Mecatronica Habitaclului Automobilului

1 Introducere in sistemele automotive

1.1 Evoluție vehicule

Odată cu prima reușită a oamenilor de a crea un automobil care funcționa cu un motor cu aburi și care putea transporta persoane la bord in 1769 începe istoria automobilului. Primele vehicule care foloseau acționarea prin forța aburilor au apărut in timpul revoluției industriale in Europa deoarece mașinile începeau sa joace un rol important. In anul 1770 francezul Nicolas-Joseph Cugnot realizează un prototip de automobil da se dovedește a fi ineficient. Acest proiect este preluat mai târziu de armata dar este din nou un eșec deoarece viteza cu care se deplasa era prea mica(undeva in jur de 4km/h) si o autonomie de maxim 15 minute.

Figura 1.1: Vehicul construit de Nicolas-Joseph Cugnot in 1771

Au existat si alte încercări de a realiza un vehicul asemănător dar si acestea fiind fără succes. Un prototip îmbunătățit a fost realizat de rusul Ivan Kulibin , acesta era dotat cu volan, cutie de viteze, frâna dar din nefericire acesta nu a fost susținut de guvernul țarist.

Primul autovehicul care a fost patentat in Statele Unite ale Americii a fost vehiculul realizat in 1871 de J.W.Carhart si care folosea acționarea prin forța aburilor.

Pe lângă acționarea prin forța aburilor inginerii din vremea respectiva au încercat sa dezvolte alte forme de propulsie și astfel in 1806 încep sa apară automobilele dotate cu motoare cu ardere interna care funcționau folosind combustibil lichid.

Primele încercări de crearea un motor cu ardere interna au fost sortite eșecului deoarece nu apăruseră combustibilii fluizi care erau necesari pentru funcționarea acestora.

Prima reușită notabila este a lui François Isaac de Rivaz al cărui motor cu ardere interna utiliza ca combustibil un amestec de hidrogen si aprindere prin scânteie electrica. O alta reușită notabila este cea a lui Nikolaus Otto care realizează motorul ce va fi mai târziu cunoscut ca motorul Otto.

Tot in căutarea de metode de propulsie alternative mai târziu in jurul anului 1900 încep sa apară si primele autovehicule care funcționau cu motor electric. Un exemplu este cel al lui Camille Jenatzy al cărui vehicul reușește sa depășească 100km/h.

Având in vedere modul in care inventarea automobilului a revoluționat transportul de persoane acesta s-a impus ca principal mijloc de transport in tarile dezvoltate economic. Ca urmare a acestui fapt industria constructoare de mașini creste foarte mult. Creșterea devenind exponențială după cel de-al Doilea Război Mondial astfel încât de la 500.000 de mașini pe plan mondial la începutul secolului XX s-a ajuns la 70.000.000 de automobile produse anual in 2007.

De-a lungul timpului evoluția automobilelor nu s-a axat doar pe motor ci și pe caroserie astfel in anul 1885 Gottlieb Daimler realizează un prototip de motor ce folosea ca combustibil benzina si un an mai târziu împreună cu Wilhelm Maybach realizează un prototip de mașină care avea o caroserie ce nu mai semăna cu vehiculele trase de cai si care folosea un astfel de motor.

Figura 1.2:Vehiculul Panhard & Levastor,1899 Figura 1.3:Modelul T de la Ford ,1909

In Germania in anul 1888 apare prima producție in serie de automobile aceasta fiind inițiată de Karl Benz a cărui licență va fi preluata de către Emille Roger.

In anul 1900 in SUA si Franța este introdusa producția in serie de automobile iar compania care se va ocupa de acest domeniu este Panhard et Levastor. Mai târziu in Franța apare compania Peugeot iar in SUA se pun bazele companiei Duryea Motor Wagon Company care devine prima companie producătoare de mașini din America de Nord.

In perioada antebelica industria constructoare de mașini cunoaște o dezvoltare foarte mare mai ales in tarile dezvoltate economic deoarece puterea de cumpărare este mai mare.

Firme americane precum General Motors și Ford cunosc o dezvoltare rapida si fără precedent iar începând cu anul 1908 când Ford lansează automobilul Ford Model T istoria automobilelor este revoluționată atât prin schimbările de design cat si prin producția in serie mare deoarece aceasta mașină era ieftina, ușor de întreținut si de asemenea era multifuncțională putând fi considerata o mașină pentru toata lumea deoarece putea fi achiziționată chiar si de persoanele cu un venit modest.

In timpul Primului Război Mondial automobilul este folosit intens la transportul de trupe, muniție, etc.

După Primul Război Mondial mașinile cunosc o evoluție exploziva, in aceasta perioada devenind predominante mașinile cu motor in fata. De asemenea sunt aduse anumite inovații si îmbunătățiri, ca de exemplu sistemul hidraulic de frânare care a fost inventat in anul 1919 de Malcolm Loughead. Tot in aceasta perioada sunt introduse cutiile de viteza automate si tracțiunea pe fata.

In aceasta perioada apar noi firme constructoare de mașini :

Chrysler- înființată in 1925

Pontiac-înființată in 1926

LaSalle -înființată in 1927

Plymouth-înființată in 1928

In anul 1922 pe piața britanica apare modelul Austin 7 produs de compania Austin Motor Company care are un efect asemănător cu cel al Modelului T de la Ford si al cărui design este preluat de companii celebre din Europa.

Figura 1.4: Modelul Austin 7

Aceasta perioada de dezvoltare a industrie constructoare de automobile este lovita de marea criza economica din anul 1929 când are loc o cădere libera a producției si vânzărilor de automobile.

In perioada celui de-al Doilea Război Mondial industria constructoare de mașini stagnează si se concentrează spre crearea unor vehicule care sa se deplaseze in orice mediu astfel luând naștere primele modele de vehicule off-road care sunt construite de compania Chrysler si care sunt testate cu succes in anul 1941.

Tot in aceasta perioada apar motoarele gazogene a căror funcționare se baza pe explozia monoxidului de carbon in combinație cu oxigenul si care înlocuiesc un timp motoarele care funcționau pe benzina. In perioada ocupației naziste in Franța sunt realizate in jur de 130.000 care foloseau acest sistem.

După război industria constructoare de mașini cunoaște din nou o dezvoltare rapida însă de aceasta data sunt aduse mult mai multe inovații si îmbunătățiri .

In anul 1946 compania germană Volkswagen scoate pe piață 10.000 de mașini din seria Beetle care se va bucura popularitate in toata lumea.

După aceasta perioada apare moda automobilelor cu motoare cu capacitate mare care puteau sa atingă viteze foarte mari , design-ul caroseriilor era proiectat ca sa fie cat mai armonios si acestea încep să se răspândească in întreaga lume cu o viteza fără precedent.

După un timp apar si mașinile mici ca Mini sau Fiat 500 care se răspândesc in toata Europa.

O îmbunătățire notabila din aceasta perioada este realizarea primului automobil ce funcționa cu un motor cu benzina cu injecție mecanică care a fost lansat de Mercedes-Benz in 1954 acesta numindu-se Mercedes-Benz 300SL.

In cadrul acestei tendințe apar mașini din ce in ce mai rapide si astfel in anul 1971 compania Maserati lansează modelul Bora care atingea o viteza de 285km/h si era cea mai rapida mașina din acea perioada.

După aceasta perioada automobilele au evoluat foarte mult fiind aduse îmbunătățiri si inovații care au crescut performanta automobilului, durata de viată a acestuia cat si siguranța utilizatorului.

Combustibilul ne fiind o problema la începutul anilor 70 constructori de automobile se axează pe alt tip de performante aducând îmbunătățiri atât in structura mașinii cat in accesoriile acesteia, punându-se de asemenea un accent destul de mare si pe siguranța utilizatorului .

Unele dintre îmbunătățiri ar fi următoarele:

Dotarea automobilelor cu computer de bord :montat prima data pe Cadillac Seville in anul 1978

Dotarea automobilelor cu eleron electric: montat prima data pe Lancia Thema 8.32 in anul 1986

Dotarea automobilelor cu ABS(Antiblockiersystem): apărut prima data in inul 1930 da a fost montat pe automobilele de seria prima data in anul 1978

Dotarea automobilelor cu sistem de control al tracțiunii: montat prima data pe Mercedes-Benz S-Class in anul 1987

Dotarea automobilelor cu ESP(Electronic Stability Control): montat prima data pe BMW 750 in anul 1991

Dotarea automobilelor cu faruri cu xenon: montat prima data pe BMW 750 in anul 1991

Sistemele de siguranță au fost îmbunătățite din ce in ce mai mult ajungând in zilele noaste sa fie lansate mașini care au zeci de sisteme de siguranță:

Airbag

Centura de siguranță

Tetierele

Barele longitudinale din portierele mașinii

Coloana de direcție a mașinii

Tampoanele barelor de protecție

Blocarea portierelor spate

Sistemul ISOFIX- sistem ce permite prinderea corespunzătoare a unui scaun dedicat copiilor mici

Comenzi pe volan

Head-up Display

Oglinda retrovizoare

Oglinzile laterale

ABS

ESP

Sistem de avertizare daca treci de pe o banda pe alta

Sistem de evitare a coluziunii frontale cu radar

Sistem electronic de unghi mort

Sistem de frânare automata

In ultimele doua decenii a apărut o noua tendința de a scoate pe piață mașini cu un consum de combustibil cat mai mic astfel s-a ajuns la mașini dotate cu motoare de 800 .

Un exemplu foarte bun de astfel de mașini este automobilul lansat de compania Volkswagen in anul 2013 Volkswagen XL1 care are un consum de mai puțin de 1l/100km. Aceasta putând sa parcurgă 420km cu numai 3,8 litri.

Considerând nivelul de dezvoltare la care a ajuns industria constructoare de mașini au apărut legi care ii obliga pe constructori de automobile sa doteze mașinile scoase pe piață cu sisteme de siguranță si cu sisteme de filtrare a emișilor de gaze.

Ultimul sistem de filtrare este Euro 6 care face ca mașinile pe care este montat sa scoată cu 45% mai puține noxe.

Evoluția pe care a suferit-o industria constructoare de mașini a dus constructorii in punctul in care se bazează mai mult pe interfațarea cu utilizatori decât pe performantele automobilului deoarece acestea sunt destul de bune.

1.2 Evoluție ergonomie si habitaclu interior sisteme auto

Ergonomia este disciplina științifica care studiază interacțiunea dintre oamenii si alte elemente ele unui sistem, precum si profesia care aplica teorii, principii, informații si metode de design pentru optimizarea activității omului si performantele sistemului din care face acesta parte.

Ergonomia bordului, a locului rezervat șoferului , spațiul dedicat fiecărui pasager si fiecărui accesoriu reprezintă un criteriu important pentru un client deoarece acestea trebuie sa îl convingă ca automobilul respectiv este a doua casa pentru el si ca se poate deplasa in deplina siguranță si cu un maxim de confort acolo unde dorește.

Interfațarea dinte automobil si utilizator a fost in continua dezvoltare încă din momentul in care a apărut primul automobil deoarece o un confort asigurat șoferului si o interfațare cat mai buna cu automobilul duce la o concentrare cat mai mare in trafic deci creste siguranța si randamentul muncii sale.

Începând cu habitaclul interior, acesta trebuie sa fie cat mai mare pentru ca indiferent de înălțimea sau greutatea șoferului/pasagerului acesta sa nu stea înghesuit sau sa dea cu capul de plafon .

Figura 1.5 Figura 1.6

Habitaclul interior al unui automobil Mercedes-Benz

Un alt element ce oferă utilizatorului un confort cat mai mare sunt suspensiile mașinii care trebuie sa fie de buna calitate pentru ca mașina sa fie echilibrata la drum si sa amortizeze șocurile. In momentul de fata exista sisteme de suspensii controlate electronic ce permit reglarea durității amortizoarelor in funcție de preferințele utilizatorului sau in funcție de stilul de mers sau chiar de baza datelor primite de la senzorii montați pe mașină .

Figura 1.7:Suspensie adaptiva

Pe lângă suspensii automobilul trebuie sa aibă si o forma cat mai aerodinamica pentru a nu produce zgomote in timpul deplasări si pentru a scoate un consum cat mai bun .

Figura 1.8

Deoarece mașina este folosita in principal pentru deplasare pe distante relativ mari un alt element important este scaunul. Acesta trebuie a fie cat mai confortabil si sa asigure utilizatorilor o poziție cat mai lejera si odinitoare. In zilele noastre majoritatea scaunelor sunt prevăzute cu sisteme de reglare a înălțimii , a distantei fata de volan si a inclinări spătarului. In automobilele de lux sunt instalate pe scaune si sisteme de încălzire sau de ventilație pentru a oferi utilizatorului condiții cat mai bune indiferent de temperatura.

Volanul este si el un element important in ergonomia automobilului si bineînțeles si acesta a fost îmbunătățit :

Butoane pe volan(control computer de bord, control sistem audio al mașinii, control sistem de navigație, hands free, etc)- aceasta modificare a structurii volanului a fost făcută pentru a păstra cat mai mult posibil atenția șoferului la trafic deoarece acesta poate modificare setările anumitor sisteme fără a-si lua ochii de la trafic.

Modificarea poziției volanului- unele automobile oferă utilizatorului posibilitate de a regla poziția volanului pentru a avea o poziție cat mai confortabila in timpul mersului.

Volan încălzit- este o îmbunătățire care de asemenea oferă șoferului un plus de confort.

Figura 1.9: Figura 1.10:

Exemplificarea evolutei structurii volanului .

Un alt element din habitaclul mașinii este oglinda retrovizoare ca ajuta foarte mult șoferul in deplasarea sa cu automobilul. Sisteme inovative au fost puse si pe aceasta ca de exemplu:

Sistem anti orbire- este un sistem electrocromatic aplicat pe oglinda retrovizoare si scade cantitatea de lumina reflectata către șofer

Înlocuirea oglinzii cu un display pe care sunt afișate imagini preluate de o camera video montata in spatele autoturismului.

Sistemul de climatizare al automobilului a fost inițial montat pe automobile ca o necesitate deoarece acesta era conceput pentru sezonul rece dar intre timp s-a constatat ca acesta reprezintă un factor de confort pentru toate persoanele aflate in automobil, acest lucru a rezultat in urma studiilor efectuate pentru determinarea oboselii si a stresului exercitate asupra șoferului in timpul deplasării. Sistemele de climatizare au evoluat foarte mult alungându-se la sisteme de climatizare ce permit controlul separat al temperaturii pentru partea stângă si partea dreapta din interiorul automobilului.

De asemenea un rol important in habitaclu al au echipamentele electronice care au fost la început diverse dispozitive ce erau poziționate pe bordul mașinii si mai târziu au fost integrate in structura bordului.

Aceasta integrare a echipamentelor electronice in structura bordului are avantaje ca:

Un ecran cat mai mare

Control mai bun si posibilitatea de a pune cat de multe opțiuni deoarece nu exista limita de spațiu așa cum exista la mijloacele analogice unde nu puteau fi amplasate prea multe butoane pe bord

Fiind integrate nu trebuie decuplat de fiecare data când utilizatorul părăsește mașina

Nu obturează vizibilitatea

O alt sistem implementat in ultimul timp este sistemul de comanda vocala care este un sistem electronic al cărui rol este acela de a prelua comenzile șoferului si a le transfera către sistemul electronic integrat pe mașină sau pentru interfațarea cu telefonul mobil daca acesta est conectat prin Bluetooth.

Doua alte sisteme relativ noi care sunt implementate pe mașinile de lux sunt :

Sistemul night-vision: este un sistem bazat pe o camera speciala care poate detecta pietonii sau diferite obstacole pe întuneric la o distanta considerabil mai mare decât cea iluminata de faruri si implicit vizibila cu ochiul liber. Imaginile preluate de camera sunt afișate pe bordul mașinii.

Sistemul HUD (Head-up display): este un sistem care

Au mai fost implementate si alte sisteme pentru a îmbunătății confortul utilizatorului si pentru a facilita utilizarea mașinii de către acesta in condiții oprime, unele dintre acestea fiind:

Posibilitatea de a conecta telefonul prin Bluetooth la sistemul mașinii

Trapa electrica

Pedalier reglabil electric

Suport lombar ajustabil

Plafon panoramic

Frâna de mana electrica

Portbagaj cu acționare electrica

Oglinzi rabatabile electric

Bancheta rabatabila fracționat

Cotieră fata spate

Torpedo cu funcție de refrigerare

Camera video pentru marșarier

1.3 Tendințe viitoare

Data fiind evoluția continua a industriei automotive mereu exista anumite tendințe de viitor si anumite domenii pe care constructori de mașini se axează. Prioritar pentru aceștia este in momentul de fata descoperirea de noi metode de a scădea consumul si noxele pe care le elimina autoturismele, de asemenea un accent mare se pune si pe siguranța utilizatorului .

Este de așteptat ca in viitor sa vedem foarte multe îmbunătățiri in partea de consum de combustibil si sa apară cat mai multe motoare diesel sau benzina cu un consum cat mai mic cat si multe modele hibride care sa fie ultra eficiente si care sa înceapă ușor ușor sa devina populare pe piață.

Se estimează o ecologizare rapida a flotei de automobile a lumii pana in 2020 când o treime din scăderea cantității de noxe emise in atmosfera va venii de la motoarele diesel sau benzina si doar 14% de la automobilele cu motor electric.

Data fiind importanta pe care o acordă constructorii de mașini siguranței utilizatorului ne așteptăm ca pe viitor sa para cat mai multe sisteme de siguranță si asistenta in conducere care sa facă condusul cat mai sigur si cat mai confortabil .

Tot in acest scop vor apărea sisteme pe automobile care se vor conecta la mediul înconjurător si chiar la celelalte mașini participante la trafic realizându-se astfel o rețea in care fiecare automobil sa își cunoască poziția fata de mediul exterior ducând astfel către crearea de automobile inteligente si autonome care nu vor avea nevoie de intervenția umana pentru a ajunge la destinație .

Un astfel de concept este dezvoltat de Google care au creat o mașină care conduce singura si care tine cont de limitele de viteza, de semnele de circulație, de obstacolele fixe si chiar se descurca bine in situații neprevăzute ca de exemplu un pieton care apare in fata mașinii, practic au construit o mașină un care te urci si ii spui destinația . Totuși fiind in stadiul de concept au păstrat structura bordului ca oricând dorește șoferul sa poată prelua controlul deplin asupra automobilului.

De asemenea se dezvolta sisteme care conectează si chiar integrează aplicațiile de pe telefon in sistemul electronic al mașinii si le afișează in consola așa cum apar pe telefon si astfel utilizatorul le va putea accesa mai ușor crescând si confortul si siguranța la volan. Un astfel de sistem numit mySpin a fost dezvoltat de către Bosch.

2 Mecatronica habitaclului automobilului

2.1 Sisteme mecatronice. Semnificație

Mecatronica este un domeniu al ingineriei care este format combinând următoarele parți ale ingineriei:

Inginerie Mecanică

Inginerie Electrică

Ingineria Telecomunicațiilor

Ingineria de Control

Ingineria Calculatoarelor

Mecatronica este un domeniu multidisciplinar în care ideea de separare a ingineriei în domenii separate este refuzată, în care un proces complet este considerat un proces care conține parți din fiecare domeniu al ingineriei.

Mecatronica a luat naștere prin combinarea a doua domenii, inginerie mecanica si electronică(Mecanică electronică), dar odată cu creșterea în complexitate a sistemelor mai multe domenii au fost introduse sub același nume. Cuvântul mecatronică a fost creat de Tetsuro Mori, un inginer de la Yaskawa Electric si a fost înregistrat in anul 1971 de către firma japoneză. Mai târziu firma a eliberat drepturile de a folosi cuvântul și acum poate fi tradus în orice limba, fiind o parte foarte importantă a industriei.

Mulți tratează mecatronica ca pe un sinonim al ingineriei electromecanice, dar sunt la fel de mulți care fac o distincție foarte clară între cele doua domenii si anume, un sistem electromecanic conține părți electromecanice dar sistemul nu este controlat de un calculator, pe când sistemele mecatronice sunt sisteme care conțin componente electromecanice care sunt controlate de un calculator.

Un inginer mecatronist pune împreună principiile mecanicii, electronicii si a științei calculatoarelor pentru al crea un sistem mai economic si mai fiabil. Cel mai simplu exemplu de sistem mecatronic ar fi robotul industrial, conține părți de mecanică, electronică si control prin calculator și punând toate acestea împreună duce la capăt tot ce are de făcut.

Un robot industrial poate fi numit un manipulator automat programabil, versatil pe trei sau mai multe axe. Acesta poate face operații în medii toxice în care omul nu poate lucra și totodată sa realizeze operații repetitive, care implică aceleași mișcări, si realizarea aceluiași lucru toată ziua, proces care pentru un om ar putea pune probleme, dar asemenea roboți industriali nu pun probleme în realizarea acestor munci.

Parametrii care definesc acești roboți si parametrii după care sunt aleși pentru anumite munci, sunt:

Numărul de axe – sunt necesare doua axe de mișcare pentru a atinge orice punct într-un plan, se mai adaugă o axă pentru a atinge orice punct in spațiu si încă trei axe pentru a controla orientarea brațului.

Grade de liberate – de regulă același cu numărul de axe

Anvelopa de lucru – regiunea în care robotul poate atinge toate punctele

Cinematică – aranjarea brațelor si articulațiilor robotului

Sarcina – cată greutate poate ridica

Viteza – cât de repede poate robotul sa iți plaseze terminalul într-o poziție anume

Accelerația – cât de repede poate accelera o axă

Acuratețea – cât de îndeaproape poate executa un robot o comandă primită

Repetabilitatea – Cât de bine poate atinge o a doua oară o poziție programata

Inginerii mecatroniști unesc toate domeniile ca o bază de cunoștințe a lor în ideea de a înțelege tot procesul în timpul realizării unui sistem pentru a putea conduce o echipa de specialiști in toate domeniile pe care le implica sistemul respectiv.

Mecatronica a fost populară in Japonia si mare parte din Europa, dar a fost acceptată foarte greu de Marea Britanie si Statele Unite ale Americii. Aceștia considerau că partea mecanică a unui sistem trebuie realizată de inginerii mecanici, iar partea de control de inginerii de la știința calculatoarelor. Această metodă s-a dovedit ineficientă din toate punctele de vedere și rolul mecatronicii a fost înțeles in cele din urma.

Dezvoltarea mecatronicii a trecut prin trei stagii. Primul stagiu a fost atunci când cuvântul Mecatronică a apărut. În acest stagiu, tehnologiile folosite în sistemele mecatronice s-au dezvoltat destul de independent si individual. La începutul anilor `80, mai multe domenii de natura mecatronicii au început să se formeze, un exemplu notabil fiind optoelectronica. Tot în această perioadă a apărut si conceptul de co-design hardware/software. Al treilea și ultimul stagiu a demarat la începutul anilor `90, perioada considerată și începutul erei mecatronicii. Cel mai notabil aspect al acestei perioade ar fi creșterea implicării inteligenței de calcul în sistemele mecatronice. O altă mare realizare a acestui stagiu ar fi posibilitatea miniaturizării componentelor de aici dezvoltându-se micro mecatronica( micro senzori, micro actuatoare)

Un sistem mecatronic este format din două componente principale:

Sistemul de control – este un proces mecanic care este in contact cu mediul înconjurător prin intermediul senzorilor si traductorilor.

Sistemul controlat- este si el la rândul lui format din 3 subsisteme:

Subsistemul de reprezentare a cunoștințelor

Percepție

Planificare și control

Inteligența de calcul este de obicei încorporată în subsistemul de planificare si control. Deci, pe baza informațiilor primite de la senzori, inteligența de calcul, creează un plan și o serie de acțiuni care o sa permită sistemului sa îndeplinească o sarcină dată. Microprocesoare, rețele neuronale artificiale, logica fuzzy, probabilități sunt printre uneltele folosite în acest subsistem pentru procesarea informației si luarea deciziilor.

Structura unei mașini mecatronice tradiționale include următoarele componente de bază:

Dispozitivele mecanice

Bloc cu drivere cu convertoare de putere si motoare de execuție

Calculator de control

Operator uman/Calculator cu acces la rețea

Senzorii sunt folosiți pentru a trimite informații despre starea reală a blocurilor din sistem si despre mișcările pe care le realizează sistemul. Astfel, aceste trei parți obligatorii( mecanic, electronic si calculator) conectate cu alimentare si fluxurile de informație reprezintă o caracteristică primară care deosebește sistemele mecatronice.

Hard drive-ul unui calculator este cel mai bun exemplu de sistem mecatronic pentru că acesta expune răspuns rapid, precizie si robustețe. Partea sa electrica este alcătuită din dispozitive microelectronice, convertoare de putere si circuite electronice de măsurare. Senzorii sunt folosiți pentru o obține date reale despre mediul în care funcționează HDD-ul și a obiectelor de prelucrare, despre componentele mecanice si al blocurilor de drivere. Toate aceste informații sunt prelucrate si trimise unității de control care va da comenzi pe baza acestor date. Blocul de comanda si partea de drivere de mișcare sunt părți integrante al sistemului mecatronic.

Blocul de comanda al unui sistem mecatronic realizează următoarele funcții de baza:

Controlul mișcărilor mecanice in modulul mecatronic bazat pe informațiile primite de la senzori.

Realizarea aranjamentelor de a controla mișcările funcționale ale sistemului mecatronic, adică sa coordoneze mișcările mecanice și procesele externe. Dispozitive de intrare/ieșire discrete sunt folosite pentru controlul procesului extern.

Interacțiunea cu operatorul uman prin intermediul interfeței om-mașină atât off-line cât si on-line cu sistemul.

Schimb de date între sisteme periferice, senzori si alte dispozitive ale sistemului.

Sarcina principală a unui sistem mecatronic este aceea de a transforma informația de la dispozitive de nivel înalt în mișcare mecanică controlată pe principiul de feedback. În sistemele moderne, energia electrică este cea folosită pentru astfel de sisteme(mai rar hidraulic sau pneumatic).

Esența mecatronici constă în a integra două sau mai multe componente, în general de natură fizica diferită, într-un modul uniform, funcțional. Cu alte cuvinte îmbinarea mai multor componente, diferite si greu de pus împreună pentru obținerea unui dispozitiv robust si foarte eficient.

Ca o variantă ideala, din punctul de vedere al utilizatorului, modulul mecatronic, după ce a primit informații de intrare pentru control, va realiza un proces pe baza unor parametrii calitativi doriți. Integrarea hardware-ului in module ar trebui sa fie însoțit de software integrat.

Software-ul sistemului mecatronic ar trebui sa ofere posibilitatea de tranziție directă de la un proiect al sistemului la un control funcțional al mișcărilor sistemului prin intermediul modelării matematice.

Folosirea abordării mecatronice pentru realizarea de aplicații cu control numeric arată avantajele lor de în comparație cu metodele tradiționale de automatizare:

Un cost relativ mic, având in vedere nivelul înalt de integrare, unificare si standardizare a tuturor elementelor si interfețelor

Abilitatea de a realiza mișcări complicate si precise datorita metodelor de control inteligente.

Fiabilitate, rezistență si imunitate la zgomote.

Compactitatea constructivă a modulelor

Îmbunătățirea per-total al dimensiunilor si a caracteristicilor dinamice datorat simplificării circuitelor cinematice.

Oportunitatea de a reconstrui module funcționale în sisteme sofisticate si complexe în funcție de scopurile specifice ale clientului.

Producția mondială de sisteme mecatronice crește constant și se extinde către noi domenii de aplicabilitate. În zilele noastre sistemele si modulele mecatronice își găsesc aplicabilitate în următoarele domenii:

Mașini unelte, pentru automatizarea proceselor de producție,

Robotică(industrială si specială)

Aviație, aplicații spațiale si tehnici militare.

Automobile( de exemplu sistemul de anti-blocare al frânelor(ABS), stabilizare a mașinilor, parcare automată)

Echipamente de birou( Fax, xerox)

Piese de calculator( HDD, Floppy)

Echipament medical

Echipamente pentru casa(mașini de spălat, de cusut etc.)

Dispozitive de control si măsurare

Echipament foto si video

Simulatoare pentru piloți

In showbiz( reflectoare, lumini dansante)

Dezvoltarea puternică a mecatronicii ca o nouă direcție tehnologică si științifică în anii `90 a fost cauzată de mai mulți factori, dintre care cei mai importanți ar fi:

tendințele dezvoltarea industrială la nivel mondial

Dezvoltare de baze fundamentale si metodologie ale mecatronicii

Activitatea experților in cercetare si educație

Este posibil să se facă o distincție între următoarele tendințe de schimbare și cerințele cheie de pe piață în zona considerată:

Necesitatea de producere si întreținere de echipamente în conformitate cu standardele de calitate stabilite de Standard ISO 9000.

Internaționalizarea pieței producției științifice și tehnice

Necesitatea de a fi introdusă sub o formă sau alta ingineria internațională și punerea în practică a noilor tehnologii

Rolul crescând a micilor si mediilor companii industriale datorat răspunsului lor rapid la schimbarea cerințelor de pe piață.

Dezvoltarea rapidă a tehnologiei, telecomunicațiilor, mai ales in țările comunității Europene. Realizarea unor sisteme mecanice ce răspund la comenzi a apar ca o consecință a acestei dezvoltări rapide.

Analiza acestor tendințe ne arată ca este imposibil sa se atingă un nou nivel de tehnologie folosind vechile abordări. Dezvoltarea mecatronici ca un domeniu interdisciplinar, pe lângă problemele tehnico-tehnologice a întâlnit si probleme manageriale si economice. Companiile moderne care încep să dezvolte soluții mecatronice ar trebui să încerce sa rezolve câteva din probleme fundamentale ale lumii actuale:

Integrarea structurală a departamentelor de mecanică, electronică si informatică ȋntr-un departament uniform

Educarea si formarea inginerilor specializați in mecatronica si management care sa fie capabili să integreze experți din diferite domenii și sa le poată urmării si munca.

Integrarea tehnologiilor informaționale din diferite domenii științifice și tehnice(mecanica, electronică, calculatoare) într-un set de instrumente uniform pentru a oferi suport sistemelor mecatronice.

Standardizare și unificare a tuturor elementelor și proceselor folosite la proiectarea si fabricarea de sisteme mecatronice.

Soluții la problemele expuse mai sus, cer de obicei, renunțarea la metodele tradiționale, care au fost stabilite anterior de manageri. Totodată cer ca managerii mediocrii, care s-au obișnuit sa rezolve doar o parte din probleme, sa treacă peste anumite orgolii si sa crească odată cu sistemele. Din acest motiv, filmele mici si mijlocii, care au structuri flexibile, s-au dovedit a fi mai pregătite să înceapă sa producă sisteme mecatronice.

În prezent, mecatronica este recunoscută peste tot în lume. Multe universități oferă această specializare. Problema de la care s-a plecat în crearea mecatronicii a fost că inginerul mecanic are probleme atunci când încearcă sa înțeleagă ce spune un electronist sau un inginer software si invers.

S-a dorit dezvoltarea unor persoane care puteau sa facă niște compromisuri, să poată lua o decizie la realizarea unui sistem în colaborare între mai multe domenii, și sa poată face asta în cunoștință de cauză, el având cunoștințe din toate domeniile respective.

Mecatronica unește o varietate de domenii sub un singur nume si prin sistemele dezvoltate de acest domeniu se ușurează viața așa cum noi o știm.

2.2 Sisteme mecatronice pentru habitaclu

Apărut în a doua jumătate a secolului al 19-lea, automobilul a revoluționat transporturile și a concentrat cele mai semnificative eforturi științifice și inginerești, pentru continua perfecționare a performanțelor sale. Mult timp componentele mecanice din automobile aveau o pondere covârșitoare în tot ansamblu, componentele electrice si electronice se rezumau doar la câteva:

Motoare

Demaror

Alternator

Ștergătoare

Senzori

Temperatura uleiului a antigelului si a apei

Presiunea uleiului

Nivelul carburantului

Relee

Becuri

Odată cu dezvoltarea microelectronici si apariția circuitelor integrate a circuitelor de putere a procesoarelor numerice, a unor senzori noi si performanți a permis rezolvarea unor cerințe care se cereau tot mai tare sa fie rezolvate, legate de:

Fiabilitate

Siguranță în trafic

Confort

Protecția mediului

Astfel, odată cu dezvoltarea mecatronicii și a posibilităților pe care le oferă microelectronica, automobilele au început să conțină din ce în ce mai multe sisteme mecatronice, automobilul devenind în sine un sistem mecatronic. Un automobil din zilele noastre conține circa 60-70 de motoare și un număr la fel de mare de senzori și sisteme senzoriale. Pentru a arata evoluția sistemelor electrice si electronice ale automobilelor din ani `60 și cele din prezent luam exemplul Beetle-ului scos pe piață de Volkswagen în 1960 si varianta moderna a acestuia scos pe piață de aceeași companie în 2001sub numele de „New Beetle”. Astfel, Beetle-ul produs în 1960 avea o putere de 136 W, circa 80 de contacte electrice si 150 m de fire și conductoare. Beetle-ul produs în 2001 avea o putere de 2050 W, circa 1200 de contacte electrice si peste 1500 m de cabluri. Această explozie a componentelor electrice si electronice de pe automobile a permis introducerea unor sisteme noi care cresc performanțele și simplifică componentele mecanice.

Cea mai mare provocare a experților în interfețe om mașină este acela de a le face așa încât sa fie antrenante, funcționale accesibile si ușor de folosit. Numărul de instrumente si funcții disponibile pentru șofer a crescut constant de-a lungul anilor. Au fost dezvoltate o multitudine de concepte de control cum ar fi sistemul de asistență a șoferului, ecrane tactile, butoane rotative, recunoaștere vocala, comanda vocala etc., toate pentru a spori siguranța și pentru a oferi o experiență de condus cât mai plăcută șoferului.

În zilele noastre interfețele om-mașină se pliază excelent pe conceptul de vehicul și se preconizează ca si pe viitor va fi la fel, dar poate la un nivel mai înalt. Posibilitățile crescânde a sistemelor electronice si ale conectării autovehiculului cu mediul exterior, prin internet spre exemplu, definesc noi provocări pentru interfețele om-mașină. Numărul datelor pe care automobilul le comunică către șofer în timpul funcționării crește constant( cum ar fi de exemplu faptul ca automobilul recomandă schimbarea vitezei atunci când sunt atinse un număr de turații).Șoferul are acces sa își schimbe din ce în ce mai multe funcții după propriul său plac, dar adevărul este ca foarte puțini dintre aceștia accesează chiar toate funcțiile pe care le are la dispoziție. Unul din motivele pentru care se întâmplă astfel de lucruri este acela ca sistemele de operare sunt pur si simplu prea complicate, motiv pentru care toți cei care produc soluții interfețe om-mașină caută sa simplifice cât mai mult cu putință sistemele și totodată sa mențină același nivel de flexibilitate si același număr de opțiuni configurabile.

Prin toate aceste dispozitive care împodobesc automobilele în zilele noastre se încearcă păstrarea șoferului într-o stare relaxata un timp cât mai îndelungat, de preferat de când se așază pe scaunul șoferului până când se ridică de pe acesta. Un șofer relaxat ia cele mai bune decizii în cazul unu posibil accident și poate evita un impact mortal. Dincolo de relaxarea șoferului, acesta trebuie să dețină informații despre multe din sistemele automobilului, si automobilul sa încerce să ofere soluții la unele probleme întâlnite în trafic, și trebuie sa facă asta în așa fel încât să nu îl oblige pe acesta sa ia ochii de la drum, si fără sa trebuiască sa ia mâinile de pe volan, sau daca trebuie sa ia mâinile de pe volan, să nu trebuiască sa se întindă prea mult sau să caute prea mult după butoane, cu alte cuvinte astfel de interfețe trebuie să fie intuitive si sa fie montate undeva unde sunt ușor accesibile șoferului.

Panoul din spatele volanului conține cele mai importante date pe care automobilul le comunică șoferului si din acest motiv se află în câmpul principal de vedere al acestuia, să fie cât mai ușor de văzut. Acest panou conține kilometrajul, termometrul, indicatorul nivelului de combustibil si temperatura apei și diverse lumini de avertizare si de atenționare. Kilometrajul indica viteza cu care se deplasează automobilul, un element esențial conducătorului auto, acesta funcționa în trecut printr-un cablu care intra in cutia de viteze si se rotea odată cu transmisia si afișând astfel viteza, dar în zilele noastre se folosesc senzori care sa indice viteza. Indicatorul de nivel de combustibil poate face diferența dintre ajungerea cu bine acasă si oprirea pe marginea unui drum în mijlocul pustiului, deci este o componentă destul de importantă a acestui panou. Turometrul informează șoferul despre numărul de turații pe care le atinge motorul pentru a evita distrugerea acestuia si totodată pate fi folosit pentru a schimba vitezele exact la momentul potrivit pentru un consum cât mai mic. Tot pe acest panou se află si un indicator care arată daca sistemul de încărcare a bateriei funcționează corect, în caz contrar bateria ar putea fi descărcată într-un timp foarte scurt si automobilul nu va mai funcționa. Semnalele de avarie se afla tot în spatele volanului pentru a îi oferi șoferului informații despre automobil cât mai repede. Alături de toate aceste elemente se află si numărul total de kilometrii pe care i-a parcurs motorul respectiv, indicator care nu poate fi resetat sau dat înapoi. Odată cu evoluția electronici si microelectronici si a senzorilor, si acest panou frontal s-a schimbat dramatic, nu ca funcționalitate ci ca aspect si a numărului de informații pe care îl oferă, și a modului în care oferă aceste informații. Astfel, dacă în trecut achiziția de date din sistem se face analog, prin cabluri si sisteme complicate, acum senzorii înlocuiesc aceste sisteme si fac achiziția de date foarte simplă. Pe lângă simplificarea achiziției de date, afișarea acestora a fost schimbată din toate punctele de vedere. Dacă în trecut afișajele funcționau mecanic si erau destul de greu de calibrat si de lucrat cu ele, în zilele noastre totul se transformă în digital si afișoarele mecanice devin LCD-uri, si abstractizarea datelor scade, LCD-urile fiind capabile sa afișeze totul mult mai clar si mult mai pe înțelesul tuturor. Astfel, automobilele au fost capabile să afișeze mai mult decât strictul necesar pe consola de bord, și strictul necesar a evoluat odată cu evoluția tehnologiei. Consumul instant, sau consumul pe porțiuni ale călătoriei, informații care nu puteau fi vizualizate până acum. Evoluția acestor sisteme a fost datorată existenței colaborării interdisciplinare care au făcut oameni cu diferite seturi de cunoștințe din domenii diferite, să abordeze idei mărețe, mai complicate la prima vedere dar care au adus rezultate satisfăcătoare si au creat ce separat nu putea fi creat la fel de repede sau cu atât succes. Mecatronica s-a infiltrat în acest domeniu si s-a dovedit a fi o componentă care se integrează perfect cu toate celelalte si fără de care automobilele nu ar fi evoluat in ritmul în care au evoluat până acum.

Volanul, care era folosit pană la un moment dat doar pentru funcția sa primara, de a vira roțile, este folosit acum ca un suport foarte bun pentru multe dintre comenzile pe care șoferul le trimite automobilului. Mâinile șoferului trebuie sa fie poziționate pe volan aproape non-stop în timpul condusului așa ca acesta este locul ideal pentru așezarea unor comenzi. Aceste comenzi sunt ușor de accesat si nu necesită luarea privirii de la direcția de mers. Numărul de setări ce pot fi ajustate de pe volan depinde de tipul automobilului si de producătorul acestuia. Principalele comenzi ce pot fi date de pe volan ar fi:

Sistemul Audio

Navigație

Hands free

Cruise control

Calculatorul de bord

Astfel, volanul devine în sine un sistem mecatronic foarte complex si un element important din sistemele de interfață om-mașină ale automobilului, ușurând accesul șoferului la unele din sistemele autovehiculului.

Partea centrală a bordului este bordului care poate fi accesată atât de șofer cât si de pasager. Această parte conținea la început foarte puține elemente, dar golurile s-au completat odată cu dezvoltarea automobilelor. Dacă primele automobile aveau în partea centrala a bordului un ceas și mai multe elemente de decor, bordul celor mai puțin dotate mașini conține:

Casetofon/Radio/CD-Player

Butoane de selecție

Ventilatoare (Ac/Climă/Aerisire)

Reglaj ventilatoare(cald/rece, poziția, viteza)

Buton de avarie

Indicator oră si dată

Si vorbim despre dotările de bază pe care le au automobilele. Astăzi un ecran tactil montan în mijlocul panoului de bord, preia 80% din funcțiile pe care le avea această parte a bordului. Înlocuirea tipului de input cablat cu ecranele tactile oferă nu numai o senzație de confort dar si un mai bun răspuns din partea automobilului la deciziile luate de șofer. O parte din funcțiile acestui panou nu sunt pe aceste ecrane tactile doar pentru siguranță, deoarece sunt funcții pe care șoferul le folosește des si poziția lor este mult mai ușor de reținut dacă nu se afla acolo și astfel șoferul nu trebuie să își ia ochii de la drum să le folosească.

O perioadă foarte lunga de timp, imediat după apariția telefonului mobil, accidentele provocate de neatenția șoferilor care vorbesc la telefon erau în număr extrem de mare. Si în zilele noastre mai există astfel de accidente dar constructori de mașini încearcă să elimine problema aceasta prin introducerea posibilității de a conecta telefonul cu automobilul. Primele soluții cablate s-au dovedit a nu avea mare succes, așa că s-a căutat o soluție care nu implică fire si cabluri si care nu impune restricții. Tehnologia Bluetooth a venit cu soluția pentru această problemă. Telefonul se conectează Bluetooth cu automobilul si va reda convorbirea prin boxele acestuia. Acesta tehnologie a redus foarte mult accidentele cauzate de vorbitul la telefonul mobil, dar, din păcate, nu a putut elimina complet această problemă.

Odată cu conectarea telefonului mobil cu automobilul și cu creșterea uimitoare a tehnologiei telefoanelor, nu s-a mai pus problema conectării telefonului doar pentru vorbit ci și pentru media sau internet. Deci telefonul, o interfață cu care lucrezi non-stop, în fiecare zi, poate fi foarte ușor conectat cu automobilul făcând astfel legătura dintre mașină și șofer mai accesibilă.

Tendințele viitoare sunt ca telefoanele mobile, cu diferite sisteme de operare(cele ce se arată interesate de idee ar i IOS si Android), să controleze complet sistemele unui automobil, adică sa ofere familiaritatea pe care o oferă telefonul la interfață, dar conectat la automobil si la sistemele acestuia. Viitorul acesta nu este prea îndepărtat având în vedere ca deja începe să existe colaborare între producătorii de sisteme de operare pentru telefoanele mobile si producătorii de automobile.

Mecatronica s-a infiltrat puternic in industria constructoare de mașini, dovadă fiind dispozitivele din ce în ce mai performante, si care cresc confortul si sporesc nivelul de control pe care îl are șoferul asupra automobilului. Portiera din partea stângă, a șoferului, conținea în trecut, un buton pentru încuierea acesteia, un mâner pentru deschiderea acesteia si o manivelă pentru ridicarea sau coborârea geamului. Acum, această portieră, este un adevărat ansamblu mecatronic si conține de obicei:

Butoane pentru geamuri(2/4)

Reglaj oglinzi(manual/electric)

Buton pentru închiderea centralizată

Blocarea butoanelor care deschid geamurile din spate

Fiecare buton așezat cu un scop și toate dau impresia șoferului ca deține complet controlul asupra automobilului. Poate sistemul unei portiere pare simplu, dar în zilele noastre o portieră are 8 motoare si are nevoie de propriul ei integrat pentru a putea fi făcută comanda acesteia. Geamurile electrice sunt prevăzute cu sisteme de siguranță pentru a nu prinde mâna cuiva atunci când se ridică, sistemul de închidere centralizată se acționează singur la câteva minute după ce automobilul a început să se deplaseze si nu poate fi dezarmat decât de către șofer. Toate aceste sisteme, creează o legătură între șofer si autoturism, si sporesc nivelul de comunicare pe care cei doi îl au crescând astfel siguranța.

Accentul ce se pune în prezent pe interfațarea automobilelor cu omul nu se pune doar pentru a arata cat de mult a evoluat tehnologia și ce se poate face cu acesta ci se pune pentru a spori comunicarea. Comunicarea este cea mai buna soluție într-o echipa, pentru ca echipa sa funcționeze bine și cu rezultate bune, și cum șoferul si automobilul pe care îl conduce sunt o echipă comunicarea dintre ei este esențială. Da, comunicarea există de la primele automobile, dar nivelul care a fost atins în zilele noastre este uimitor, nu numai din punctul de vedere al datelor comunicate si din punctul de vedere al modului în care sunt comunicate datele. S-a ajuns ca, în unele mașini, să existe comanda vocală, adică șoferul vorbește, automobilul înțelege si realizează comanda dată, o comunicare mai bună decât prin viu grai nu există. Mai mult decât atât, daca șoferul poate comunica cu automobilul prin vorbire, atunci de ce nu ar face si automobilul același lucru, și astfel bucla se închide. Când ambii parteneri pot comunica în același fel, atunci comunicare este la cel mai înalt nivel al ei. Astfel de sisteme sunt departe de a fi perfecte și se încearcă îmbunătățirea lor pentru a obține cel mai bun sistem de comunicare. Dezvoltarea acestor sisteme este continuă și nu se va opri vreodată atâta timp cat mai există automobile si cât, odată cu dezvoltarea tehnologiei, cerințele de pe piață se schimbă si ce e nou devine vechi în doar câteva luni.

Viitorul sistemelor care interferează automobilul cu omul se preconizează a fi unul înfloritor si plin de lucruri noi de inovații si de invenții. Se va încerca de fapt, simplificarea tuturor sistemelor, de fapt, simplificarea în aparență, adică sistemele sa fie la fel de complicate si performante, dar sa fie mult mai ușor de operat, de fapt asta fiind ținta de când s-a creat un departament de interfețe om-mașină in industria constructoare de mașini. Odată cu simplificare interfeței, se dorește sporirea siguranței, cea mai mare problemă de la apariția automobilului și până acum. Se gândesc vari aplicații care sa facă șoferul să fie cât mai relaxat și sa stea cât de mult posibil cu ochii la direcția de mers.

Umanizarea tehnologiei este calea ce trebuie abordată ca aceasta să fie acceptată și înțeleasă de toată lumea. Deci oferindu-i capacitate de vorbire si de înțelegere a vorbiri este primul pas către umanizare. Rațiuni realizate pe baza comenzilor primite sunt realizate si acum de tehnologie și există si idei vagi de inteligență artificială, dar viitorul promite multe în acest domeniu, chiar si la automobile, prin automobile, cu interfețe atât de performante încât este necesară doar comunicarea destinației către automobil și acesta își va calcula cel mai eficient drum și cea mai eficientă metodă de a ajunge acolo, și v-a porni singură la drum lăsând șoferul sa se relaxeze până la destinație.

Interfețele mașinilor viitorului promit:

Parcare independentă

Camere si display-uri care să ajute la condus

Pilot automat

Self-drive bazat pe GPS si camere

Recunoașterea gesturilor

Recunoaștere vocala performantă

Feedback vocal antrenant

Simplitate în design

Performanță

Viteză rapidă de răspuns

Toate puse cap la cap promit un viitor uimitor al automobilelor si al interfețelor acestora, toate acestea fiind posibile datorită evoluției necontenite a mecatronicii si științelor care o formează.

3 Sistem mecatronic user-reconfigurabil

3.1 Conceptul general

In momentul de fata tendința de pe piață automotive este aceea de a realiza sisteme care sa ofere utilizatorului un plus de confort si siguranță si sa înlocuiască cat mai mult contribuția șoferului la procesul de condus al automobilului.

Datorita evoluției tehnologiei multe sisteme de siguranță au ajuns in stadiul maxim de dezvoltare si atenția a fost îndreptată mai mult către sisteme inteligente care sa interfereze cu utilizatorul si care de asemenea in timp sa îl înlocuiască pe cat de mult posibil.

Acestea fiind spuse se încearcă realizarea unui sistem bazat pe utilizator care sa înlocuiască pe cat posibil tehnologiile existente pe piață si de asemenea sa aducă ceva nou pe cat posibil. Aceste sisteme sunt dedicate automobilelor care deja sunt in rulaj adică au ieșit pe piață de o perioada îndelungată si nu sunt dotate cu astfel de sisteme dar de asemenea pot fi montate pe noile modele de mașini mai ieftine deoarece este o varianta mult mai ieftina decât cele existente pe piață.

Sistemul implementat are ca scop îmbunătățirea habitaclului unui automobil Cielo prin montarea de tehnologii actuale care sa contribuie la un confort mai mare si la o siguranță sporita in timpul utilizări automobilului. De asemenea acest sistem oferă utilizatorului si funcții de monitorizare si configurarea a anumitor sisteme din habitaclul automobilului.

Sistemul realizat este inovator deoarece oferă posibilitatea configurării habitaclului automobilului după propriile preferințe, preferințe care sunt salvate pentru a fi utilizate într-o folosire ulterioara a automobilului de către utilizatorul care face setările.

Sistemele dezvoltate pe automobil in vederea aduceri acestuia in stadiul descris mai sus sunt următoarele:

Aplicație Android care va centraliza si controla întregul sistem, care rulează pe o tableta cu Android 4.2. Aplicația oferă anumite masuri de siguranță si posibilitatea de autentificare a utilizatorilor

Sistem de comanda a geamurilor

Sistem de comanda a oglinzilor cu opțiunea de reținere a poziției acestora pentru fiecare user

Sistem de comanda a sistemului de climatizare al autovehiculului si dezaburirea gemurilor

Sistem pentru deschiderea portbagajului si a rezervorului

Sistem de pornire a autovehiculului ce înlocuiește clasicul contact cu cheie

3.2 Schema existenta a autoturismului Cielo

3.2.1 Schema electrica contact cheie, electromotor pornire, alternator, circuit de aprindere

g1 baterie s1 contact cheie

g2 alternator s2 comutator p/n

l1 bobina de aprindere y1 modul de aprindere

m1 motor de pornire y2 distribuitor

Figura 3.1

3.2.2 Schema electrica contactor deschidere portbagaj, contactor deschidere rezervor benzina, dezaburire geam spate

M6 actuator deschidere rezervor benzină Y5 bobină deschidere automată portbagaj

K7 clopoțel de avertizare E32 iluminare – contactor dezaburire geam spate

S18 contactor centură siguranță E32 iluminare – contactor dezaburire geam spate

S19 contact închidere automată E33 dezaburire geam spate

portbagaj

S20 contactor deschidere rezervor benzină E34 indicator funcționare – contactor dezaburire

geam spate

K8 releu temporizare dezaburire geam spate S21 întrerupător dezaburire geam spate

Figura 3.2

3.2.3 Schema electrica acționare electrica geamuri

K9 releu ștergător S22 comutator ștergătoare

M7 motor pompă lichid spălare geam S23 contactor pompă spălare geam

M8 motor ștergător S24 comutator principal acționare geamuri

M9 motor acționare geam . față, stânga S25 comutator acționare geam

M10 motor acționare geam . față, dreapta S26 comutator acționare geam

M11 motor acționare geam . spate, stânga S27 comutator acționare geam

M12 motor acționare geam . spate, dreapta

Figura 3.3

3.2.4 Schema electrica aer condiționat, ventilator electric, motor ventilație climatizare

K11 releu ventilator electric . viteză mare R9 rezistentă motor ventilație

K12 releu ventilator electric . viteză mică S31 contactor pornire ventilator

K13 releu compresor aer condiționat S32 contactor temperatură radiator

K14 releu motor ventilație . viteză mare S33 contactor tăiere presiune joasă

M17 ventilator electric – auxiliar S34 contactor tăiere presiune înaltă

M18 ventilator electric S35 comutator control aer condiționat

M19 motor ventilație climatizare V1 diodă

R8 rezistentă ventilator electric Y6 compresor A/C

Figura 3.4

3.3 Schema conceptuală a sistemului realizat care înlocuiește vechiul sistem

Figura 3.5:Schema conceptuala a întregului sistem realizat

In această schemă este descris întreg sistemul realizat pe automobilul Cielo, atât a sistemului prezentat in lucrarea de fata cat si a sistemului prezentat in lucrarea care întregește acest sistem.

Pe schema sunt prezentate elementele principale ale structurii automobilului care au fost modificate sau care interacționează cu elementele adăugate in scopul realizării unui sistem inteligent bazat pe utilizator.

Liniile galbene si albastre reprezintă fluxul de date dintre cele doua microcontrolere si tableta Android. Liniile albastre reprezintă comenzile pe care aplicația Android le trimite către unul dintre microcontrolerele Arduino Mega 2560 care la rândul sau trimite unele comenzi mai departe către al doilea microcontroler. Liniile galbene reprezintă datele pe care microcontrolerele pe trimit către aplicația Android, aceste date reprezentând confirmarea executării comenzilor sau anumite date achiziționate de la senzori care vor fi stocate pe tableta pentru folosiri ulterioare.

Liniile albastru deschis reprezintă comenzile pe care microcontrolerele Arduino le transmite către circuitele de acționare ale elementelor din interiorul bordului mașinii iar liniile portocalii reprezintă datele achiziționate de la senzori.

Elementul principal al acestui sistem este tableta Android pe care rulează aplicația de comanda ce trimite si recepționează date de la întregul sistem devenind astfel masterul sistemului implementat pe automobil.

De asemenea in aceasta schemă este reprezentat si modul in care funcționează sistemul. In momentul in care este inițializat sistemul se trimite un semnal de verificare către microcontrolere iar când acestea sunt online întregul sistem pornește.

Figura 3.6:Sistemul descris in lucrarea de fată

În figura de mai sus sunt reprezentate elementele care compun sistemul prezentat in lucrarea curentă si modul în care circula fluxul de date in sistem.

În sistemul implementat s-au înlocuit următoarele:

Oglinzile – care au fost înlocuite cu alte oglinzi cu motoare electrice pentru a putea modifica poziția acestora

Sistemul audio- acesta a fost modificat pentru a putea reda muzica din tableta

Comanda sistemului de climatizare- s-a renunțat la acționarea prin butoanele clasice care au fost înlocuite de aplicația Android

Comanda geamurilor- schimbarea este aceeași ca la sistemul de climatizare.

3.4 Descrierea sistemelor/subsistemelor utilizate

3.4.1 Sistem de reglare a oglinzilor cu memorarea poziției

Oglinzile sunt un element foarte important al habitaclului mașinii care ajuta șoferul in timpul utilizări automobilului deoarece îi oferă o vizibilitate cat mai mare si contribuie de asemenea la siguranță utilizatorului deoarece oferindu-i o vizibilitate cat mai mare acesta poate evita anumite incidente.

Sistemul de oglinzi de pe automobilul Cielo a fost înlocuite cu un nou sistem de oglinzi preluat de la un Opel Astra . Aceasta modificare s-a făcut deoarece sistemul preluat oferă posibilitatea de a comanda poziția oglinzilor cu ajutorul motoarelor care sunt montate pe aceste structuri.

Figura 3.7:Oglinzi montate la automobilul Cielo

Comanda motoarelor ce poziționează oglinzile se face dintr-un driver bazat pe circuitul integrat L293d care va fi comandat de către microcontrolerul Arduino Mega 2560.

Pentru a verifica poziția oglinzilor se folosește o bareta de senzori QTR-3A analogici care trimit data despre poziția oglinzilor către microcontrolerul Arduino Mega 2560 care va trimite mai departe către aplicația care comanda întregul sistem.

Senzorii QTR-3A sunt senzori dedicați aplicațiilor in care este necesara urmărirea unei linii sau detectarea contrastului dintre doua suprafețe dar post si de asemenea folosiții in aplicațiile in care este necesara detectarea poziție sau proximității.

Specificațiile acestor senzori sunt următoarele:

Dimensiuni :32X8X3mm

Tensiunea de lucru 5.0V

Curentul de alimentare 50mA

Ieșire 3V

Distanța optima de detectare este de 3mm

Distanța maxima de detectare este de 6mm

Figura 3.8:Schema electrica a senzorului QTR-3A

Pentru utilizarea acestor senzori producătorii senzorilor dar si Arduino pun la dispoziție o serie de librării însă in implementare ce va fi prezentata mai târziu s-au folosit funcții special create pentru aceasta aplicație .

Structura din spatele oglinzii este dotata cu doua motoare care modifica poziția pe axa verticala si pe axa orizontala .

Deoarece este foarte dificil sa schimbi structura unei oglinzi s-a păstrat structura inițială si s-au adăugat elemente pentru a face acest sistem sa funcționeze in parametri doriți.

De asemenea păstrarea componentelor structurii deja existente pe automobilul in cauza scade costul aplicației si face costul final al aplicației realizate sa fie cat mai scăzut astfel ajutând la atingerea telului propus cu acesta aplicație deoarece unu dintre factorii principali este acela de a realiza o aplicație cat mai ieftină.

Figura 3.9:Motoare oglinzi

Figura 3.10:Structura interioara a oglinzii

3.4.2 Sistem de comanda a geamurilor automobilului

In realizarea acestui sistem s-a înlocuit vechiul sistem de comanda a poziției geamurilor cu un nou sistem de comanda a poziției geamurilor folosind ca panou de comanda o tableta ce rulează aplicația Android de comanda a automobilului.

Acest sistem a fost implementat cu următoarele componente:

Motoarele existente pe automobil

Driver pentru comanda motoarelor

3.4.2.1 Motoare existente pe automobil

Pentru a păstra un cost scăzut al aplicației s-au păstrat motoarele existente pe automobil si s-a înlocuit sistemul de conducere a motoarelor cu un driver realizat manual special pentru acesta aplicație.

Figura 3.11: Motor geam fata stânga

3.4.2.2 Driver pentru comanda motoarelor

Acest driver a fost construit special pentru aceasta aplicație si este bazat pe tranzistoare MOSFET.

Driverul va fi de asemenea comandat prin intermediul microcontrolerului Arduino Mega 2560 si acesta va comanda mișcarea tuturor geamurilor automobilului.

Figura 3.12:Schema conceptuala pentru comanda unui motor in ambele sensuri

3.4.2.3 Senzor de curent

Pentru a detecta momentul in care geamul ajunge in poziția ridicat sau momentul in care întâlnește un obstacol de exemplu mâna pe care o tine pe geam un pasager s-a montat in sistemul de comanda al geamurilor un senzor de curent ACS712.

Senzorul este integrat într-o plăcuță cu găuri pentru pini pentru o conectare mai ușoară in circuit.

Figura 3.13:Senzor ACS712 -Fată Figura 3.14:Senzor ACS712- Spate

Senzorul ACS712 scoate pe borna de ieșire un semnal analogic care variază liniar cu curentul consumat de motor. Acest circuit care nevoie de alimentare la 5V si de doua condensatoare de filtrare.

Figura 3.15: Exemplu de conectare in circuit a senzorului ACS712

Caracteristici ale senzorului ACS712:

Funcționează la 5A dar poate rezista până la 25A pentru o perioada scurta de timp

Lungimea de banda este setata pe pinul de filtru

Răspuns la citire 5μs

1.5% eroare pe ieșire la 25⁰C

Rezistentă conductor intern de 1.2mΩ

5V CC sursa de alimentare

Sensibilitate de 120mV/A

Poate fi conectat in circuit de curent continuu cat si de curent alternativ

Figura 3.16:Schema circuitului in care este integrat circuitul

3.4.3 Panou central de comanda

Panoul central de comanda este o tableta E-Boda R80 cu sistem de operare Android 4.2.2 Jelly Bean pe care rulează o aplicație special dezvoltata in acest scop.

Aceasta tableta a fost aleasa datorita aspectului 4:3 al display-ului, datorita faptului ca poate funcționa in modul USB Host dar si datorita prețului mic in comparație cu alte tablete cu aceleași performante.

3.4.3.1 USB Host

In momentul in care un dispozitiv Android este in modul USB Host acesta se comporta ca un host USB, alimentează USB-ul , si verifica dispozitivele la care este conectat. Acest lucru permite conectarea dispozitivului Android cu spatii de stocare externe si cu alte dispozitive cum ar fii tastatura, sau controlere pentru jocuri .

Deoarece suporta o multitudine de dispozitive periferice si de accesorii USB cu ajutorul USB Host si USB accessory un dispozitiv Android poate fi conectat pentru a comanda unor sisteme mecatronice deoarece de asemenea poate comunica fără probleme cu sistemul la care este conectat .

Figura 3.17:USB Host –Principiu de funcționare

Această dotare a dispozitivelor Android vine de asemenea in ajutorul dezvoltatorilor deoarece pot crea aplicații specializate pentru comanda anumitor sisteme fără a mai integra in sistem anumite componente ajutătoare.

Tableta este de asemenea dotata cu port jack 3,5mm pentru conectare cu un dispozitiv audio, in cazul nostru cu sistemul audio al mașinii. Pentru a putea reda muzica in sistemul tableta este conectată la un amplificator audio.

De asemenea tableta poate fi conectata la internet si poate trimite date despre funcționarea mașinii si despre utilizator , date care pot si încărcate pe o pagina web sau pe o aplicație pentru ca mașina sa poată fi monitorizata de la distanta.

Ecranul este de asemenea foarte sensibil la atingere pentru ca utilizatorul sa nu trebuiască sa apese de mai multe ori pentru a face o comanda .

3.4.3.2 E-Boda R 80

Tabelul 1.

3.4.4 Sistem de comanda pentru deschiderea automata a portbagajului si capacului de la rezervor

In realizarea acestui sistem s-au păstrat mecanismele de acționare ale mașinii si s-a înlocuit acționarea clasica prin push-button cu un circuit simplu de acționare comandat din tableta

Pentru ca utilizatorul sa nu fie nevoit sa conecteze tableta de fiecare data când are nevoie sa deschidă portbagajul s-a păstrat si varianta manual de deschidere cu cheie.

Figura 3.18: Schema conceptuală a circuitului de comanda descris mai sus

3.4.5 Sistem audio

A fost înlocuit sistemul audio care era montat pe automobil cu un nou sistem, acesta este format din tableta cu Android care va avea un player de muzica integrat in aplicația de control, un amplificator audio si un sistem de boxe care este același care a fost pe mașină .

S-a ales înlocuirea vechiului sistem deoarece noul sistem este mai bun pentru ca nu folosește clasicele CD-uri ci reda muzica de pe cardul intern cea ce însemnă ca spațiul dedicat melodiilor este mult mai mare plus ca utilizatorul poate sa redea videoclipuri de pe YouTube sau sa asculte orice post de radio prin intermediul conexiunii la internet.

Figura 3.19:Sistem audio implementat pe Cielo

3.4.6 Comanda sistemului de climatizare

Multe dintre elementele sistemului de comanda al climatizării au fost modificate înlăturând vechile butoane pentru acționare si înlocuindu-le pe acestea cu butoane in aplicația de comanda.

Pentru acționarea elementelor care erau acționate prin push-button s-au folosit drivere de comanda realizate cu tranzistoare de mica putere care deschid circuitul fiind comandate de microcontrolerul Arduino Mega 2560.

Elementele care erau acționate prin poziționarea unui buton rotativ au fost înlocuite de un servomotor care de asemenea este comandat de microcontrolerul Arduino Mega

S-a folosit un servomotor de la Hitec care a fost montat pe structura a cărei poziții era modificata prin mișcare butonului rotativ.

Acest servomotor este un servomotor puternic si este unul dintre cele mai populare servomotoare de la Hitec datorita angrenajului metalic si a durabilități acestuia

Figura 3.20:Servomotor Hitec HS-645MG Figura 3.21: Componente Servomotor Hitec HS-645MG

Tabelul 2.

S-a implementat un circuit pentru comanda servomotoarelor , circuit care este compus din următoarele elemente :

Un regulator de tensiune LM7805 – este un regulator de tensiune care o tensiune de intrare intre 7V si 36V pe borna de intrare scoate pe borna ieșire o tensiune de 5V

Pini pentru alimentare si pentru semnalul de la Arduino

Figura 3.22 Schema conceptuala a circuitului electric

Figura 3.23: Vechia comanda a sistemului de climatizare

Circuitul pentru comanda elementelor care erau acționate prin push-button a fost realizat de asemenea special pentru această aplicație si are la baza tranzistoarele BC 338 si componentele adiționale care ajuta la ficționarea acestui circuit.

Figura 3.24: Schema conceptuală a comenzii sistemului de climatizare

3.5 Platforma Android

Android este un sistem de operare pentru dispozitive portabile si pentru telefoane mobile si totodată este o platforma software de dezvoltare open-source.

Aceasta tendință a oamenilor de a achiziționa un dispozitiv cu Android vine de la posibilitatea configurării dispozitivului după preferințe , de la ușurința in utilizare si de la faptul ca este compatibil cu toate aplicațiile Google.

Sistemul de operare Android rulează pe sute de milioane de dispozitive mobile in peste 190 de tari din toată lumea. Este cel mai răspândit sistem de operare pe toate platformele mobile. In fiecare zi in jur de un milion de utilizatori pornesc noul lor dispozitiv Android si încep ca caute aplicații, jocuri sau alte informații.

Android oferă utilizatorilor de pretutindeni o platforma profesionala pentru crearea de aplicații și jocuri si de asemenea oferă si o piață de deschidere pentru vânzarea si distribuirea instant a aplicațiilor create.

Figura 3.25:Grafic care exemplifica creșterea utilizatorilor de Android OS

Bazând-se pe contribuția comunității open-source Linux si a partenerilor acesteia, Android a devenit repede sistemul de operare pentru mobile cu cea mai mare creștere înregistrată in rândul consumatorilor.

Accesibilitatea sistemului Android a făcut din acesta un favorit in rândul consumatorilor cat si in rândul dezvoltatorilor crescând astfel numărul aplicațiilor folosite de consumatori. Utilizatori Android descarcă peste 1.5 miliarde de aplicații si jocuri in fiecare luna de pe Google Play.

Împreună cu partenerii săi Android duce in mod continuu progresul tehnologic dincolo de limite, atât software cat si hardware, aducând noi posibilități atât pentru utilizatori cat si pentru dezvoltatori.

Inovațiile Android aduse pentru dezvoltatori de aplicații le permit acestora sa construiască aplicații puternice inovative bazate pe ultimele tehnologi hardware si software.

Android oferă dezvoltatorilor tot ce au nevoie pentru a crea aplicații profesionale ce oferă o experiență extraordinară utilizatorilor. De asemenea oferă modele de aplicații de la care utilizatori pot sa dezvolte aplicații pentru milioane de dispozitive de la telefoane la tablete si nu numai.

Android oferă de asemenea tool-uri pentru a crea aplicații cu in design grafic excepțional si care sunt avantajate de hardware-ul de pe fiecare dispozitiv. Aceste tool-uri ajuta dezvoltatori ca aplicațiile lor sa se adapteze automat la interfața grafica a fiecărui dispozitiv arătând pe cat se poate de bine si oferind controlul maxim asupra interfeței in funcție de dispozitiv.

De exemplu de poate crea o aplicație care să se adapteze atât pentru tablete cat si pentru telefoane scoțând tot ce e mai bun din hardware-ul acestora. Se declara in resursele XML specificațiile in așa fel încât sa se adapteze pentru o gama cat mai larga de dispozitive si sa se adapteze in funcție de ecranul acestora. In momentul in care aplicația este instalata aceasta caută in specificațiile Telefonului si se adaptează in funcție de ecranul acesteia .

Pentru a ajuta dezvoltatori sa lucreze eficient Android Developer Tool oferă un mediu de programare Java care este dotat tool-uri dezvoltare, debugging si construirea unei aplicații. Folosind mediu de dezvoltare Android dezvoltatori pot crea aplicații pentru orice dispozitiv Android si a face debug pe acestea sau pot simula aceste aplicații pe anumite dispozitive virtuale create cu ajutorul emulatorului oferit de mediul de programare.

Pentru dezvoltarea de aplicații se poate folosii mediul de programare Eclipse for Java Developers si se instalează tool-ul Android pentru dezvoltarea de aplicații sau se poate descarcă mediul de programare Android care este un mediu de programare Eclipse modificat special pentru dezvoltarea de aplicații Android.

Eclipse este un mediu de programare Java faimos dar de asemenea se pot dezvolta si aplicații C/C++ cat si PHP. Utilizatorii pot foarte simplu sa modifice pachetele de baza sau sa își configureze mediul de programare așa cum doresc. Eclipse are si funcția de Cloud pentru ca utilizatori sa poată dezvolta aplicații sau sa acceseze aplicațiile pe care le-au dezvoltat de la orice calculator.

Figura 3.26:Dezvoltare unei aplicații android in mediul de dezvoltare Eclipse

Figura 3.27:Eclipse in modul debug

De asemenea Android vine cu un tool pentru debug numit DDMS(Dalvik Debug Monitor Server) care oferă funcții de monitorizare, captura de ecran , informații despre dispozitiv, despre apelurile primite, mesaje text, despre starea semnalului, informații despre aplicația care rulează in momentul respectiv pe dispozitiv si multe alte informații. DDMS este integrat in eclipse pentru ajuta dezvoltatori sa facă debug mult mai ușor aplicațiilor pe care le dezvolta.

Figura 3.28:Eclipse in modul DDMS

Tot ce un dezvoltator are nevoie pentru a începe crearea unei aplicații Android este disponibil pe site-ul oficial developer.andorid.com. Pe acest site un developer Android poate avea acces la orice, de la kit-ul de dezvoltare software, documentație despre interfața de programare, sfaturi despre design pana la informații despre dispozitive curente si despre ultimele versiuni de Android sau cum sa își valorifice aplicațiile dezvoltate.

Informațiile disponibile pe acest site sunt împărțite in 3 categorii:

Design – înainte de începe sa scrie cod un developer trebuie sa proiecteze o interfață prietenoasă pentru a oferi utilizatorului o experiență plăcută. De asemenea trebuie gândit cum va interacționa utilizatorul cu aplicația pentru ca in designul proiectat sa existe toate elementele de care acesta va avea nevoie . Designul trebuie sa fie simplu, ușor de înțeles si utilizat si sa fie in tandem cu experiența Android. In concluzie nu contează daca ești un dezvoltator freelancer sau angajat într-o firmă trebuie sa citești secțiunea de design.

Dezvoltare – in momentul in care design-ul este finalizat tot ce dezvoltatorul de aplicații are nevoie pentru a crea aplicații sunt tool-urile oferite de Android. Framework-ul Android oferă o interfață de programare pentru a crea aplicații care exploatează la maxim hardware-ul dispozitivului, al accesoriilor conectare si conexiunea la internet. Cu tot ce oferă Android nu există limita pentru aplicațiile dezvoltate. De asemenea tot ce are nevoie un dezvoltator sa învețe despre Framework-ul Android este disponibil in secțiunea Develop de pe developer.android.com

Distribuire-in momentul in care aplicația este finalizată si este construita sa suporte o multitudine de ecrane si densități ale rezoluției si este testata pe mai multe dispozitive cu ajutorul emulatorului si pe cat de multe posibil pe dispozitive reale aplicația este gata pentru a fi distribuita. Modul in care un dezvoltator va distribui aplicația sau o valorifica depinde de strategia pe care o alege acesta si de legislația din tara in care acesta locuiește.

Pentru un dezvoltator începător Android recomanda descărcarea softului ADT Bundle pentru un start rapid fără probleme in dezvoltarea de aplicații. Acesta include componente esențiale ale Android SDK si o versiune a Eclipse modificata special pentru dezvoltatori de aplicații Android.

Cu o singura descărcare un dezvoltator începător are acces la tot ce are nevoie pentru a începe:

Eclipse+ADT plugin

Android SDK Tools

Android Platform-tools

Ultima platforma Android

Ultima versiune de emulator

3.5.1 Android 4.2 Jelly Bean – Interfața de programare

Android 4.2 Jelly Bean este un update pentru Jelly Bean care oferă noi facilitați pentru utilizatori si noi tool-uri pentru dezvoltatorii de aplicații.

Unele dintre inovațiile aduse cu acest update sunt următoarele:

Daydream – este un mod de screensaver pentru dispozitivele cu Android. Acest mod se activează automat când dispozitivul este conectat ȋntr-un suport special sau atunci când este conectat încărcătorul si nu este stins ecranul. Screensaver-ul poate fi pasiv si sa afișeze anumite informații sau poate fi activ in așteptarea anumitor comenzi. Acest mod rulează ca o aplicație normala si are acces la kit-ul de interfață grafica al dispozitivului Android. Un dezvoltator poate crea aplicații care sa interacționeze cu acest mod implementând o subclasă a clasei DreamService.

Secondary Displays – aceasta inovație permite afișarea de conținut unic pe un ecran adițional conectat prin fir sau WiFi. Pentru a crea o aplicație care sa folosească Secondary Displays dezvoltatorul trebuie sa folosească clasa Presentation si sa implementeze o funcție onCreate care sa o suprascrie pe cea predefinită.

Lockscreen Widgets – acest lucru permite utilizatorilor sa adauge widget-uri ale anumitor aplicații pe lockscreen. Pentru a crea o aplicație care sa folosească lockscreen-ul

Multiple Users – începând cu aceasta versiune Android oferă posibilitatea ca un dispozitiv care este împărțit de mai multe persoane sa fie configurat in așa fel încât fiecare utilizator sa aibă propriul spațiu pe disc, propriile aplicații si propriile setări ale sistemului. Ca developer nu apare nimic nou deoarece toata treaba este făcută de sistemul Android care stochează setările in funcție de utilizator.

RTL Layout Support – începând cu acesta versiune Android oferă interfețe de programare pentru a crea aplicații cu interfețe care se adresează si utilizatorilor care citesc de la dreapta la stânga. Ca developer pentru a crea o astfel de interfață este necesara punerea atributului android:supportsRtl in fișierul AndroidManifest.xml si sa se seteze valoarea acestui pe „true”.

Nested Fragments – Acest inovație permite developer-ului sa includă fragmente dinamite ȋntr-un alt fragment dinamic. Acest lucru este folositor in momentul in care dezvoltatorul vrea sa introducă un fragment dinamic pe care va fii folosit mai târziu ȋntr-un alt fragment dinamic. Spre exemplu daca se folosește funcția ViewPager pentru a crea un fragment care se muta stânga-dreapta care ocupa majoritatea spațiului din ecran si este nevoie de inserarea unui element nou aceasta funcție permite acest lucru.

Un pachet foarte important pentru un developer care vrea sa creeze o aplicație care sa comunice prin USB cu un sistem mecatronic este android.hardware.usb. Acest pachet oferă suport pentru comunicarea prin USB cu un hardware periferic care este alimentat de către dispozitivul Android.

Acest pachet conține următoarele clase :

UsbAccessory – este o clasa care reprezintă un accesoriu USB, care este de fapt un hardware conectat cu dispozitivul Android si comunica cu o aplicație Android prin intermediul USB-ului.

UsbConstants – conține constante pentru protocolul de comunicare USB

UsbDevice – este o clasa care reprezintă un dispozitiv conectat prin USB iar dispozitivul Android se comporta ca un USB host

UsbDeviceConection – aceasta clasa este folosita pentru a trimite si recepționa date dar si pentru controlul mesajelor către dispozitivul conectat prin USB

UsbEndpoint – este o subclasa a clasei UsbInterface

UsbInterface – este o clasa care reprezintă o interfață a dispozitivului conectat prin USB

UsbManager – aceasta clasa permite developerului sa acceseze starea dispozitivului conectat prin USB si sa comunice cu acesta.

UsbRequest – aceasta clasa este folosita pentru a trimite o cerere către dispozitivul conectat pentru a achiziționa date despre acesta.

In proiectul implementat s-au folosit mult mai multe clase care vor fi explicate in capitolele viitoare.

3.6 Platforma Arduino

Arduino este o platformă open-source bazata pe un hardware si un software ușor de utilizat si flexibil. Acesta este dedicat inginerilor pentru utilizare in industrie, oamenilor pasionați pentru ași realiza mult mai ușor proiectele si oricui altcineva care vrea sa creeze un sistem care este in contact cu mediul înconjurător.

Arduino poate simții mediul înconjurător citind valori de la o multitudine de senzori, poate comunica cu acesta prin magistralele seriale sau îl poate modifica controlând lumini, motoare sau alte elemente electrice active.

Microcontrolerul de pe placa Arduino este programat utilizând limbajul de programare Arduino, care este bazat pe Wiring, si mediul de programare Arduino care este bazat pe Processing.

Wiring este o arhitectura software open-source pentru programarea microcontrolerelor. Acesta permite crearea de software pentru a controla dispozitive conectare la o multitudine de microcontrolere pentru a crea tot felul de software inovative, obiecte interactive sau alte proiecte.

Aceasta arhitectura software a fost creata cu gândul de a încuraja comunitatea de ingineri de la începători la experți din întreaga lume de a împărtăși idei ,experiențe sau chiar de a lucra împreună pe anumite proiecte. Exista mii de studenți, designeri, oameni pasionați sau ingineri care folosesc Wiring pentru a învăța, proiecta sau chiar realiza proiecte industriale.

Processing este un limbaj de programare, un mediu de programare si o comunitate online. Încă din anul 2001, Processing a promovat educația software si alfabetizarea in tehnologie. Processing a fost creat inițial ca un software pentru schițe care avea ca scop sa învețe utilizatori fundamentele programării calculatoarelor ȋntr-un context vizual dar a evoluat ȋntr-un mediu de programare pentru profesioniști. La fel ca si Wiring, Processing este folosit de mii de studenți, cercetători, designeri si ingineri pentru a învăța, a face prototipuri sau in producție.

Proiectele Arduino pot funcționa singure fără a fi conectare cu un dispozitiv exterior sau pot comunica cu un software ce rulează pe un calculator.

Placa Arduino poate fi construita de mana sau poate fi achiziționată asamblata iar software-ul pentru programare poate fi descărcat gratis. Scheme electrice si schema CAD realizata in mediul de proiectare EAGLE sunt disponibile sub licență open-source si pot fi adaptate după cerințele utilizatorului fără probleme.

Comunitatea Arduino este foarte vasta incluzând grupuri specifice pentru anumite tipuri de proiecte sau anumite nivele: începători, profesioniștii . Aceasta comunitate oferă un suport excelent tuturor celor care vor sa înceapă un nou proiect. De asemenea exista si pe site-ul oficial o multitudine de informați despre Arduino dar si tutoriale care încep te pot ajuta sa înțelegi cum se programează dar si cum sa conectezi un microcontroler Arduino ȋntr-un mediu pentru a realiza un proiect simplu sau complex.

In ultimul timp tot mai multe companii dezvolta tool-uri care sa comunice cat mai ușor cu Arduino. Doua exemple foarte bune sunt Android care are anumite librării care facilitează dezvoltarea unor clase pentru comunicarea cu Arduino si Matlab care are un tool care permite utilizatorului ca creeze aplicații un GUI pentru a comunica direct cu Arduino.

Pe lângă gama de microcontrolere Arduino oferă si o mulțime de plăcute care pot fi montate pe plăcuța microcontrolerului si care aduc îmbunătățiri acestora ca de exemplu posibilitatea conectării unui card, comunicare prin Bluetooth sau conectarea unei cartele pentru a simula o conversație telefonica sau a avea acces la internet.

3.6.1 Arduino Mega 2560

Arduino Mega 2560 este o placa microcontroler care este bazata pe microcontrolerul ATmega2560. Acest placa este dotata cu 54 de ieșiri/intrări digitale dintre care 15 pot fi folosite ca ieșiri PWM, 16 intrări analogice, 4 porturi seriale UART , un oscilator electronic de 16 MHz, o conexiune USB, un jack de alimentare, un ICSP(In Circuit Serial Programming) si un buton de reset. Aceasta plăcută este dotată cu tot ce are nevoie pentru a susține microcontrolerul , pentru a fi pusa in funcțiune trebuie conectat la o sursa de tensiune sau la un calculator. Placa Arduino Mega este compatibila cu majoritatea shield-urilor care sunt destinate pentru Arduino Duemilanove sau Arduino Diecimila.

Tabelul 3. Specificații hardware ale placi Arduino Mega 2560

Figura 3.29:Arduino Mega 2560

Figura 3.30: Harta pinilor de pe placa Arduino Mega 2560

Figura 3.31:Schema in EAGLE a placi Arduino Mega 2560

3.6.1.1 Alimentare

Arduino mega poate fi alimentat prin USB sau de la o sursă de tensiune exterioara. In momentul in care o sursă de tensiune exterioara este conectata aceasta va fi selectata automat.

Placa poate funcționa in limitele 6-20 de volți dar este recomandata o funcționare intre 7 si 12 volți pentru ca daca este alimentat la mai puțin de 7 volți pinul de 5 volți va da mai puțin de 5 si placa va fi instabila iar daca este aliment la mai mult de 12 regulatorul de tensiune se va încinge si va provoca pagube plăcii.

Pinii de alimentar sunt următorii:

VIN – alimentare cu tensiune a plăcii Arduino atunci când se folosește o alta alimentare exterioara. Se poate face alimentarea plăcii prin acest pin sau daca se face alimentarea folosind jack-ul de alimentare aceasta se poate accesa prin acest pin

5V- acest pin scoate o tensiune regulata de 5 volți de la regulatorul de tensiune al plăcii.

3V3- pe acest pin este generata o tensiune de 3.3 volți de către regulatorul intern al plăcii iar curentul maxim care poate fi tras fără a provoca pagube este de 50 mA.

GND –pini de masa

IOREF – acest pin de pe placa Arduino oferă voltajul de referință la care lucrează microcontrolerul. Acest pin este folosit de anumite drivere care citesc valoarea de pe acest pin si selectează sursa de alimentara buna pentru acest microcontroler sau activează anumite circuite pentru a regla tensiunea la valoarea optima.

3.6.1.2 Memorie

ATmega2560 are 256 KB de memorie flash pentru stocarea programului dintre care 8KB sunt folosiți de bootloader, 8KB de memorie SRAM, și 4KB de memorie EEPROM care poate fi citita si scrisa cu ajutorul librăriei EEPROM.

3.6.1.3 Intrările si ieșirile plăcii Arduino Mega2560

Fiecare dintre cei 54 de pini digitali de pe Arduino Mega 2560 poate fi folosit ca intrare sau ieșire folosind următoarele funcții:

pinMode() – configurează pinul respectiv sa se comporte ca ieșire sau ca intrare. Parametri acceptați de acesta funcție sunt: INPUT, OUTPUT, INPUT_PULLUP.

digitalWrite()- scrie o valoare HIGH sau LOW pe pinul digital

digitalRead()- citește valoarea de pe pinul respectiv care poate fi LOW sau HIGH

Toți pinii lucrează la 5 volți si pot genera sau accepta pe intrare un curent de maxim 40 mA de asemenea pe fiecare pin este cate un rezistor pull-up de 20-50 KΩ.

O parte dintre cei 54 de pini au funcții specializate :

Comunicare serială -Serial : 0-RX si 1-TX,Serial1: 19-RX si18-TX, Serial2:17-RX si 16-TX, Serial3: 15-RX si 14-TX . Acești pini sunt folosiți pentru a recepționa pe RX si a transmite pe TX date serial TTL. Pinii 1 si 0 sunt de asemenea conectați de pinii de pe circuitul de conversie USB-to-TTL bazat pe microcontrolerul ATmega16U2.

Întreruperi Externe : 2-intreruperea 0, 3-intreruperea 1, 18 – întreruperea 5, 19 – întreruperea 4, 20 – întreruperea 3, 21-intreruperea 2. Acești pini pot fi configurați pentru a genera o întrerupere pentru o valoare de LOW, pentru un front crescător sau descrescător sau pentru o schimbare de valoare.

PWM: pinii de la 2 la 13 si de la 44 la 46 generează ieșire PWM pe 8 biți. Acest lucru se face folosind funcția analogWrite(). Funcția analogWrite() accepta ca parametri pinul pe care trebuie sa scrie si timpul de lucru care este o valoare de la 0 la 255.

SPI: 50-MISO,51-MOSI,52-SCK,53-SS acești pini suporta comunicare SPI folosind librăria SPI .

LED 13: In placa este integrat un led care este conectat la pinul digital 13 si acesta se aprinde cad pinul este in HIGH si este stins când pinul este in LOW.

TWI: pinii 20-SDA si 21-SCL suporta comunicare TWI folosind librăria Wire . Acești pini nu au aceeași poziție pe Arduino Duemilanove sau Diecimila deci nu se pot folosi cu shield-uri dedicate acestor microcontrolere.

Mega 2560 16 intrări analogice cu o rezoluție de 10 biți adică convertorul analog numeric este pe 10 biți. Predefinit intrările pot măsura valori de pana in 5 volți dar se poate modifica aceasta valoare utilizând pinul AREF si funcția analogReference().

Mai sunt de asemenea si alți pini pe placa:

AREF: generează valoarea de referință a tensiunii pentru intrările analogice. Este folosit cu ajutor funcției analogReference().

Reset: Punând acest pin in LOW va reseta microcontrolerul. Acest pin este folosit pentru a conecta butonul de reset de pe un shield deoarece in cele mai multe cazuri acesta maschează butonul de reset de pe plăcuța Arduino.

3.6.1.4 Comunicarea

Arduino Mega 2560 are mai multe posibilități de comunicare cu un computer, cu un alt Arduino sau cu un alt microcontroler. Mega 2560 este dotat cu 4 porturi UART pentru comunicare seriala TTL. Software-ul Arduino include un serial monitor unde se pot monitoriza data primite de la microcontroler sau se pot trimite date către acesta.

Figura 3.32:Serial Monitor Arduino

Pentru a putea fi vizualizată fizic transmisia de data pe placa Arduino sunt montate leduri de stare care își schimba starea atunci când sunt transmise sau recepționate date, acest lucru nu funcționează însă pentru pini 0 si 1.

Librăria SoftwareSerial face posibila utilizarea oricărui pin de pe Arduino ca pin pentru comunicare serială.

ATmega2560 suporta de asemenea comunicare TWI si SPI iar software-ul Arduino include librăria Wire pentru a simplifica comunicarea folosind protocolul TWI si librăria SPI pentru a simplifica comunicarea folosind protocolul SPI.

3.6.1.5 Programarea Arduino

Arduino Mega 2560 poate fi programat cu ajutorul mediului de programare Arduino care poate fi descărcat gratis de pe site-ul oficial.

ATmega2560 de pe placa Arduino Mega este livrat cu bootloader programat lucru care permite încărcarea de cod pe microcontroler fără a avea nevoie de hardware adițional. Acesta comunica folosind protocolul original STK500.

O alta metoda de programare care este mai dificila este aceea de a ocoli bootloader-ul si a programa microcontrolerul folosind pinii ICSP(In-Circuit Serial Programming).

De asemenea mediul de programare Arduino vine si cu o multitudine de exemple pentru a ajuta utilizatori.

Figura 3.33: Mediul de programare Arduino Figura 3.34: Exemple Arduino

3.6.1.6 Resetare Automata din Software

In loc sa fie nevoie de o apăsare a butonului de reset înainte de încărcarea unui program ,Arduino Mega 2560 este proiectat in așa mod încât acceptă sa fie resetat de un software care rulează pe calculatorul la care este conectat. ATmega8U2 este conectat pe linia de resetare a ATmega2560 printr-un condensator de 100 de nanofarazi. Când această conexiune este pusa in LOW, linia de reset stă destul de mult in LOW pentru a reseta cipul.

Acest lucru este folosit de software-ul Arduino pentru a permite încărcarea de cod doar prin apăsarea butonului încărcare in mediul de programare Arduino.

Atunci când un Arduino Mega 2560 este conectat la un computer care rulează un sistem de operare Mac sau Linux acesta se resetează de fiecare data când o conexiune este făcută.

3.6.1.7 Protecție pentru supracurent

Arduino Mega 2560 are o siguranță resetabilă care protejează portul USB de pe calculator de supra sarcina.

Deși majoritatea calculatoarelor au propriul circuit de protecție aceasta siguranță oferă un extra strat de protecție. Daca mai mult de 500mA trec prin portul USB siguranța întrerupe automat legătura și o tine întreruptă pana când supraîncărcarea este eliminată.

3.6.1.8 Caracteristici fizice si compatibilitate cu shield-uri

Dimensiunile maxime de lungime si lățime ale plăcii Arduino Mega 2560 sunt 10cm cu 5,25cm acestea incluzând conectorul USB și jack-ul de alimentare.

Placa este prevăzută cu slot-uri pentru a putea fi prinsa in șuruburi de o cutie sau de un suport.

Arduino Mega 2560 este proiecta in așa fel încât sa fie compatibil cu majoritatea shield-urilor destinate pentru Arduino Uno, Diecimila sau Duemilanove. Pinii digitali de la 0 la 13 plus următorii doi GND si AREF , intrările analogice de la 0 la 5 , pinii de alimentare si cei de ICSP sunt in aceleași poziții ca pe celelalte placi Arduino.

Comunicarea SPI este posibila prin pinii ICSP pentru shield-uri destinate Diecimila sau Duemilanove.

Acestea fiind spuse s-a ales folosirea unui microcontroler din clasa Arduino deoarece sun foarte flexibile si se pot integra ușor in orice sistem si de asemenea datorita faptului ca exista suport oferit de producători pentru dezvoltatorii de aplicații.