai exista 4 pini cu următoarele funcții:

GND – împământare. Aici se pune negativul;

AREF – Analog REFference pin – este utilizat pentru tensiunea de referință pentru intrările analogice. Se poate controla folosind funcția analogReference();

SDA – comunicare I2S;

SCL – comunicare I2S;

Pe latura opusă se găsește o serie de 6 pini pentru semnalul analogic, numerotați de la A0 la A5. Fiecare dintre aceștia poate furniza maxim 1024 de posibile valori diferite. În mod implicit se măsoară de la 0 la 5 volți, deși este posibil să se modifice limita superioară a intervalului lor folosind pinul AREF și funcția analogReference(). De asemenea, există și aici anumiți pini care au funcții suplimentare descrise mai jos:

A0 pin analog standard;

A1 pin analog standard;

A2 pin analog standard;

A3 pin analog standard;

A4 (SDA) suportă comunicarea prin două fire (I2C (I-two-C) sau TWI (Two wire interface)). Acest pin este folosit pentru SDA(Serial Data) la TWI;

A5 (SCL) este identic cu pinul numărul 4, doar că acesta este folosit pentru SCL (Serial Clock) la TWI;

În continuarea pinilor analogici, există o secțiune de pini notată POWER și au următoarele funcții:

VIN – intrarea pentru tensiunea din sursă externă (input Voltage);

GND – negativul pentru tensiune din sursă externă (ground Voltage);

GND – negativ. Se folosește pentru piesele și componentele montate pe placa de dezvoltare Arduino cu rol de masă/împământare;

5V – ieșire pentru piesele și componentele montate la placa de dezvoltare Arduino. Scoate fix 5V dacă placa este alimentată cu tensiunea corectă (între 7 si 12 V);

3,3V – ieșire pentru piesele și componentele care se alimentează la această tensiune de 3,3V și maxim 50mA;

RESET – acest pin se poate seta ca LOW pentru a reseta controlerul de la Arduino. În general este folosit de către shield-urile care au un buton de reset și care anulează de obicei butonul de reset de pe placa de dezvoltare Arduino;

5VREF (Input/Output Refference Voltage) – este folosit de anumite shield-uri ca referință pentru a se comuta automat la tensiunea furnizată de placa Arduino (5 volți sau 3,3 volți);

Pin neconectat, este rezervat pentru utilizări ulterioare;

Comunicarea cu calculatorul, cu altă placă arduino sau cu alte microcontrolere se poate realiza, fie prin portul USB (este văzut ca un port standard serial COMx), fie prin pinii 0 și 1 (RX și TX) care facilitează comunicarea serială UART TTL (5V). Folosind librăria SoftwareSerial. se pot face comunicații seriale folosind oricare din pinii digitali.

După cum se vede în Fig. 33, placa mai are o serie de pini marcați ICSP (In-Circuit Serial Programming). Acești pini pot fi folosiți pentru reprogramarea microcontrolerului, sau ca pini de expansiune cu alte microcontrolere compatibile. Sunt conectați standard și se poate folosi un cablu de 6 fire (MOSI, MISO, SCK, VCC, GND, și pinul RESET). [13]

Schema electrica a plăcii de dezvoltare Arduni Uno:

Schema electrică a plăcii de dezvoltare Arduino Uno

Microcontrolerul ATMega328P

Acesta este un microcontroller care încorporează o unitate centrală (CPU) și o memorie, devenind astfel inima plăcii de dezvoltare Arduino Uno. [14]

O parte dintre motivile folosirii acestui microcontroler sunt datorate:

Performanței înalte;

Consumului mic de energie;

Arhitecturii RISC (“Reduced instruction set computer”) avansată;

Convertorului analog-digital (6 canale);

Caracteristicile microcontrolerului ATMega328P

Semnificația pinilor:

VCC – polul pozitiv al sursei (+);

GND – masa (-);

PB 0-7 – cei 8 pini intrare/ieire ai portului B;

PC 0-5 – cei 6 pini intrare/ieșire ai portului C;

PD 0-7 – cei 8 pini intrare/ieșire ai portului D;

ADC 0-5 – pini de intrare care asigurăconversia analog digitală.

Pinii microcontrolerului ATMega328P

Intrările analogice sunt folosite pentru citirea semnalelor analogice (nondigitale) de la diferite componente externe (senzori de temperatură, senzori de lumină etc.). Un pin analogic de intrare poate măsura un curent sau un semnal cu tensiunea cuprinsă între 0 și 5 V. Intrările și ieșirile digitale permit citirea stării unui element de intrare/ieșire sau comanda elementelor care au două stari: închis adică 0 (valori LOW) sau deschis adică 1 (valori HIGH).

Pinii cu funcția PWM (Pulse – width modulation), adică modulația în durată a impulsurilor, pot fi utilizați pentru a îndeplinii o varietate foarte mare de sarcini, de la iluminarea unor simple leduri până la controlul turației/sensului motoarelor electrice.

Senzorul ultrasonic

Senzorul ultrasonic HC-SR04

Senzorul ultrasonic HC-SR04

Caracteristici tehnice:

Tensiune de alimentare: 5V;

Curent consumat: 15mA;

Distanță de funcționare: 2cm – 400cm;

Unghiu de măsurare: 15o;

Eroare de doar 3mm;

Durată semnal input: 10us;

Frecvență de funcționare: 40Hz; [15]

Schema electrică a senzorului ultrasonic HC-SR04:

Schema electrica a senzorului ultrasonic HC-SR04

Funcționarea senzorului HC-SR04 împreuna cu placa de dezvoltare Arduino

Acesta trimite un puls sonic cu o valoare de 40 KHz în 8 cicluri, de la pinul TRIG și va recepționa ecoul semnalului după ce semnalul inițial lovește un obstacol și este reflectat. Acest principiul de funcționare este explicat în următoarea figură.

Diagrama de sincronizare a senzorului HC-SR04

Măsurarea distanței se bazează pe diferența dintre momentul de timp la care s-a transmis pulsul sonic și momentul la care aceasta se detectează înapoi, având ca plecare formula din fizica:

Formula după care senzorul HC-SR04 calculează distanța:

unde avem:

D = distanța până la obiect;

Ttot = durata totală în microsecunde a semnalului;

Vμs = viteza sunetului în cm/μs;

Acest tip de senzor are prețul de achiziție scăzut, performanțe înalte și poate furniza o măsurare a distanței precisă și stabilă. Senzorul HC-SR04 este capabil să măsoare o distanță cuprinsă între 2cm și 400cm cu o precizie de 3mm. În acest modul este inclus emitorul ultrasonic, receptorul și circuitul de control.

În același timp este compatibil cu Arduino și prezintă câteva avantaje față de senzorii de distanță analogici: necesită doar pini I/O digitali și are imunitate mai mare la zgomot. Cei 4 pini sunt utilizați astfel:

VCC și GND pentru alimentare;

Un pin digital pentru unda emisă (trigger);

Un pin digital pentru unda receptionată (echo);

Toate aceste criterii fac acest senzor ultrasonic să fie alegerea ideală pentru detecția obiectelor și măsurarea distanțelor.

Modulul de comunicație Bluetooth

Tehnologia bluetooth prezintă un sistem de comunicație, fără fir, cu rază mică de acțiune, care intenționează să înlocuiască o comunicare bazată pe conectare cablată, cu fir, prin intermediul căreia se pot transmite voce și date.

Trăsăturile de bază ale sistemelor de comunicație bluetooth sunt: robustețea, consumul scăzut de energie și prețul scăzut. Multe dintre caracteristicile de bază ale specificațiilor Bluetooth sunt opționale, implementarea reperezentând diferența dintre produse.

În tabelul următor sunt prezentate tipurile de clase ale tehnologiei bluetooth in funcție de raza acestora de acțiune. [16]

Clasificarea dispozitivelor bluetooth în funcție de raza de acoperire.

Dispozitivele bluetooth comunică între ele atunci când se află în aceeași rază de acțiune. Acestea folosesc un sistem de comunicații radio astfel încât nu este nevoie să fie aliniate față în față pentru a transmite, pot fi chiar în camere diferite dacă transmisia este suficient de puternică.

Exemplu de rețea Bluetooth

Specificațiile Bluetooth permit realizarea de legături radio pe distanțe scurte (aproximativ 10m) sau pe distanțe medii (aproximativ 100m) ce ajută la transmisii vocale sau de date, cu o capacitate maximă de 720kbps pe fiecare canal.

Gama de frecvențe de operare este constituită dintr-o bandă nelicențiată industrială, științifică și medicală (ISM), respectiv 2.40 – 2.48Hz, utilizând transmisia cu spectru împrăștiat (Spread Spectrum) cu salturi de frecvență a semnalului duplex de până la 1600 canale / sec.

Puterea de ieșire RF este de 0dBm (1mW) pentru distanțe foarte mici (max. 10m) și maxim 20dBm (100mW) pentru versiunile mai puternice.

Canalele digitale de transmisie sunt alocate în funcție de tipul de utilizare, fiind definite astfel:

transmisie vocala: trei canale sincrone sau un canal asincron, independente, fiecare având 64kbps;

transmisie de date: un canal asimetric de 723.23kbps sau 433.9kbps în configurație simetrică;

Modulația folosită de către tehnologia Bluetooth este de tipul GFSK (Gaussian frequency shift keying). Aceasta este o modulație cu deplasare de frecvență, iar filtrul trece jos (FTJ) folosit pentru limitarea spectrului de frecvență, este un filtru de tip Gaussian. Parametrul modulat, în cazul de față frecvența, ia M valori diferite, unde M este numărul de niveluri ale semnalului de date în banda de bază, M = 2m, iar după limitarea benzii cu FTJ de tip gaussian frecvența va avea doar valori continue.

Produsul bandă-timp este un parametru care are rolul de a descrie calitatea formelor de undă transmise, exprimată ca și un produs dintre banda filtrului de modulație și perioada unui bit, fiind este egal cu 0,5. Indicele de modulație este între 0,28 și 0,35. Un “1” binar este reprezentat printr-o deviație (deplasare) pozitivă de frecvență, iar un “0” binar printr-o deviație negativă. Deviația minimă este 115 KHz, iar eroarea la trecerile prin zero (diferența între perioada de simbol ideală și momentul măsurat al trecerii prin zero) va fi mai mică decât ± 118 din perioada de simbol. [16]

Un alt parametru important este puterea la emisie a dispozitivelor Bluetooth, acesta fiind un criteriu pentru împărțirea echipamentelor în trei clase evidențiate în tabelul următor:

Clasificarea claselor de emisie a dispozitivelor Bluetooth.

Fiind o tehnologie ce se bazează pe utilizarea semnalelor radio, dispozitivele Bluetooth, au încorporate diferite proceduri de securitate, pentru a combate posibilile tentative de a capta/distorsiona mesajul. Procedurile de securitate se pot aplica pe datele trasmise și recepționate, dar se pot aplica și pe dispozitivul în sine, având astfel următoarele metode de securizare:

metoda de identificare a terminalului corespondent, ce are rolul de a asigura faptul că destinatarul este cel corect.

metoda de criptare a datelor, ce presupune codarea datelor la emisie și decodarea acestora la recepție.

metoda de generare a cheilor de sesiune.

Modulul bluetooth HC-06

Acesta este un dispozitiv de tip Slave care are rolul de a converti portul serial catre un port Bluetooth. În urma conectării acestuia cu un dispozitiv de tip Master (telefon, tabletă etc.) se realizează o conexiune, care prin intermediul aerului, devine mediul schimbului de informație între cele două dispozitive. [17]

Modulul Bluetooth HC-06

Caracteristici tehnice:

Protocol Bluetooth: 2.0 + standard EDR;

Tensiune de alimentare: 3.3V;

Temperatura de funcționare: de la -20 pana la 55℃;

Frecvență de funcționare: 2.4 GHz;

Siguranța conexiunii: Autentificare + Criptare;

Descrierea pinilor:

VCC – tensiunea de alimentare;

GND – masa;

TXD – interfața serială de transmitere;

RXD – interfața serială de recepționare;

Schema electrică a modulului Bluetooth HC-06:

Schema electrică a modulului Bluetooth HC-06

Motoarele în curent continuu

Motoarele electrice în curent continuu sunt dispozitive electromecanice ce transformă energia electrică în energie mecanică. Transformarea în sens invers, a energiei mecanice în energie electrică, este realizată de un generator electric.

Acestea sunt alcătuite din două componente majore:

Statorul – este partea fixă a motorului, în general exterioară, ce include carcasa, bornele de alimentare, armătura feromagnetică statorică și înfășurarea statorică.

Rotorul – este partea mobilă a motorului, plasată de obicei în interior. Este format dintr-un ax și o armătură rotorică ce susține înfășurarea rotorică.

Între stator și rotor există o porțiune de aer numită întrefier ce permite mișcarea rotorului față de stator. Grosimea întrefierului este un indicator important al performanțelor motorului. [19]

Motor de tip curent continuu

Prin conectarea acestui tip de motor electric la o placa de dezvoltare Arduino sau la orice alt microcontroler, controlarea vitezei se poate face prin simpla reglare a tensiunii semnalului de intrare. Cea mai comună modalitate de a regla acestă tensiune este utilizând semnalul PWM (din limba engleză “Pulse Width Modulation”).

Controlarea vitezei unui motor electric cu ajutorul PWM

Tehnica PWM este folosită pentru a varia în mod controlat tensiunea dată unui dispozitiv electronic. Această metodă schimbă foarte rapid tensiunea oferită dispozitivului respectiv din ON în OFF și invers (treceri rapide din HIGH (5V de exemplu) in LOW (0V). Perioada de timp corespunzătoare valorii ON dintr-un ciclu ON-OFF se numește factor de umplere (sau în engleză “duty cycle”) și reprezintă, în medie, tensiunea pe care o va primi dispozitivul electronic. Astfel, se pot controla circuite analogice din domeniul digital. Practic, asta înseamnă că în cazul unui motor acesta se va învârti mai repede sau mai încet, depinzând și de tipul motorului. [18]

Diferite tehnici PWM

Modulul de comandă de putere (acționarea motoarelor)

Principiul de funcționare al punții H

Pentru controlul sensului de rotație al motorului electric de curent continuu, este nevoie de inversarea direcție sensului curentului prin motor. Cea mai comună metodă pentru acest lucru este utilizarea unei punți H.

Circuitul punții H este alcătuit din patru elemente de tip întrerupător ( four switching elements ) și tranzistoare cu efect de câmp (tranzistoare MOSFET), în centrul acestora fiind motorul, formând astfel o figura asemănată literei „H”. Prin activarea a două întrerupătoare particulare în același timp, se poate schimba direcția curentului prin motor și astfel se schimbă sensul de rotație al acestuia.

Principiul de funcționare al punții H / schema cu tranzistoare

Prin combinarea tehnicii PWM împreună cu puntea H, obținem controlul complet asupra vitezei și sensului de rotație al motoarelor electrice în curent continuu. Modulul L298N înglobează cu succes cele două funcții de mai sus. [18]

Modulul de comandă motoare (de putere) de tip L298N

Modulul L298N este utilizat pentru controlul motoarelor de curent continuu prin intermediul plăcii de dezvoltare Arduino. Placa de dezvoltare este capabilă să scoată pe porturile acesteia o putere foarte mică, total insuficientă pentru a învârti un motor. Rezultatul conectării unui motor electric direct la un port al plăcii Arduino, va fii cel mai probabil arderea procesorului din placa Arduino. [20] Pentru a nu se intâmpla acest lucru, este nevoie de un amplificator de putere, care să ia putere din sursa de alimentare (baterie, de exemplu) și să o transmită motoarelor așa cum îi comandă Arduino. Acest amplificator poartă numele generic de "driver de motoare". Diferența majoră între mai multe drivere de motoare este nivelul puterii pe care o pot conduce (cât de puternice pot fi motoarele pe care le pot controla). Driver-ul din această secțiune este bazat pe integratul L298, fiind un driver de nivel mediu din punct de vedere al puterii conduse. Poate controla motoare care necesită între 5-35V și cel mult 2 Amperi.

Modulul de comandă motoare L298N

Caracteristici tehnice:

Tensiune motoare: 5V – 35V;

Tensiune circuite logice: 5V;

Curent maxim motoare: 2A;

Curent logic: 36mA;

Frecvență maximă PWM: 40kHz;

Dimensiuni: 43 x 43 x 27 mm;

Organizarea pinilor modulului L298N:

Pinii modulului de comandă al motoarelor L298N

Schema electrica a modulului de comandă a motoarelor L298N:

Schema electrică a modulului L298N

Mediul de dezvoltare a aplicației software

Mediul integrat de dezvoltare (IDE) al plăcii Arduino

Arduino IDE este un program de tip sursă-liberă (din engleză “open-source”) care are rolul de ușura scrierea și implementarea codului de rulare al plăcii Arduino. Cu toate că acesta este incredibil de minimalist, totuși furnizează un mediu aproape complet pentru mai toate proiectele pe baza unei plăci de dezvoltare Arduino. Descărcarea programului se face de pe site-ul oficial https://www.arduino.cc/en/Main/Software? și este disponibil pentru mai multe variante de sisteme de operare: Windows, Mac OS X și Linux. [21]

Programul Arduino IDE

În partea de sus se găsesc cinci opțiuni standard, cu următoarele roluri:

File – oferă posibilitatea de a crea un fișier nou, de a deschide un fișier mai vechi, de a salva un fișier, de a deschide panoul de preferințe al aplicației etc.

Edit – are rolul de a deschide lista cu posibilele moduri de editare al programului de scriere: copiere, mărește literele, opțiunea de căutare etc.

Sketch – are rolul de a compila/verifica sau de a încărca programul;

Tools – diferite opțiuni de programare;

Help – oferă diferite informații despre placa de dezvoltare, despre mediul de dezvoltare etc.

Imediat sub aceste cinci opțiuni, se găsesc șase butoane care au rolul de a oferi o scurtătură a anumitor funții, pe care le-am prezentat mai sus. De la stânga la dreapta:

Verifică programul pentru erori;

Încarcă programul în placa de dezvoltare;

Creează un proiect nou;

Deschide un proiect;

Salvează proiectul curent;

Monitorizare serială – Arduino trimite date către PC;

Zona de mijloc a programului reprezintă un simplu editor de text în care se poate scrie codul de programare. Următoarea zonă (cea pe fundal negru) este dedicată anumitor mesaje precum: erorile codului, memoria folosită și alte mesaje de tip informativ.

Aplicația de comunicație Bluetooth

Bluetooth este o tehnologie de comunicație, ce permite dispozitivelor precum telefoanele, calculatoarele, perifericele să facă schimbul de date pe o distanță scurtă. Scopul acestei tehnologii este de a înlocui cablurile, ce în mod normal făceau legătura între dispozitive, iar în acelasi timp sa păstreze comunicațiile securizate.

Această tehnologie folosește banda de frecveță de 2.4 GHz și realizează o rețea privată (din engleză „PAN – Personal Area Network”) ce are raza de aproximativ 10m. Fiind o tehnologie mai ușor de implementat ca WI-FI (un alt tip de tehnologie wireless) și cu un consum de energie mai scăzut, pentru macheta demonstrator am ales să folosesc această tehnologie, împreună cu un modul Bluetooth și cu o aplicație Bluetooth.

Aplicația Bluetooth are rolul de a prelua și transmite către macheta demonstrator indicațiile de mișcare ale acesteia, comandate de la distanță cu ajutorul unui Smartphone pe care rulează un sistem de operare de tip Android.

=: am scris si aici despre Bluetooth si la modulul Bluetooth (las la ambele) ????

Screenshot aplicație Bluetooth

Am ales aplicația MKRbot, deoarece este foarte ușor de folosit și nu necesită decât un Smartphone cu un sistem de operare de tip Android. Descărcarea aplicație se poate face gratuit de pe următorul site SSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSS (nu am site pentru ea).

După descărcarea și instalarea aplicației, meniul acesteia se va deschide cu o interfață simplă exact ca in Figura 46, care cuprinde cinci butoane cu următoarele funcții:

Descrierea butoanelor aplicației Bluetooth

Interfața meniului de selectare a dispozitivelor Bluetooth

Model pilot – realizare practică

Soluția de proiectare a Sistemului de evitare a coliziunii în traficul rutier este una simplă și care îndeplinește principiul de funcționare al unui sistem la scară largă, fiind compusă din următoarele componente:

O placă de dezvoltare Arduino UNO;

Un senzor ultrasonic;

Două motoare de curent continuu;

Un modul Bluetooth;

Un modul de comandă motoare;

Un șasiu pentru macheta de demonstrație;

O bilă universală de mișcare;

Rezistențe de 1K si 2K;

Aplicația Arduino IDE;

Aplicația Bluetooth împreuna cu un Smartphone de tip Android;

Macheta demonstrator este rezultatul interconectării tuturor componentelor de mai sus, care împreună cu o serie de instrucțiuni, pot evidenția procesul de frânare în cazul unei situații de urgență. Aceasta este comandată de la distanță, cu ajutorul aplicației Bluetooth de control și cu ajutorul modulului Bluetooth, ce simulează practic experiența șoferului. În momentul detectării unui obstacol de către senzorul ultrasonic, situat la o anumită distanță, cu ajutorul plăcii de dezvoltare Arduino și cu ajutorul instrucțiunilor cod, macheta demonstrator se oprește de urgență.

Figura 52 prenzintă cu succes principiul de funcționare al sistemului de evitare a coliziunii în traficul rutier sub forma unei scheme bloc.

Schema bloc a sistemul de evitare a coliziunii în traficul rutier

Interconectarea componentelor hardware și configurarea aplicațiilor de tip software sunt explicate pas cu pas în ordine cronologică:

Construirea machetei demonstrator.

Realizarea șasiului machetei;

Asamblarea componentelor pe șasiul machetei și interfața de alimentare;

Conectarea dispozitivelor periferice la placa Arduino;

Programarea plăcii de dezvoltare Arduino UNO.

Instalarea și utilizarea aplicației Bluetooth.

Utilizarea machetei demonstrator și interpretarea datelor.

=: de facut poza finala cu macheta

Realizarea practică – construirea machetei demonstrator

Realizarea șasiului machetei

Șasiul machetei este constituit, în cazul meu, dintr-o bucată de lemn având următoarele dimensiuni 20x20x0.4cm. Faptul că este ușor de găurit și că nu cântărește mult, au reprezentat motivele alegerii acestui tip de material. Pentru a avea un aspect mai plăcut s-a ales o culoare neagră aplicată cu ajutorul unui spray cu vopsea.

În figura 53 este prezentată calea de rulare a machetei demonstrator.

Calea de rulare a machetei demonstrator

Asamblarea componentelor pe șasiul machetei și interfața de alimentare

Pentru aceast pas este necesară realizarea unor măsurători pentru a se încadra cât mai simetric toate componentele pe suprafața șasiului. După pozitionarea ipotetică a acestora pe partea superioră a șasiului, se marchează locul, iar apoi se găurește șasiul pentru realizarea prinderilor componentelor de acesta.

Pe partea anterioară a șasiului se vor amplasa motoarele în curent continuu după același model descris mai sus.

Interfața de alimentare este compusă din două baterii de 9V care au rolul de a alimenta întreaga machetă. Amplasarea acestora se face în locurile libere de pe șasiu, dar cu mențiunea ca acestea să fie usor accesibile. Prinderea de șasiu se face cu ajutorul unui lipici, eu am ales prenadezul.

Conectarea dispozitivelor la placa de dezvoltare Arduino

Interconectarea dispozitivelor se realizează conform figurii 54 prin intermediul firelor de legătură și cu ajutorul unui mini-breadbord.

Schema de interconectare a dispozitivelor utilizând o placă de test

Modul comandă motoare L298n:

+12V → baterie 9V (+)

GND → baterie 9V (- ) și către pinul GND al Arduino

In1 → arduino digital pin 6

In2 → arduino digital pin 7

In3 → arduino digital pin 5

In4 → arduino digital pin 4

OUT1 → Fir galben al motorului 1

OUT2 → Fir alb-galben al motorului 1

OUT3 → Fir alb-albastru al motorului 2

OUT4 → Fir albastru al motorului 2

Senzorul Ultrasonic HC-SR04:

VCC → +5V

Trig → pinul analog 1 (A1) al Arduino

Echo → pinul analog 2 (A2) al Arduino

GND → GND de pe breadboard

Modulul Bluetooth HC-06:

VCC → +5V

GND → GND de pe breadboard

TXD → pinul digital 0 (RX) al Arduino

RXD → pinul digital 1 (TX) [după ce se trece prin rezistența de 1K și 2K]

Programul software pentru placa de dezvoltare

Schema de funcționare a sistemului de evitare a coliziunii în traficul rutier

În urma conectării machetei demonstrator cu smartphone-ul de tip Android prin intermediul aplicației Bluetooth, se realizează transferul de date ce conține posibilele comenzi. Astfel prin trimiterea unei set de comenzi la macheta demonstrator, aceasta realizează comenzile până la detecția unui obstacol cu ajutorul senzorului ultrasonic. În urma detecției unui obstacol, distanța dintre macheta demonstrator și acesta este calculată. Dacă rezultatul calculului este mai mic decât 20cm, în primă fază macheta demonstrator va reduce turația motoarelor cu 50% realizând astfel o fază de avertizare similară fazei FCW din sistemul AEBS.

În faza a 2-a macheta demonstrator calculează în continuare distanța rămasă până la obstacol, astfel încat la atingerea pragului de 10cm, macheta demonstrator se oprește definitiv.

Instalarea și utilizarea aplicației Bluetooth

Controlul machetei demonstrator se realizează de la distanță prin intermediul unui telefon cu un sistem de operare de tip Android, care lucrează împreună cu aplicația bluetooth MKRbot.

După descărcarea și instalarea acestei aplicații, este necesară urmărirea următorilor pași, pentru a se realiza conexiunea cu modulul bluetooth al machetei demonstrator.

N.B.: la momentul realizării acestei lucrări de licență, aplicația MKRbot nu era aprobată de către platforma GooglePlay, determinând astfel ca unele telefoane să nu permită instalarea aplicației. Pentru a preveni acest lucru se recomandă realizarea următoarelor setări ale telefonului: Settings => Security => Enable unknown sources.

Pașii sunt prezentați în ordinea cronologică, exact din momentul completării procesului de instalare a aplicației bluetooth MKRbot.

Pasul 1: Activarea tehnologiei Bluetooth a smartphone-ului cu sistem de operare Android.

Pasul 2: Deschiderea aplicației MKRbot.

Pasul 3: Aplicația se va deschide cu mesajul „Disconnected” iar LED-ul roșu al modulului Bluetooth de pe macheta demonstrator va clipi.

Pasul 4: Se apasă pe butonul Bluetooth al aplicației.

Pasul 5: Se va deschide un meniu cu toate dispozitivele disponibile conectării bluetooth.

Pasul 6: Se alege numele ce conține la final HC-06 (acesta fiind numele modulului bluetooth folosit de către macheta demonstrator).

Modulul HC-06 în lista dispozitivelor disponibile a aplicației MKRbot

Pasul 7: Acum aplicația este conectată bluetooth cu modulul machetei demonstrator, iar LED-ul roșu trebuie să fie aprins în mod constant.

Din acest moment, se poate realiza orice comandă către macheta demonstrator.

Utilizarea machetei demonstrator și interpretarea rezultatelor

=: mai multe scenarii precum:

Diferite tinte

Diferite distante

Calculul fiabilistic și economic al echipamentului

Calculul fiabilistic al echipamentului de evitare a coliziunii în traficul rutier

În condiții reale de utilizare, componentele ce fac parte din structura echipamentelor, sunt supuse unui ansamblu de solicitări exterioare sau interioare. Pentru componentele electrice și electronice, există trei tipuri principale de solicitări:

electrice;

termice;

mecanice (șocuri, vibrații etc.);

În cazul general, pentru orice componentă se poate calcula experimental următoarea relație, numită ecuația fundamentală de deteriorare:

unde avem:

r = rezistența fiabilistă instantanee a componentei;

r0 = rezistența sa inițială;

km = o constantă ce depinde de concentrația materialelor în ambianță și de naturala lor;

t = parametru timp;

e = baza logaritmilor naturali;

f(w) = o funcție ce depinde de energiile care intră în procesul de reacție dintre substanțele componentei și ale ambianței;

Dacă factorii din mediul ambiant în care echipamentul funcționează, nu se modifică (ambianță constantă), avem următoarea formulă:

ecuația anterioară se poate pune sub forma:

de unde rezultă:

De aici putem trage concluzia că rezistența descrește exponențial în timp. Dacă, în aceleași condiții, solicitarea aplicată (s) este egală cu rezistența componentei, are loc defectarea. Prin urmare, dacă r = s, atunci t = Td, iar relația de mai sus se poate scrie:

Se poate observa faptul că pentru s = rezultă Td = 0. Altfel spus, dacă unui element i se aplică o solicitare egală (sau chiar mai mare) față de rezistența sa initială, defectarea se produce în momentul inițial; durata de viață în acest caz este nulă. Deoarece k > 0 (chiar și în condiții de depozitare, rezultă Td < ∞ ) pot fi realizate, dacă este necesar, componente cu durată de viață foarte mare, dar nu infinită.

Determinarea timpului de bună funcționare

Determinarea timpului de bună funcționare

i = 10-6 h-1

MTBF = = 11,8 ani

Calculul economic al echipamentului de evitare a coliziunii în traficul rutier

Costul de producție cuprinde costul de achiziție al materiilor prime și materialelor consumate, celelalte cheltuieli directe de producție, precum și cota cheltuielilor indirecte de producție determinate rațional ca fiind legate de fabricația produsului final.

Valoarea materiilor prime și materialelor pe o singură unitate ce intră la calculul costului de producție se obține calculând valoarea totală a materialelor din următorul tabelul:

Calculul componentelor

Concluzii

În concluzie sistemul AEBS are rolul de a evita pe cât de mult posibil producerea unui accident rutier și de a reduce daunele într-un caz nefavorabil, prin frânarea de urgență a autovehiculului.

Cu ajutorul tehnologiei actuale sistemului de evitare a coliziunii, este capabil de a face o analiză extrem de rapidă asupra obstacolelor detectate, rezultând astfel într-o putere de procesare foarte mare, ce are ce scop reducere din ce în ce mai mult a timpului de reacție a sistemului. Ba mai mult, prin integrarea mai multor camere video, se poate reduce falsa detecție, principalul dezavantaj al sistemului AEBS.

Studiile efectuate în urma accidentelor produse, estimează faptul că aproximativ 39% dintre acestea putea fi evitate dacă autovehiculele în cauză, erau dotate cu sisteme de evitare a coliziunii. Implementarea acestui sistem în grila de dotări standard a noilor vehicule, ar putea conduce la rezultate avantajoase în lupta cu accidentele rutiere, reducând astfel o mare parte din pagubele materiale, dar în mod special pagubele de natură umană.

În plus, sistemul AEBS reprezintă unul dintre factorii cheie pe care se bazează tehnologia viitoarelor autovehicule autonome, contribuind astfel la perfecționarea vehiculelor de acest tip.

Dicționar explicativ de termeni și abrevieri

OMS – Organizația Mondiala a Sănătății

UE – Uniunea Europeana

ETSC – European Transport Safety Council

ADAS – Advanced Driver Assistance System

AEBS – Automatic Emergency Braking System

FCW – Forward Collision Warning

ACC – Adaptive Cruise Control

CAN – Controller Area Newtwork

Radarul – Radio Detecting and Ranging

LIDAR – Light Detection and Raging

GPS – Global Positioning System

IMU – Inertial Measurements Unit

V2I – Vehicle-to-Infrastructure

DSRC – Dedicated Short Range Communications

WAVE – Wireless Access Vehicular Environment

CALM – Continuous Air Interface Long and Medium range communications

ITS – Intelligent Transport System

ISO – International Standards Organization

IIHS – Insurance Institute for Highway Safety

FDTI – Future Technology Devices International

ICSP – In Circuit Serial Programming

GND – Ground

TTL – Transistor Transistor Logic

SCL – Serial Clock

TWI – Two wire interface

RISC – Reduced instruction set computer

PWM – Pulse Width Modulation

GFSK – Gaussian Frequency Shift Keying

FTJ – Filtru Trece Jos

PAN – Personal Area Network

USB – Universal Serial Bus

LED – Light Emitting Diode

UART – Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

Bibliografie

http://europa.eu/rapid/press-release_MEMO-17-675_en.htm

https://www.politiaromana.ro/files/news_files/REZUMAT_2018_MPSO_COMBINAT.pdf

https://circabc.europa.eu/sd/a/3ab87fdc-5715-4733-af50-c3608034ca56/report_aebs_en.pdf

http://www.radartutorial.eu/

https://www.ijarcce.com/upload/2014/june/IJARCCE2E%20a%20siddharth%20Techniques%20to%20Estimate.pdf

https://sites.tufts.edu/jquinn/2017/10/03/lidar/

https://www.senzori-ultrasonici.ro/moduri-de-functionare

https://en.wikipedia.org/wiki/Ultrasonic_transducer

https://en.wikipedia.org/wiki/Collision_avoidance_system#Automobile_manufacturers

https://www.mobileye.com/wp-content/uploads/2013/09/adac_AEbs_report_en.pdf

https://www.tesla.com/autopilot

https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01072046/document

https://store.arduino.cc/usa/arduino-uno-rev3

http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Atmel-42735-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega328-328P_Datasheet.pdf

https://www.optimusdigital.ro/ro/senzori-senzori-ultrasonici/9-senzor-ultrasonic-hc-sr04-.html?search_query=HC-SR04&results=12

https://en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth

https://www.olimex.com/Products/Components/RF/BLUETOOTH-SERIAL-HC-06/resources/hc06.pdf

L298N Motor Driver – Arduino Interface, How It Works, Codes, Schematics

Bose, Bimal K., Power Electronics and Motor Drives : Advances and Trends. Academic Press, 2006.

https://www.robofun.ro/shield-motoare-l298-v2

https://www.arduino.cc/en/Guide/Environment

https://orfe.princeton.edu/~alaink/SmartDrivingCars/Papers/IIHS-CicchinoEffectivenessOfCWS-Jan2016.pdf

Anexa 2

Anexele vor conține elemente precum:

porțiuni de cod;

tabele de date;

pagini de catalog;

alte elemente specifice la care s-a făcut referire în lucrare.