Sistemul de Siguranta Si Securitate al Autovehiculelor

Sistemul de siguranță și securitate al autovehiculelor

ANEXA 1

PAG LIBERA

PAG LIBERACuprins

PAG LIBERAListă de acronime

A

ABS – Anti-lock braking system

ABC- Active Body Control

ACC- Adaptive Cruise Control

ACU- Airbag Control Unit

ADC- Analog to Digital Converter

ALU- Arithmetic Logic Unit

B

BAS- Brake Assist System

C

CPU- Central Processing Unit

CISC- Complex Intruction Set Computer

D

E

ETC- Electronic Traction Control

ESP- Electronic Stability Program

EBD- Electronic Brakeforce Distribution

EEPROM-Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory

F

G

H

I

J

K

KNO3- Nitrat de potasiu

K2 – Oxid de potasiu

L

LDO- Low Dropout Regulator

M

MEMS- Sistem micro-electro-mecanic

N

NaN3- Azidă de sodiu

N2- Nitrogen

Na2O- Oxid de sodiu

O

P

PWM- Pulse Width Modulation

PCB- Printed Circuit Board

R

RISC- Reduced Instruction Set Computer 

S

SiO2 – Dioxid de siliciu

SNR- Signal Noise Ratio

SRAM- Static Random Access Memory

SMD- Surface Mount Device

T

U

USB- Universal Serial Bus

PAG LIBERA

INTRODUCERE

Lucrarea de față își propune să prezinte principalele aspecte teoretice și practice în legătura cu simularea uneia dintre cele mai importante funcții de siguranță și securitate a autovehiculelor și anume sistemul airbag. Astfеl acеastă lucrarе dеscriе pе larg blocurilе componеntе ale acestui sistem, furnizează toate informațiile necesare privind activitatea desfășurată, rolul major în cadrul unui autovehicul, precum și analiza atât a avantajelor cât și a dezavantajelor, în vederea obținerii unei ridicate performanțe și a unui avantaj concurențial durabil.

Siguranța, consider că este cel mai important aspect când vine vorba de cumpărarea unui nou autovehicul. Aceasta, nu este însă oferită de aspectul sau de costul unui autovehicul, ci de sistemele de securitate auto, fie cele deja existente pe piața sau cele nou dezvoltate.

Cu trecerea timpului vehiculele s-au remarcat mai ales prin progresele tehnologice și odată cu această evoluție s-a remarcat și o schimbare în ceea ce priveste atitudinea deținătorilor de autovehicule. Astfel vitezele mari au fost atinse precum și accidentele grave au cunoscut la rândul lor o evoluție în ultimii ani. Această schimbare i-a determinat pe producătorii de automobile, la rândul lor, să opteze pentru o schimbare, devenind tot mai mult preocupați de îmbunătățirea siguranței auto și prevenirea accidentelor de circulație. Nu se poate estima cu precizie cât de mult siguranța auto s-a îmbunătățit de-a lungul anilor, însă se remarcă o diminuare a accidentelor și a numarului de răniți.

Lucrarea de față va analiza fiecare dispozitiv de siguranță și securitate auto în parte, cum ar fi centurile de siguranță, sistemul de frânare, sistemul de control electronic al stabilității, sistemele antifurt, etc, argumentând cum anume au contribuit și încă contribuie la îmbunătățirea siguranței în trafic. Vor fi analizate și părțile negative ce determină ca aceste sisteme să fie la rândul lor o posibilă cauză ce pune în pericol viața participanților la traficul rutier. Pe lăngă aceste detalii, atât partea teoretică cât și partea practică se concentrează mai ales pe sistemul airbag, pe funcțiile acestuia, evoluție și performanțe. Astfel obiectivele studiului actual determină: cât de importantă este siguranța vehiculelor în procesul de achiziție, ce importanță acordă în general oamenii la introducerea pe piață a opțiunilor de securitate în raport cu alte caracteristici cum ar fi comoditatea și confortul. Prin urmare cuvântul cheie al acestei lucrări îl reprezintă “siguranța autovehiculului".

În mod similar, s-au tratat și aspectele de securitate, având la rândul lor o importanță deosebită, însă de multe ori fiind confundate cu metodele de siguranță. Cu toate acestea, în urma unor sondaje realizate de către companiile auto, participanții au clasat caracteristicile legate de siguranță (de exemplu, sistemele de frânare avansate, airbaguri pentru pasageri, etc.) ca fiind mai importante decât caracteristicile legate de securitate (de exemplu, sisteme de navigație traseu, aer condiționat, alarme, etc.).

În concluzie, ține de responsabilitatea tuturor șoferilor și pasagerilor să se informeze și să depună efortul necesar pentru siguranța acestora. Nu orice accident poate fi prevenit complet, dar orice participant la trafic poate să ia deciziile corecte, prin selectarea unui vehicul echipat corespunzător care să-i ofere gradul optim de siguranță și securitate.

Argumеntеlе adusе motivеază alegerea ca temă a acestui sistem și realizarea practică ce simulează comportarea acestuia.

CAPITOLUL 1. Concepte de bază

1.1 Generalități

Inaugurarea primului automobil „modern” a avut loc pe data de 29 ianuarie 1886 și a aparținut inginerului Carl Benz (1844-1929). Acesta a fost întemeietorul primului vehicul acționat de un motor cu ardere internă (este motorul care transformă energia chimică a combustibilului, în energie mecanică). Începând de la această dată, automobilele s-au schimbat radical, având o evoluție rapidă și semnificativă.

O zonă care s-a aflat încă de la început în centrul atenției producătorilor de vehicule a fost siguranța rutieră. Elementele de siguranță, cu care sunt dotate mașinile moderne sunt acum mult mai cuprinzătoare decât oricând. Unii consideră că această tendință provine de la introducerea de airbag-uri, care nu s-a realizat până cănd compania Ford Motor nu a început instalarea afectivă a acestora în anul 1970. De atunci numărul de autoturisme moderne echipate cu airbag-uri a crescut semnificant de mult, unele modele dispunând de caracteristici evoluate ale acestui sistem. De exemplu, compania Volvo, a mers mai departe prin introducerea unui airbag, ce se desfășoară pe exteriorul mașinii pentru a proteja și pietonii în cazul unui impact. Alte inovații care cu siguranță au dus la îmbunătățirea siguranței includ sistemul de frânare ABS (anti-lock braking system), introdus tot în anii 70 și sistemul de evitare a coliziunilor (Collision Braking System), proiectat cu ajutorul senzorilor de detectare a obstacolelor.

Un alt domeniu de dezvoltare pentru autoturisme, reprezintă tehnologia integrată. De la sisteme complexe de divertisment care susțin MP3-ul și USB-ul pentru navigație prin satelit încorporat, actualizări automate de trafic și dispozitive Bluetooth pentru a evita utilizarea telefonului în timpul condusului, mașinile sunt acum proiectate pentru a spori confortul atât a șoferilor cât și a pasagerilor. Toate aceste lucruri și nu numai vor fi prezentate detaliat in următoarele capitole.

Prin urmare, de-a lungul ultimilor 50 de ani, realizarea și cercetările automobilelor s-au dezvoltat cu scopul respectării mai multor criterii:

creșterea securității pasagerilor la evenimente nedorite

creșterea confortului pasagerilor

reducerea consumului de combustibil

creșterea puterii, precum și protejarea motorului

Toate aceste criterii descoperite și implementate ulterior pe autovehicule sunt bazate pe comenzi electrice, lucru ce a complicat tot mai mult sistemul electric (cablajul electric) al mașinii. Cablajul este mare consumator de cupru, fiind un material tot mai scump și implicit mare consumator de manoperă.

În ultimii ani, s-a remarcat o dezvoltare considerabilă a electronicii auto. La început erau doar circuitele electrice simple, ce erau bazate doar pe componente electronice discrete iar în prezent se remarcă circuitele electronice complexe, bazate pe microprocesoare, care practic asigură controlul „total” al funcționării unui autovehicul. Toate acestea au dus în final la creșterea gradului de confort, performanță și siguranță în utilizarea unui automobil.

1.2 Siguranța activă

În primul rând putem defini termenul de siguranță ca fiind principala caracteristică a unui vehicul. Nu contează atât de mult confortul pasagerilor pe cât contează siguranța acestora, întrucât orice participant pasiv sau activ la traficul rutier dorește deplasarea în condiții de siguranță cu un autovehicul, fără întâmplări neașteptate pe durata traiectoriei alese de conducător și fără accidente care să provoace rănirea acestora.

Exită două mari grupuri de măsuri care se iau în vederea creșterii gradului de siguranță rutieră: măsuri de securitate activă (se referă la sistemele de securitate care ajută la evitarea accidentelor) și măsuri de securitate pasivă (se referă la caracteristicile care ajută la reducerea efectelor unui accident). Această utilizare a termenilor este în esență asemănătoare cu termenii de siguranță primară și secundară care erau folosiți ulterior. 

Siguranța activă este tot mai mult folosită pentru a descrie sistemele, care practic oferă o înțelegere a stării vehiculului cu scopul evitării și minimizării efectelor unui accident. Acestea includ îmbunătățirea sistemelor de frânare, de semnalizare și de iluminare. Tot în cadrul măsurilor de siguranță activă se regăsește și perfecționarea unor parametrii, care influențează siguranța circulației, precum: capacitatea de a controla viteza de deplasare a autovehiculul, sistemul de control al stabilității, care interpretează semnalele de la diferiți senzori, sistemele de avertizare de coliziune/evitare/atenuare care sunt, de asemenea, considerate ca fiind sisteme de siguranță activă în acest context. În domeniul auto, sistemele sunt considerate active, în momentul când oferă un răspuns la o problemă de siguranță sau la un eveniment anormal. Cele mai importante sisteme care intră în categoria siguranței active, enumerate în ordinea cronologică, sunt următoarele:

Primul realizat a fost Anti-lock Braking System, cu abrevierea ABS. Este sistemul de antiblocare a roților în momentul frânării autovehiculului.  Acesta a fost introdus la mijlocul anilor 1980 de către firma Bosch , devenind un echipament “standard” pentru majoritatea vehiculelor. Sistemul permite controlul vehicului în timpul procesului de frânare, prevenind blocarea roților. Sistemul ABS utilizează senzori de viteză, în scopul determinării dacă una sau mai multe roți încearcă să se blocheze. Dacă o roată are tendința de blocare, o serie de valve hidraulice acționează, reducând frânarea de pe roata respectivă. Prin urmare existența acestuia previne derapajul și permite conducătorului auto menținerea direcției vehiculului în timpul frânării. Într-un recent studiu canadian, Asociația de Automobile, a supus unui sondaj 1700 de membrii. 66 % dintre aceștia au afirmat că sistemul ABS oferă stabilitate vehiculului în caz de urgență, iar 53% au declarat că ABS-ul permite șoferului să se orienteze și să controleze vehiculul în timpul frânării. De asemenea studiile realizate de-a lungul anilor au arătat că odată cu introducerea sistemului ABS au fost reduse numărul accidentelor de circulație cu 24%. Realizând o comparație cu sistemul de frânare convențional, avantajul major al ABS-ului este că la o frânare puternică, pe un carosabil alunecos, vehiculul este menținut pe direcția de mers.Acest lucru determină ca vehiculul să poată efectua viraje sau schimbări de direcție în timpul frânării pentru a evita un eventual accident.

Electronic Traction Control, cu abreviera ETC. Este sistemul de control al tracțiunii,cunoscut și sub denumirea de  ASR (Acceleration Slip Regulation) .Este un sistem de management electronic, care împiedică alunecarea roților în timpul accelerării. Aceste dispozitive au apărut în a doua jumătate a anilor 80, având o răspândire mai mare în decursul deceniului următor. În prezent toți producătorii le oferă fie ca standard sau ca accesoriu pentru toate gamele. Acesta poate fi considerat „un sistem ABS inversat”, deoarece utilizează aceiași senzori de viteză, dar față de ABS, sistemul de control al tracțiunii, lucrează în faza de accelerare a autovehiculului și permite o accelerare eficientă, oferindu-i conducătorului un bun control al autovehiculului.

Electronic Stability Program, cu abrevierea ESP . Este programul de control electronic al stabilității unui autovehicul. ESP este întotdeauna activ în timpul deplasării. Un microcomputer monitorizează semnalele de la senzorii ESP și verifică dacă direcția șoferului corespunde cu direcția actuală în care vehicului este în mișcare. Dacă autovehiculul se deplasează într-o direcție diferită, ESP este cel care detectează situația critică și reacționează imediat, independent de șofer. Se folosește sistemul de frânare al vehiculului de a “conduce” vehiculul pe drumul cel bun. O principală caracteristică a acestui sistem este senzorul de viteză. Acest senzor monitorizează mișcarea vehiculului în jurul axei sale verticale, comparând valoarea reală măsurată cu o valoarea de referință. Imediat ce autovehiculul se abate de la această linie ideală, sistemul ESP intervine oferind stabilitate și un bun control al acestuia.

Electronic Brakeforce Distribution cu abrevierea EBD. Este sistemul electronic de distribuire a forței de frânare. Una dintre cele mai de succes și recente îmbunătățiri ale sistemului ABS a fost sistemul electronic de distribuire a forței de frânare. EBD se bazează pe principiul că nu fiecare roată trebuie să depună același efort în procesul de oprire a mașinii și că greutatea susținută de roțile mașinii nu este distribuită uniform. Anumite roți transportă o încărcătură mai grea decât altele și vor necesita o forță de frânare mai mare pentru a aduce mașina la oprire.Un sistem EBD nu poate detecta doar cât de multă greutate este susținută de fiecare roată în parte, ci rolul acestuia este de a controla efectiv utilizarea și distribuirea mai mult sau mai puțin a presiunii de frânare la fiecare roată, în scopul asigurării unei opririi puternice, menținând totodată un control al vehiculului.

Brake Assist System, cu abrevierea BAS. Este sistemul de asistare la frânare. Studiile arată că aproape jumătate din conducători nu apasă repede sau suficient de puternic frâna în caz de urgență. BAS v-a detecta frânarea bruscă în special în funcție de forța de apăsare, care se aplică pe pedala de frână. Atunci când sistemul recunoaște frânarea bruscă, se va adăuga o presiune suplimentară pentru a frâna mai devreme și mai repede. Acele secunde critice pot însemna diferența dintre un accident și un traseu al șoferului realizat în siguranță.

Active Body Control, cu abrevierea ABC. Este sistemul de control activ al caroseriei. Este un produs realizat de Mercedes-Benz  și folosit pentru a descrie suspensia activă , care permite controlul mișcărilor vehiculului, eliminând astfel efectuarea mișcărilor bruște în situații precum viraje, accelerare și frânare bruscă.

Adaptive Cruise Control, cu abrevierea ACC. Este procesul adaptiv de navigație. Această nouă tehnologie a fost lansată de firma Mercedes în anul 1998 și folosește sistemul radar pentru a detecta viteza și distanța față de autovehiculul din față. Cruise controlul adaptiv este similar cu cruise controlul convențional, care menține viteza prestabilită a autovehiculului. Cu toate acestea, spre deosebire de controlul convențional, acest nou sistem poate ajusta automat viteza, dar și distanța până la vehiculul din față. Sistemul s-a dovedit foarte eficient, reducând coliziunile din spate de către un autovehicul echipat cu acest sistem.

Sistemul de semnalizare la părăsirea benzii (Lane Departure Warning). Această tehnologie ajută conducătorii auto prin simplul fapt ca îi avertizează atunci când se detectează că autovehiculul a părăsit banda prevăzută. Sistemul va recunoaște banda în care mașina se deplasează. În cazul în care conducătorul se abate într-un mod neintenționat de la banda de deplasare, sistemul va avertiza șoferul cu un avertisment vizual pe ecran și un semnal acustic. Acest lucru este posibil prin utilizarea camerelor instalate în partea din față sau din spate a vehiculului. Camera va recunoaște zonele albe cu care este marcată banda și totodată va analiza locația acestor zone albe de bandă, direcția de deplasare a mașinii și modalitatea de a conduce a șoferului și acționează când considera o schimbare a direcției neintenționată. În acel moment conducătorul auto este avertizat cu scopul de a reveni pe banda de condudere corespunzătoare.

Farurile adaptive sunt cele care se reglează într-o direcție orizontală prin utilizarea unor dispozitive suplimentare, în funcție de unghiul de direcție dar și de viteza automobilului. Farurile adaptive sunt un element activ de siguranță concepute pentru a face condusul pe timp de noapte sau în condiții de lumină scăzută mai sigur prin creșterea vizibilității în jurul unei curbe și în pante. Faruri standard luminează doar drept înainte, indiferent de direcția mașinii. Atunci când mașina se află în preajma unei curbe, ele iluminează doar marginea drumului. În schimb, farurile adaptive reacționează în funcție de direcție și viteză, ajustând automat iluminarea drumului. Când mașina va efectua o mișcare la dreapta, la rândul lor și farurile se vor intoarce cu un anumit unghi spre dreapta, luminând drumul.  Același lucru se întâmplă și pentru partea stângă. Acest lucru este important nu numai pentru șoferul mașinii echipate cu farurile adaptive, dar și pentru mașinile din sens opus. Lumina farurilor din sens opus poate cauza probleme grave de vizibilitate. Deoarece farurile adaptive sunt îndreptate către drum, aceste probleme de vizibilitate sunt eliminate.

Sistemul de faruri adaptive este format din mai multe subcomponente, care sunt monitorizate și controlate de o unitate de control electronic (ECU) . Celelalte subcomponente sunt:

senzori de viteză a roții care monitorizează viteza de rotație a fiecărei roți

un senzor de mișcare care urmărește mișcarea unui vehicul de-o parte în alta, de exemplu, la efectuarea unui viraj

un senzor de intrare de direcție care monitorizează unghiul volanului

mici motoare atașate la fiecare far

Datele de la senzori sunt interpretate de ECU, care determină apoi viteza vehiculului, unghiul de rotire și lungimea curbei. ECU direcționează motoarele atașate fiecarui far, pentru a direcționa fasciculul de lumină conform unghiului specificat de ECU. Cele mai multe sisteme de faruri adaptive por roti farurile cu până la 15 de grade pe fiecare parte.

Cele mai multe setari ale farurilor adaptive includ, de asemenea un sistem de auto-ajustare. Acest sistem ajută la prevenirea situației ca farurile să se rotească prea mult în sus sau în jos. Un sistem de auto-ajustare include un senzor de nivel care trimite informații la ECU cu privire la poziția vehiculului, în special dacă acesta este înclinat înainte sau înapoi.  Farurile sunt apoi mutate în sus sau în jos pentru a corecta pentru poziționarea vehiculului.

Farurile adaptive au apărut pe piața nord-americană din anul 2003. Acestea sunt, în prezent, oferite ca o caracteristică opțională pentru mașinile de lux.

Făcând o comparație cu schimbările aduse vehiculelor de-a lungul timpului, s-a ajuns la concluzia că trebuie făcute anumite cercetări pentru perfecționarea acestora cât și pentru dezvoltarea unor tehnologii noi. Cele ar avea șanse destul de mari să apară pe piața auto sunt următoarele:

Sistemele ce atenționează șoferii în momentul depășirii benzii pe direcția de mers, cunoscute și sub denumirea originală de “Lane Departure Warning”.

Sistemul de frânare, de data aceasta urmărindu-se comanda electronică a acestuia.

Sistemul de recunoaștere a condițiilor meteorologice și a mediului în care se deplasează autovehiculul.

Sistemul de direcție și de atenționare a schimbării direcției de mers cu comandă electronică.

– Sistemul de conducere neasistată a vehiculului sau conceptul de mașină autonomă .

1.3 Siguranța pasivă

Măsurile de siguranță pasivă sunt cele care ajută la protejarea ocupanților unui vehicul, având ca scop diminuarea sau chiar eliminarea tuturor factorilor ce determină accidentele de circulație. Funcția principală a acestor măsuri pasive este de a asigurara protecția atât a ocupanților autovehiculului, cât și a celorlalți participanți la traficul rutier.

Vehiculele moderne conțin ceea ce inginerii uneori numesc “spațiu de viață”. Acest spațiu de viață este o arie protejată în jurul ocupanților vehiculului în care șansele de a scăpa în urma unui accident cu leziuni minime sunt mult mai mari. Protecția pasagerilor în toate tipurile de impact se obține prin construirea corectă a unui astfel de spațiu, realizată dintr-un ansamblu de forme închise. Acest mod de realizare a unui vehicul asigură în primul rând un spațiu de supraviețuire în cazul unui impact pentru toți pasagerii din autovehicul și în al doilea rând acest spațiu să preia energia în momentul coliziunii și să distribuie aceste forțe de impact înainte de a ajunge la pasageri.

În mod similar, centurile de siguranță, airbag-urile, precum și tetierele ajută la menținerea șoferului și pasagerilor staționari în spațiul vehiculului. Mai mult decât atât, inclusiv aceste obiecte trebuie realizate corespunzător, astfel încât să nu producă rănirea ocupanților în cazul unei ciocniri. De asemenea, pe lângă cele trei măsuri pasive menționate, la acestea se adaugă și parbrizul, care trebuie să absoarbă din energia rezultată în urma impactului, evitând provocarea unor răni grave. În cazul unui astfel de impact, in mod ideal, parbrizul trebuie să se spargă în exteriorul mașinii și nu în interior în cioburi, care la rândul lor pot reprezenta o sursă de rănire. Zona din exteriorul autovehiculului, este cazul în care leziunile cele mai severe se produc. De exemplu, dacă un șofer implicat într-un accident nu poartă centura de siguranță, el poate fi proiectat în afara spațiului de viață a vehiculului, lovind parbrizul sau alte părți ale vehiculului. 

Prin urmare, în ciuda clasificării acestor caracteristici ca „pasive”, ele sunt extrem de importante atunci cand vine vorba de reducerea severității leziunilor în caz de accident. De exemplu, în multe modele noi, airbag-uri nu se umflă doar frontal, ci apar și de-a lungul poziției laterale a pasagerilor și chiar în jurul genunchilor. Centurile avansate sunt de asemenea disponibile și care pot modera cantitatea de tensiune preluată de corpul unei persoane. Chiar tetiere pot include tehnologie de siguranță pasivă, pentru a reduce riscul de lovituri puternice a capului.

Figura 1.1- Evoluția siguranței autovehiculului prin introducerea sistemelor de siguranță active și pasive [1]

[1] http://www.auto-form.ro/info/siguran-ta-activ-a-a-autovehiculelor.html

1.4 Securitatea autovehiculelor

Automobile moderne sunt din ce în ce mai mult bazate pe controlul computerizat, având multe componente supuse controlului parțial sau în totalitate de computere și de rețea, atât intern cât și extern.  Această arhitectură este un început pentru progrese semnificative în siguranță (de exemplu, ABS, airbag), eficiența consumului de combustibil, confort și securitate. Cu toate acestea, creșterea informatizarea creează, de asemenea, noi riscuri care trebuie abordate.

Dacă sistemele de siguranță sunt menite să protejeze pasagerii unui autovehicul și să ajute șoferul să mențină un control mai bun al mașinii pentru evitarea accidentelor, sistemele de securitate protejează mașina în sine, deoarece aproape întotdeauna a reprezentat mai una dintre cele mai ușoare ținte pentru intențiile hoților. Prin urmare, principalul obiectiv al unui sistem de securitate auto este ajutorul oferit pentru a preveni furtul și intrarea neautorizată.

  Există trei tipuri de bază de sisteme de securitate auto disponibile.

Sistem de securitate auto sonor – este dispozitivul, care inclusiv în situația în care mașina este oprită, permite sesizarea oricărei prezențe străine sau neautorizate în raza de acțiune din jurul mașinii.  Alerta acestui sistem de securitate auto este semnalizată printr-un zgomot foarte puternic. Unele modele de mașină includ sisteme sonore cu voce computerizată care semnalizează un potențial hoț cu scopul de a-l îndepărta de vehicul. Alte modele, la detectarea prezenței străine pot declanșa claxonul mașinii.  Cu toate acestea există multe tipuri de autovehicule, care sunt foarte sensibile la mișcare în imediata apropiere sau în jurul lor, însă această sensibilitate poate fi ajustată la diferite nivele.

  Sistemul de securitate auto, care nu se aude – după cum îi precizează și numele este unul dintre sistemele de siguranță auto care semnalizează prezența, însă nu printr-un semnal sonor. O alertă este trimisă proprietarului vehiculului cu ajutorul telefonului mobil prin intermediul unui SMS sau alt dispozitiv de mesaje programat în sistemul de securitate. Deși pare mai rapid și mai puțin zgomotos, acest sistem de securitate are un mare dezavantaj, deoarece intrusul nu este avertizat. Prin urmare nefiind inclusiv persoana străină că vehiculul dispune de sistem de securitate, există riscul ca până la ajungerea propietarului la vehicul, acesta să fi fost deja deteriorat, conținutul furat sau mai rău însăși mașina furată.

  Sistemul de securitate auto computerizat  – reprezintă dispozitivul care este controlat de un program computerizat în care sistemul poate funcționa chiar și în situația în care autovehiculul este oprit. Acesta previne probabilitatea ca mașina fie pornită fără autorizație cu ajutorul unui program de identificare a propietarului mașinii special codat numeric și conceput astfel încât să ofere gradul optim de securitate auto. În general, deși este cel mai costisitor, este probabil sistemul cel mai sigur antifurt, comparativ cu celelalte care sunt disponibile. Pe de altă parte, întâlnim dezavantaje și la acest tip de dispozitiv. Există comunități de programatori, care cunosc această modalitate de securitate asistată de calculator și este în mare măsură familiarizată cu sistemele informatice auto, funcționalitatea pe care le oferă, precum și rețelele pe care le folosesc intern. Aceasta a fost, probabil, o situație rezonabilă atunci când sistemele de automobile erau simple și aveau conectivitate limitată.  Cu toate acestea, noile tendințele în care automobilele moderne devin tot mai computerizate, sugerează că, în viitor, ar putea exista oportunități de creștere a numărului de persoane neautorizate (atacatorilor) să acceseze și manipuleze calculatoarele interne a autovehiculului.

CAPITOLUL 2. Sistemul airbag

2.1 Istoric

Primele airbag-urile au apărut în anul 1953 și au fost create cu scopul de a proteja pasagerii mașinii în cazul accidentelor severe. Ideea implementării acestui sistem a luat naștere în urma unui accident de mașină suferit de John W. Hetrick, un inginer nord-american, în Pennsylvania în anul 1952. Acesta s-a gandit ce atribuții suplimentare ar trebuii să aducă vehiculului, astfel încât să asigure protecția necesară în caz de accident. Proiectul lui Hetrick s-a bazat pe folosirea unei pânze gonflabile. În 1953, el a declarat: „Această invenție face referire la un ansamblu ce se rezumă la utilizarea unei perne gonflabile, adaptată pentru a fi montată în compartimentul pentru pasageri al unui vehicul și comandată să fie umflată automat la încetinirea bruscă a mișcării înainte a vehiculului”. Tehnologia inițială a fost destul de simplă, compusă dintr-un acumulator de aer, pernă gonflabilă și o supapă de eliberare. Și Walter Linderer , practic i-a continuat ideea, inventând un mecanism asemănător, în anul 1953, dar pe bază de aer, ce urma să umfle perna. Aerul însă s-a dovedit insuficient de potrivit pentru a umfla într-un timp cât mai scurt perna. Pentru a obține performanțe în cadrul acestui proiect, trebuia folosit un gaz special pentru acest lucru.

Fig 2.1 Prima schemă realizată de John W. Hetrick pentru airbag

[2] http://ae-plus.com/milestones/john-hetrick-inventor-of-the-airbag

Încercarea de a continua acest proiect s-a realizat în anul 1950 de către Ford, care la rândul său s-a arătat dornic să implementeze un sistem pentru protecția tuturor participanților la traficul rutier. Dificultățile cu care însă s-a confruntat au fost senzorii necesari pentru realizarea airbag-ului și durata de umflare a acestuia, care trebuia să fie destul de rapidă (40 milisecunde). Astfel că 10 ani mai târziu, inginerul Allen K. Breed, este cel care inventează primii senzori de viteză performanți și astfel din acel moment s-a putut începe oficial producția de airbag-uri.

Primul automobil introdus pe piață și echipat cu sistemul airbag, a fost în anul 1973, de către General Motors și numit „Oldsmobile Toronado”.Nici Mercedes-Benz nu se lasă mai prejos, realizând la rândul lor cercetările pentru îmbunătățirea airbag-ului sub îndrumarea profesorului Guntram Huber.

O inovație a acestui sistem apare în anul 1987 și a fost realizat de Porsche. Aceasta a constituit prima mașină dotată cu airbag-uri pentru pasagerii aflați în față.Ulterior Volvo se remarcă prin faptul că implementează pe mașinile noi airbag-urile laterale atât pentru pasagerii din față cât și pentru cei din spate. Kia la rândul său se face remarcată prin noul model de airbag pentru genunchi.

Ultima inovație ce vine din partea modelelor Mercedes-Benz, a fost în anul 2002. Aceștia se remarcă prin cel mai evoluat model de airbag, ce includea senzorii de viteză performanți, care anticipau o eventuală coliziune și pregăteau din timp mașina pentru un impact sever. Airbag-urile nu au fost dezvoltate numai pentru mașini, întrucât în anul 2006, Toyota introduce primul airbag-ul pentru motociclete.

2.2 Noțiuni teoretice

De-a lungul anilor, producătorii de autoturisme au fost cei care au căutat și continuă să caute noi metode care să ducă la îmbunătățirea siguranței active și pasive a pasagerilor autovehiculelor. Dintre aceste metode, cea mai mare importanță se acordată dezvoltării și perfecționării mai ales a airbag-urilor.

Cu mult timp în urmă, înainte de apariția airbag-urilor, singurul mijloc de protecție în cazul unui accident a fost centura de siguranță. Deși la început,au existat discuții și îndoieli asupra eficienței și utilității introducerii centurilor de siguranță, în prezent folosirea acestora este acceptată de majoritatea conducătorilor autovehiculelor și chiar impusă de legile naționale de reglementare a circulației rutiere.

Deși centura de siguranță a reprezentat o inovație la vremea respectivă, reușind să reducă destul de mult numărul victimelor accidentelor rutiere, s-a dorit introducerea unor metode și mai eficiente de protecție în caz de un accident mai sever. Această metodă s-a numit airbag și de atunci numărul oamenilor implicați în accidente a scăzut considerabil.

Așa cum am precizat în subcapitolul anterior, construirea airbag-urilor s-a realizat cu mulți ani în urmă. Ideea de bază care a constituit începutul acestei noi tehnologii a fost utilizarea unui recipient ce conținea gaz sub presiune. Acest gaz, în momentul impactului, era eliberat, ducând la umflarea airbag-ului. Ca orice alt sistem nou apărut la vremea respectivă, s-a pus problema și de existența diferitelor complicații ce pot să apară. Problemele cuprindeau mai multe criterii și anume menținerea pernei de gaz umflată pe o perioadă mai mare de timp, iar dezumflarea acesteia să se realizeze treptat, cum anume se comportă gazul la schimbări bruște de temperatură și cum poate fi redus zgomotul puternic produs în momentul declanșării airbag-ului.

Până acum s-au urmărit rezolvarea acestor probleme, dezvoltându-se diferite variante pentru optimizarea acestui sistem. Dintre aceste variante nu toate au ajuns, însă, să se remarce pe piața autovehiculelor. În primul rând se pune problema costului ridicat al componentelor necesare în realizarea acestui sistem. În al doilea rând unele airbag-uri nu se dovedeau eficiente pe întreaga durată de viață a autoturismelor, prin simplul fapt că reprezentau chiar ele pericole la adresa pasagerilor.

Cum am menționat în subcapitolul anterior primele airbag-uri au apărut prin anul 1953. Începând cu anul 1998 aproape toate autoturismele de pe piață au fost dotate cu airbag-uri frontale pentru șofer ca și sistem standard. În urma introducerii airbag-urilor studiile au arătat că, în medie, numărul victimelor cauzate de accidente de circulație s-a redus cu aproape 30%. Airbag-urile frontale, au reprezentat primul tip de airbag-uri produs, dar nu reprezintă însă singura variantă existentă. Un exemplu ar fi airbag-urile cortină, care așa cum le spune și numele, activitatea lor se desfășoară în zona superioară a carosieriei, se umflă și ulterior coboară până la nivelul ușii protejând în special zona capului fiecărui pasager. Există și airbag-uri laterale,care de obicei sunt montate în scaunul pasagerilor pentru a oferi protecție în caz de impact lateral.

2.3 Principii de bază in funcționarea airbag-ului

Principiul inerției este unul dintre principiile fundamentale ale fizicii clasice folosit pentru a descrie mișcarea obiectelor . Asupra tuturor obiectelor aflate în mișcare acționează forța de inerției. Aceasta în absența altor forțe care să acționeze asupra obiectelor respective, le face să se miște în continuare cu aceeași viteză și pe aceeași direcție. Putem spune că aceste legi se aplică atât mașinilor cât și pasagerilor. În cazul unui impact care tinde să oprească brusc mașina, inerția face ca obiectele din interiorul mașinii să se miște în continuare cu aceeași viteză și pe direcția de deplasare inițială. Dacă obiectele respective nu sunt oprite, prin diferite metode, acestea vor continua să se miște cu viteza la care se deplasa mașina în momentul impactului, ducând la rănirea pasagerilor. Prin urmare pentru a opri un obiect aflat în mișcare este nevoie de o anumită forță care să acționeze asupra acestuia cu o anumită intensitate și pe o anumită direcție.

Airbag-urile proiectate pentru a respecta pricipiul inerției, reducând, în momentul impactului, viteza de mișcare a pasagerilor până la zero fără a produce răni sau lovituri suplimentare. S-a reușit implementarea unui astfel de sistem care oferă protecție având la dispoziție o durată de timp foarte mică și o zonă de acțiune la fel de mică. Practic, când spunem zonă de acțiune mică ne referim la spațiul dintre volan și șofer și timp de ordinul secundelor. Din punct de vedere constructiv, un airbag este compus din 3 părți distincte: punga de aer, senzorul de impact și sistemul de umflare al airbag-ului

Design-ul este conceptual simplu, o "unitate de control airbag" (ACU) monitorizează un număr de senzori din cadrul vehiculului, inclusiv accelerometre, senzori de impact, senzori de viteză a roții, senzori de presiune de frânare și senzori de ocupare a scaunelor. Când a fost atinsă sau depășită limita impusă de acești senzori, unitatea de control airbag va declanșa aprinderea unui propulsor generator de gaz pentru umflarea rapidă a un săculeț de pânză. Acest săculeț este punga de aer propiu-zisă, specifică airbag-ului, formată din nylon subțire și împachetată cât să intre în zona din interiorul volanului, în panoul de bord sau în scaun.

Senzorul de impact este următoarea componentă importantă, fiind dispozitivul care practic dă comanda de umflare a airbag-ului în anumite condiții de coliziune. Acesta este poziționat de obicei în bara de proțectie frontală a mașinii. În general condițiile de declanșare a unui airbag trebuie să fie bine puse la punct, întrucât în cazul unui impact ușor, care nu ar reprezenta un pericol pentru pasageri, acesta nu ar trebuii să fie programat să se umfle. Senzorul trebuie să fie programat pentru a declanșa airbag-ul la coliziuni cu obiecte masive și la viteze de cel puțin 20 km/h. Senzorul menționat anterior este de fapt un accelerometru MEMS (Sistem micro-electro-mecanic). Acesta este un circuit integrat de dimensiuni mici, având ca părți componente, elemente micro-mecanice. Aceste elementele micro-mecanice se mișcă ca răspuns la decelerarea rapidă, iar mișcarea lor cauzează o modificare în capacitanță. Modificarea este detectată de partea electronică a cipului, care trimite în final semnalul de declanșare a airbagului. Cel mai întâlnit accelerometru MEMS este ADXL-50, produs de Analog Devices. Cu alte cuvinte accelerometrul este cel care sesizează reducerea bruscă de viteză și în cazul în care simte un impact la viteză mai mare de 20 km/h, se dă comanda umflării airbag-ului.

Sistemul de umflare al airbag-ului trebuie să se declanșeze rapid, deoarece pentru a putea oferi protecție, airbagul trebuie să fie umflat pe deplin în momentul impactului. De obicei, decizia de acțiune a unui airbag într-un accident frontal este făcută în 15 la 30 de milisecunde de la debutul accidentului și airbag-ul atât a șoferului cât și a pasagerului trebuie să fie umflat complet în aproximativ 60-80 milisecunde după primul moment de contact al vehiculului. Dacă un airbag este declanșat prea târziu sau prea încet, riscul de rănire a ocupanților la contactul cu airbag-ul aflat în procesul de umflare poate crește. Mai mult decât atât, de obicei distanța dintre pasager și panoul de instrumente este mai mare, și tocmai din acest motiv airbag-ul pasagerului trebuie să fie mai mare și să necesite mai mult gaz pentru a se umfla. 

În interiorul airbag-ului se regăsește un generator de gaz care conține un amestec de NaN3 (azidă de sodiu), KNO3 (nitrat de potasiu) și SiO2 (dioxid de siliciu). Semnalul de la senzorul de decelerare este cel care “aprinde” amestecul generator de gaz în caz de coliziune. Astfel se vor crea condiții de temperatură mare necesară pentru azida de sodiu să se descompună la 300 ° C. Acest lucru provoacă o explozie lentă, care eliberează un volum de N2 (nitrogen), gaz care umple sacul de aer.

(1) 2 NaN3 → 2 Na + 3 N2 (g)

Prima reacție este descompunerea NaN3 în condiții de temperatură cu ajutorul unui impuls electric. Acest impuls se generează la 300 ° C , temperatură necesară pentru descompunerea NaN3 care produce Na metalic și gaz de N2.  Deoarece Na din această relație este metalic, reacția cu KNO3 și SiO2 este utilă în eliminarea acestui efect și producerea de N2 în stare gazoasă.

(2) 10 Na + 2 KNO3 → K2O + 5 Na2O + N2 (g)

Scopul KNO3 și SiO 2 este de a elimina metalul de sodiu (care este extrem de reactiv și potențial exploziv).  Mai întâi, sodiul reacționează cu azotat de potasiu (KNO3 ) pentru a produce oxid de potasiu (KO), oxid de sodiu (Na2O) și adițional N2 gaz. Din această reacție rezultă azot sub formă gazoasă, care dat fiind faptul că se regăsește în stare caldă, umflă rapid punga de aer.

(3) K2O + 2 SiO2 + Na2O → K2O3Si + Na2O3Si (silicat alcalin-sticlă)

În cele din urmă oxizii metalici reacționează cu dioxidul de siliciu (SiO2 ) într-o reacție finală ce produce sticlă silicat, care este inofensivă și stabilă. Oxizii metalici rezultați în urma acestor reacții, cum ar fi Na2O și K2O sunt foarte reactivi, așa că ar fi nesigur ca aceștia să fie produsul final al exploziei de airbag.

În urma acestui proces airbag-ul practic sare din locul în care se află cu o viteză de aproape 250 km/h. Cu toate acestea, punga de aer nu ar trebui să rămână umflată mai mult de câteva secunde, pentru a putea permite tuturor pasagerilor să se miște și să iasă din mașină în cazul unui accident. În momentul în care ocupantul vehiculului se ciocnește cu punga de aer, gazul scapă într-o manieră controlată prin orificii mici de aerisire, deoarece airbag-ul dispune de mii de găuri. Aceste găuri sunt mici cât să-i permită gazului să stea în interiorul pungii de aer, menținând-o umflată corespunzător la începutul procesului și totuși mari cât să lase apoi gazul să iasă afară încet și să permită pungii de aer să se dezumfle în trepte. Volumul airbag-ului și dimensiunea acestuia sunt adaptate în funcție de fiecăre tip de vehicul.

Fig 2.2 Componente Airbag [2]

[3]: https://autotehnic.wordpress.com

Prin urmare avantajul major al airbag-ului este faptul că acesta se dezumflă automat și rapid, evitând sufocarea șoferului sau a călătorilor, contactul pasagerilor cu diferite obiecte aflate în interiorul mașinii și nu restricționează libera mișcare a pasagerilor după un accident. Excepție regăsim în cazul accidentelor de răsturnare, care sunt evenimente mai lungi și mai severe decât accidentele frontale sau cele laterale, unde pungile de aer sunt concepute pentru a rămâne umflate mai mult și deci pentru a asigura protecția în caz de răsturnare.

Substanța de amidon sub formă de pulbere sau pudră de talc, eliberată atunci când unele airbag-ul declanșează, poate conține inițial cantități mici de hidroxid de sodiu, ceea ce poate provoca unele iritații minore temporar la nivelul ochilor ocupantului sau pe gât. Rolul acestei substanțe este de a menține airbag-ului în stare bună de funcționare un timp îndelungat.

Cea mai mare problemă cu care s-au confruntat inginerii a fost pe lângă timpul optim de declanșare a airbag-urilor, care în mod normal ar trebui să dureze aproximativ un sfert de secundă, indiferent de locul în care este amplasat airbag-ul și de natura accidentului, reutilizarea acestuia. Airbag-ul nu poate fi reutilizat, fiind o restricție de siguranță de unică folosință. Pentru a asigura protecția continuă a ocupanților, airbag-urile folosite trebuie înlocuite fără întârziere la un centru de reparații autorizat înainte ca vehiculul să fie condus din nou.

La anumite modele de mașini, airbagurile se pot declanșa de două ori, în cazul unor tamponări consecutive, după cum urmează: întâi se declanșează, după care se dezumflă, iar apoi se umflă din nou la al doilea impact. În acest gradul de protecție menit să-l ofere airbag-ul pasagerilor se reduce, întrucât perna de aer la al doilea impact nu se mai umfla corespunzător, timpul de acționare, de asemnea crește.

Dacă analizăm din punct de vedere fizic modul de declanșare a unui airbag, se pot identifica următoarele categorii de mărimi:

mărimi de intrare: forța de impact

mărime de comandă: semnalul transmis de către senzor spre unitatea de control

mărimi de stare: poziția scaunului, aplicarea centurii de siguranță

mărimi de ieșire: viteza de declanșare a airbagului

mărimi perturbatoare: neregularități ale carosabilului

Schema bloc

Figura 2.4 Schemă bloc sistem airbag

[4]: http://www.infineon.com/cms/en/applications/automotive/safety/airbag-restraint/

Descriere:

IGN- este tensiunea de alimentare

Dioda redresoare- asigură protecția la tensiune inversă

Dioda Zenner- realizează protecția la supratensiune

Voltage Regulator- regulator de tensiune, pentru stabilizarea tensiunii din circuit

Partea centrală este compusă din microcontroller și convertor analog-numeric (ADC)

Crash Sensor-senzor de impact, care transformă tensiunea provenită de la impact în semnal electric

Amplifier- amplificator operațional, care amplifică semnalul electric provenit de la senzorul de impact

Convertorul analog-numeric (ADC), convertește semnalul electric amplificat primit, în două semnale de comandă pentru cele două blocuri cu caracter de interfațare, ce realizează interfațarea cu blocul declanșator (Igniter)

Squib Driver= bloc la nivelul căruia se generează gazul necesar umplerii airbagului

2.4 Utilizarea adecvată a airbag-urilor

Mulți producători de mașini recomandă ca airbag-urile să fie folosite împreună cu centura de siguranță. De exemplu, autoturismele din Japonia echipate cu airbag-uri se numesc SRS (Sistem de reținere suplimentar) și sunt utilizate în combinație cu centurile de siguranță pentru a îndeplini într-un mod corespunzător funcțiile ambelor sisteme în cazul unui impact. Utilizarea celor două împreună este esențială mai ales în cazul impactului lateral, când în absența unui airbag lateral, pasagerii nu mai sunt protejați. La unele modele de mașini, airbag-urile pot fi programate să se activeze numai în cazul în care centura de siguranță este utilizată, deoarece numai folosite împreuna, aceste sisteme ajută semnificativ la protejarea ocupanților unui autoturism.

Ulterior s-a constatat că însuși airbag-ul poate avea anumite defecte și poate produce diverse leziuni. Pungile de aer care sunt în prezent utilizate în Japonia sunt proiectate să se umfle la coliziuni frontale, în conformitate cu condițiile definite de către constructor, cu scopul de a suplimenta performanța centurii, pentru a preveni orice leziuni gravă la adresa ocupantului. Prin urmare, anumite tipuri de airbag, cu care sunt echipate în general mașinile tradiționale, nu se pot umfla în funcție de unghiul de coliziune, viteza de coliziune sau natura coliziunii. Pe de altă parte, astfel de airbag-uri se pot umfla chiar dacă nu există nici un fel de coliziune, cum ar fi cazuri în care vehiculele lovesc o bordură sau în orice caz un alt obstacol de dimensiuni mici, cu care impactul nu ar pune în pericol viața pasagerilor.  

Prin urmare, airbag-urile nu sunt pe deplin eficiente dacă centurile nu sunt purtate corect. Rata mortalității a fost de aproximativ 15 ori mai mare, atunci când punga de aer s-a activat în timp ce centurile de siguranță nu au fost utilizate.

Un alt efect secundar, pe care îl poate avea airbag-ul este zona din cadrul vehiculului unde acest sistem acționează. Zona de siguranță se află aproximativ la 25 cm de raza de acțiune a unui airbag. Pentru siguranța oricărui pasager, se pune accent foarte mult pe poziția volanului, a scaunului și se recomandă ca airbag-ul din volan să fie îndreptat spre zona toracică a șoferului și nu spre capul acestuia. În cazul în care pasagerii sunt copiii, situația se schimbă, deoarece însuși airbag-ul proiectat să ofere siguranță, poate constitui un pericol pentru aceștia. Pentru copiii anumite reguli de siguranță a fost impuse și anume: acei copiii cu varste de până îm 12 ani au dreptul să călătorească numai pe banchetă din spate și să poarte centura de siguranță.

Orice eroare a sistemului airbag este pe panoul de bord a mașinii. În funcție de caracteristicile și tipul de model de autovehicul regăsim două situații. O primă situație ar fi că airbag-ul este posibil să nu funcționeze deloc cât timp eroarea este prezentă și semnalizată în bord sau există modele unde airbag-ul e proiectat să funcționeze chiar și în condițiile unei erori, însă într-un mod puțin diferit, în sensul că se vor declanșa toate airbag-urile indiferent de zona de impact sau de gravitatea impactului.

Una din cele mai des întâlnite erori la sistemul airbag este cea în cazul în care se curăță mașina în interior, iar pentru usurință, scaunele, în special cele din față, au fost modificate față de poziția initială. În astfel de situații, deplasarea scaunelor poate să efecteze firele care conectează airbag-ul din scaun la sistemul electric al mașinii și acest lucru să genereze o eroare în declanșarea acestuia.

2.5 Timpul de reacție și comportamentul gazului

Ultimul aspect ce trebuie analizat pentru buna funcționare a unui airbag îl reprezintă timpul de declanșare. Niciun mecanism ce compune sistemul airbag nu trebuie să funcționeze în mod întâmplător. Toate componentele acestui sistem trebuie să lucreze sincronizat, corect și conform specificațiilor tehnice ale fiecărei mașini.

Figura 2.5 Forma tipică a unei curbe de impact

[5]: Sursa: http://www.infobazar.ro/auto/Airbag-ul

Figura 2.5 prezintă forma de undă, rezultată în urma unui impact a unei mașini cu viteza de 50 km/h cu o barieră de beton. După cum se observă forma de undă are o durată destul de mică de aproximativ 0.1 secunde. Ce este marcat pe figură cu negru reprezintă momentul în care airbag-ul primește comanda pentru umflare. Orice întârziere a acestui moment, precum și deschiderea prematură poate produce răni grave ocupanților mașinii. Prin urmare acest sistem are la dispoziție un timp foarte scurt de acționare și orice nerespectare, fie și o mica întârziere poate reprezenta un moment critic pentru orice participant la traficul rutier.

Până acum, s-au luat în considerare doar proprietățile macroscopice (de exemplu: propietățile de presiune și de temperatură). Trebuie exemplificat un model teoretic pentru a explica aceste proprietăți macroscopice în ceea ce privește comportamentul moleculelor de gaz. Teoria cinetică a gazelor presupune că gazele sunt ideale, adică interacțiunile între molecule și mărimea moleculelor este neglijabilă în comparație cu spațiul liber dintre acestea.

O relație importantă derivată din teoria cinetică a gazelor arată că energia cinetică medie a moleculelor de gaz depinde numai de temperatură. Deoarece energia cinetică medie este legată de viteza medie a moleculelor (E K = m*u 2 / 2, unde m = masa și u este viteza medie), temperatura a unui eșantion de gaz trebuie să fie legată de viteza medie la care moleculele se mișcă. Astfel, putem vedea temperatura ca o măsură a mișcării aleatoare a particulelor, definită de vitezele moleculare.

Din teoria cinetică a gazelor această temperatură este legată de  viteza moleculelor. Astfel există o distribuție tipică de viteze moleculare pentru molecule cu o greutate moleculară pronunțată la o temperatură dată, cunoscut sub distribuția Maxwell-Boltzmann.

Figura 2.6 Distribuția Maxwell-Boltzmann

[6]: http://www.chemistry.wustl.edu/

Așa cum se arată de către distribuțiile Maxwell-Boltzmann din figura 2.6, există foarte puține molecule care călătoresc la viteze foarte mici sau foarte mari. Valoarea maximă a distribuției Maxwell-Boltzmann este o viteză intermediară la care cea mai mare parte din numărul de molecule se deplasează. Pe măsură ce temperatura crește, numărul de molecule care călătoresc la viteze mari crește, iar vitezele devin mai uniform distribuite (curba se lărgește). Un exemplu util al unei viteze tipice în distribuția Maxwell-Boltzmann este rădăcina medie pătrată ( RMS ), care depinde de temperatură și greutatea moleculară a gazului conform formulei:

unde R este constanta gazului în J / molK (R = 8.3145 J / mol · K), T este temperatura în K, iar M este masa moleculară în kg / mol.

Așa cum se observă în figura 2.6, există o curbă unică de distribuție pentru fiecare temperatură. Temperatura este definită printr-un sistem de molecule gazoase. Distribuirea lor în funcție de viteză este o distribuție Maxwell-Boltzmann. Orice alt tip de distribuție de viteză devine rapid o distribuție Maxwell-Boltzmann prin coliziunile de molecule, care transferă energie. Odată ce această distribuție se realizează, despre sistem se spune ca este la echilibru termic și deci e caracterizat de o temperatură. Astfel se vor crea condiții de temperatură mare necesară pentru a determina explozia de gaz ce umple sacul de aer.

2.6 Tipuri de airbag

2.6.1 Airbag-urile frontale

Sunt cele mai comune și simple tipuri de airbag-uri folosite pentru orice model de vehicul. Locul unde acestea se montează de obicei, pentru șoferi, este în locașul din interiorul volanului, în timp ce pentru pasagerul din dreapta, airbag-ul se regăsește în bordul mașinii. Multe mașini noi vin dotate cu un senzor de greutate pentru scaunul pasagerului din față care să prevină declanșarea airbagul frontal în cazul în care un copil stă în față. Pentru mașinile mai vechi, fără senzor de greutate, forța airbag-ului poate provoca leziuni copiilor. 

Figura 2.6.1 Airbag-uri frontale

[7]: http://www.toyota.com.au/

2.6.2 Airbag-urile laterale

Dupa cum îi spune și numele airbag-ul lateral protejează pasagerul mașinii de un impact puternic lateral. Mașinile moderne oferă, în general două tipuri de airbag-uri laterale. Primul tip este airbag-ul trunchiului. După cum sugerează și numele lor, ele protejează trunchiul de o coliziune. Alt tip de airbag lateral comun este airbag-ul cortină. Acest airbag este mai important decât airbag-ul trunchiului, deoarece coboară din tavanul mașinii pentru a proteja capul. De obicei, airbag-uri cortină acoperă scaunele din față și din spate, dar sunt cazuri când pot proteja pasagerii din al treilea rând, în unele vehicule mai mari.

Figura 2.6.2 Airbag-uri laterale [8]: http://roadsafety.transport.nsw.gov.au/

2.6.3 Airbag-urile pentru genunchi

Există situații când pasagerii unui autovehicul, în urma unui accident să se aleagă doar cu leziuni ale picioarelor și genunchilor. Din acest motiv, inginerii au considerat necesar un astfel de airbag pentru a garanta o protecție suplimentară. Multe modele, inclusiv Toyota, sunt dotate acum cu airbag-uri pentru genunchi pentru a îmbunătăți siguranța auto. Deși poate părea neobișnuit ca o mașină să aibă un airbag dedicat protejării genunchiurilor, aceste airbag-uri pot preveni o leziune gravă. Motivul este că la un impact puternic cu o suprafață dură, panoul de bord al unui automobil, poate sări în genunchii ocupanților din față.

Figura 2.6.3 Airbag-uri pentru genunchi

[9]: http://kia-uae.com/

2.6.4 Airbag pentru centura de siguranță

Ideea unui astfel de airbag a pornit de la compania Ford, care a început prin a implementa acest nou sistem mai ales pentru pasagerii aflați pe bancheta din spate a unui autovehicul, mai ales în condițiile în care aceștia nu sunt protejați decât de o simplă centură de siguranță.

Cu ajutorul acestui tip de airbag încorporat în centura de siguranță presiunea generată în urma unui impact puternic, este dispersată de aproape cinci ori mai repede decât în cazul centurilor de siguranță convenționale, în acest mod protejând pieptul pasagerilor. Acest lucru este esențial mai ales pentru protecția copiilor ce stau pe bancheta din spate.

Figura 2.6.4 Airbag-uri pentru centura de siguranță

[10]: http://www.caradvice.com.au/

2.7 Viitorul airbag-urilor

Viitorul airbag-urilor pare extrem de promițător, deoarece există multe idei posibile ce asteaptă să fie puse în practică. Airbag-urile din viitor vor avea de asemenea și un cost mai redus. Cum am precizat în subcapitolul anterior, tipurile de airbag-uri care sunt implementate sunt momentan cele cortină, laterale, pentru genunchi, centurile de siguranță airbag-uri și chiar și cele care declanșează de sub scaunele pasagerilor. Nu toate mașinile dispun de toate aceste modele de airbag-uri, însă pe viitor se dorește ca aceste tipuri de airbag-uri sa fie regăsite la orice autovehicul pentru a oferi siguranța completă. 

Firma Mercedes încearcă să ajungă la concretizarea îndelungilor experimente cu airbag-uri. Producătorii Mercedes doresc implementarea unui astfel de sistem, care practic se declanșează de sub mașină, acest lucru contribuind la oprirea vehiculului înainte de accident. Airbagurile sunt parte din sistemul global de siguranță activă și acționează când primesc un semnal de la senzori în momentul unui impact inevitabil. Airbag-ul care se dorește a fi poziționat sub mașină ajută la încetinirea acesteia și poate dubla puterea de oprire a vehiculului. Pungile de aer pot ridica vehiculul cu până la opt centimetri, împiedicându-se astfel scufundarea mașinii în timpul frânărilor bruște .Tototdata minimizează impactele frontale și laterale. Acest nou model de airbag, cunoscut acum și sub denumirea de „tehnologia viitorului”, nu oferă ca și tehnologie nimic nou sau necunoscut ci folosește sisteme de siguranță a vehiculelor deja existente.  Deși Mercedes a lucrat la această tehnologie mulți ani, aceasta nu este disponibilă în producție și probabil o să mai dureze câțiva ani până vom vedea acest model pe piața automotive.

Această idee de actualizare a airbag-urilor nu vine însă de la Mercedes, ci tehnologia a fost adoptată inițial de compania „Mike’s Auto Body” în anul 1972, o companie care s-a concentrat în special pe evitarea accidentelor și stabilirea stării inițiale a mașinii după un eventual accident. De aici pornește și ideea airbag-ului folosit pentru prevenirea accidentelor.

În viitor, se încearcă și folosirea unor senzori mai sofisticați, numiți senzori "inteligenți" și vor fi folosiți pentru a se adapta la desfășurarea airbag-ului în anumite condiții. Acești senzori pot fi folosiți pentru a detecta mărimea și greutatea ocupantului, dacă ocupantul este prezent, iar în cazul în care nu există pasageri, pungile de aer să nu se declanșeze inutil. precum și apropierea de conducătorului auto de a volanul (un driver scazut peste volan ar putea fi rănit grav de un desfășurare airbag).

http://www.automarket.ro/stiri/feature-10-tipuri-de-airbag-uri-cum-te-protejeaza-cum-functioneaza-si-44155.html

Figura 1.3 sursa: http://www.auto-form.ro/info/siguran-ta-activ-a-a-autovehiculelor.html

Figura 1.2 sursa: http://www.auto-form.ro/info/siguran-ta-pasiv-a-a-autovehiculelor.html

Figura 2.1 sursa: http://ae-plus.com/milestones/john-hetrick-inventor-of-the-airbag

The history aof an automobile : http://l3d.cs.colorado.edu/systems/agentsheets/New-Vista/automobile/

http://www.autosec.org/faq.html#q5

http://www.britannica.com/EBchecked/topic/44957/automobile/259055/Security-systems

http://blog.damognigeria.com/security-systems-101/

Bibliografie :

Descrierea schemei comune a plăcii de test; verificarea funcționării M. Stanciu

Cartea de el auto

“Senzori si traductoare”-constantin calinoiu, editura Tehnica, Bucuresti 2009

Cartile lui brezeanu

CAPITOLUL 3. Realizarea practică

3.1 Introducere

Așa cum s-a menționat în capitolele anterioare, cuvântul cheie al acestei lucrări îl reprezintă “siguranța autovehiculului". Pentru acest motiv partea practică se axează pe unul dintre aceste sistemele de siguranță: airbag-ul, având ca scop principal simularea funcțiilor acestuia cu ajutorul unui mini autovehicul implementat. Se urmărește în această parte a lucrării, ilustrarea schemei electrice, analiza acesteia din punct de vedere mecanic, prezentarea componentelor precum și a modului în care acestea contribuie la funcționarea fiecărui modul de test.

Sistemele auto care echipeaza autovehiculele moderne se pot împărți în trei mari categorii:

Sisteme automate pentru siguranța deplasării autovehiculului

Sisteme automate pentru optimizarea funcționării motorului

Sisteme automate pentru sporirea confortului pasagerilor

In acest capitol, partea de interes se acordă doar sistemelor automate pentru siguranța deplasării autovehiculului. Acele sisteme ce intră in această categorie sunt numeroase, unele dintre ele fiind prezentate in capitolul 1, în cadrul “Siguranței active” (Anti-lock Braking System, Electronic Stability Program, Electronic Traction Control, etc) și nu în ultimul rând, sistemul airbag, cel care joacă un rol foarte important în creșterea siguranței automobilului, catalogat în cadrul “Siguranței pasive”.

3.2 Componente utilizate

3.2.1 Baterie

Pentru alimentarea circuitului s-a decis folosirea unei baterii de 2 celule. Aceste tipuri de baterii au fost proiectate încă de la început pentru a oferi performanță în special pentru circuitele de mică putere. Utilizarea unui substrat avansat cu nano-tehnologie Lico, permite ca electronii să treacă mai liber de la anod la catod cu o impedanță internă mai mica. Cu alte cuvinte, există mai puține căderi de tensiune și o rată de descărcare mai mare decât bateriile  lithium polymer (non nano-tehnologie).

Ca și specificații electrice cele mai importante sunt următoarele:

http://blog.airsoft-cluj.ro/baterii-lipo-avantaje-si-dezavantaje/

Capacitate:  300mAh
Voltaj:  2S1P / 2 celule / 7.4V
Descărcarea de gestiune:  35C Constant / 70C Burst
Greutate:  17g (inclusiv plug & caz)
Dimensiuni:  44 x 12 x 17mm

Avantaje peste traditionale LiPoly baterii;
• densitate de putere ajunge 7,5 kW / kg. 
• Mai căderi de tensiune în timpul de descărcare de gestiune rată ridicată, oferind mai multă putere sub sarcină. 
• impedanță internă poate ajunge la nivelul 1.2mO comparativ cu cel al 3mO unui standard LiPoly . 
• Controlul termic mare, pachet, de obicei, nu trebuie să depășească 60degC 
• Umflarea în timpul sarcină grea nu depășește 5%, comparativ cu 15% din normal de LiPoly . 
• Capacitate mai mare în timpul de descărcare de gestiune grele. Mai mult de 90% la rata de 100% C. 
• încărcare rapidă capabil, până la 15 ° C pe unele baterii. 
• mai lungă ciclului de viață, aproape dublu față de tehnologia standard LiPoly.

Tehnologia nano-core în baterii litiu-ion este aplicarea de nanometri aditivi conductoare. Aditivii nanometri conductoare formează rețele ultra-puternic-efectuarea electroni în electrozi care pot crește conductivitatea electronica.

Acești aditivi creează capacitatea de îmbibare în lichidul purtător de a furniza mai multe canale de ioni.Aceasta îmbunătățește capacitatea de transmisie de ioni și difuzie ion. Prin îmbunătățirea transmisie conduct

3.2.2 Stabilizator de tensiune

Reprezintă circuitul, din componența surselor de alimentare, care asigură la iesire o tensiune continuă constantă la variațiile (între anumite limite) ale: tensiunii de intrare (Vi), curentul de ieșire (Io) și temperaturii (T). Parametrii statici ai stabilizatorului sunt ilustrați în figura următoare:

Fig caca-Schema bloc a stabilizatorului

Schema stabilizatorului conține întotdeauna o referință de tensiune și un element regulator care este plasat în serie (stabilizator serie) sau în paralel (stabilizator paralel) cu sarcina. Referința de tensiune se bazează pe o diodă Zener iar regulatorul este de obicei un tranzistor sau un grup de tranzistoare.

Stabilizarea serie este ilustrată în figura alăturată și se numește așa deoarece elementul regulator se află în serie cu rezistența de sarcină Rs. În cazul organizării în serie, elementul regulator are un comportament asemănător unei rezistențe variabile. Această mărime este controlată de către tensiunea de iesire Vo prin bornele 2 și 3. Dacă tensiunea de intrare Vi crește, atunci tensiunea Vo  va crește la rândul său. Această creștere tinde să acționeze asupra elementului regulator, a cărui rezistență aflată între bornele 1 și 2 se mărește. Această valoare a rezistenței între bornele 1 și 2 scade în momentul în care tensiunea de intrare scade în așa fel încât valoarea tensiunii de la ieșire să rămână neschimbată.

Fig….

Stabilizarea paralel, se organizează prin adăugarea elementului regulator în paralel cu rezistența de sarcină Rs. În cazul stabilizării parelele elementul regulator prezintă o rezistență dinamică foarte mică, ceea ce determină modificări ale tensiunii la bornele acestuia datorate variațiilor de curent. Comparând rezistența dinamică a regulatorului cu rezistența Rs, rezultă o valoare destul de mică ceea ce înseamnă că regulatorul va prelua variațiile curentului de la intrare, iar rezistența R este cea care ajută la stabilizarea circuitului.

Fig…

S-a folosit un  stabilizator de tensiune fixă: stabilizator de tensiune LM7805 care furnizează tensiune continua stabilizata de 5V, având schema de funcționare reprezentată în figura de mai jos:

Fig caca1- Schema de funcționare a unui stabilizator 7805

Stabilizatoarele din această familie se caracterizează prin avantajul că sunt simplu de utilizat, au o dimensiune mică și se optimizează raportul cost – performanță. Astfel, având un număr de trei terminale, ele se regăsesc în capsulele TO-3 si TO-220. Capsula utilizată în această lucrare pentru realizarea circuitului imprimat (PCB) este TO-220, având următoarea configurație a pinilor, la o vedere de sus: 1.Output, 2.Ground, 3.Input. Stabilizatorul se conectează la alimentarea, pentru a stabiliza tensiunea generată de baterie la o tensiune de aproximativ 5V . În componența schemei de funcționare a acestui stabilizator ilustrată în figura anterioară se remarcă 2 condensatoare de 330 nF, respective 100nF necesare pentru stabilitatea funcționării acestuia.

Câteva din caracteristicile stabilizatorului de tensiune L7805:

dacă se folosește un radiator, curentul maxim poate ajunge la 1A (variație între 5mA până la 1A)

căderea de tensiune (breakdown voltage) între intrare și ieșire este de 2V

lucrează cu tensiuni de ieșire ce pot varia între 4.8 V-5.2V, valoarea tipică fiind de 5V

protecție termică internă

tensiunea minimă de intrare este de 7V

Dioda LED D1 este poziționată astfel încât să se aprindă numai în momentul în care circuitul este alimentat. Este o diodă, ce oferă practic un ajutor, pentru a observa dacă alimentarea se face într-un mod corespunzător. De altfel toate cele trei diode utilizate în schema electrică sunt folosite pentru a oferi singuranța că toate blocurile funționează într-un mod corespunzător. Toate cele trei diode au aceleași specificații. Cele mai importante caracteristici ale acestor componente sunt următoarele: dimensiune: 1.25mm x 1.3mm, culoarea de aprindere este portocalie, capsula specifică este SMD, curentul maxim suportat este de 20mA.

Condensatorul electrolitic C12 nu este obligatoriu, dar este recomandat pentru reducerea riscului ca procesorul să se reseteze din cauza unor glitch-uri pe alimentare.

AVR????/

Prin urmare primul bloc de funcționare ce compune schema electrică este alcătuit din componentele descrise anterior:

Fig xxx-Blocul 1 de funcționare

3.2.3 Driver de motoare

Un driver de motor este un dispozitiv sau un grup de dispozitive care servește să guverneze într-un mod programat performanța unui motor electric . Acesta ar putea include un mijloc manual sau automat pentru pornirea și oprirea motorului, selecția înainte sau rotația în sens invers, reglarea sau limitarea vitezei și protecția împotriva suprasarcinilor

Pe piața componentelor pentru fabricarea roboților se găsesc numeroase versiuni de drivere de motoare, diferența cea mai mare între ele regăsindu-se la cantitatea de putere pe care o pot conduce (adică cât de puternice sunt motoarele utilizare). Driver-ul din această lucrare este un model L298. Din punctul de vedere al puterii conduse este un driver de performanță medie.

L298 este un circuit monolitic, fiind disponibil în pachetele Multiwatt15 (L298N, L298NH) și PowerSO20 (L298P). Este un circuit de înaltă tensiune și curent mare full-bridge. Dispozitivul folosit în această lucrare este un driver de motoare L298N, ce conține un număr de 15 pini, cu următoarele conexiuni

Fig nuuv- Conexiune pini L298N

După cum se arată în figura de mai sus, pachetul este "Multiwatt". Pe plan intern L298N este format din patru ieșiri, patru intrări, un pin de Vs numit Supply Voltage, ce reprezintă tensiunea de la baterie (maximul este de 50V) și un pic Vss numit Logic Supply Voltage, care este tensiunea stabilizată la 5V( maximul este de 7V)

Circuitul de configurare este ilustrat în figura hrhh (de mai jos). Cele patru amplificatoare sunt de obicei folosite în perechi pentru a forma puntea H cu scopul de a comuta polaritatea pentru a controla direcția unui singur motor de curent continuu sau se pot folosi două perechi de punți H pentru a controla două motoare. Unul din dezavantajele majore ale acestui circuit este lipsa de diode interne parazite pentru a minimza spike-urile de tensiune.  Cu acest scop se folosesc diodele D1 – D8 pentru a face față variațiilor de tensiune. Ele sunt în general diode Schottky. O diodă Schottky, este o diodă semiconductoare care are o cădere joasă de tensiune și o acțiune de comutare foarte rapidă. O diodă normală va avea o cădere de tensiune între 0.6-1.7 V, în timp ce o cădere Schottky de tensiune este de obicei între 0,15 și 0,45V. Această scădere de tensiune mai mică asigură o mai bună eficiență a sistemului și viteză de comutare mai mare.

S-au folosit diode Schottky STPS340U ce acceptă un curent de 3A și o tensiune de 40 V, cu o capsulă SMB.

Fig frhufhr- Circuit de configurare L298N

Sursa http://www.bristolwatch.com/

Cele patru amplificatoare de putere sunt grupate în perechi, fiecare pereche conținând un pin de “Enable” (ENA, ENB) și pini de curent individuali (CSA, CSB). Acești doi pini de curent pot fi legați la masă sau se poate lega de ramura ce îi unește o rezistență de valoare foarte mică.

Pinul de “Enable” (ENA), este cel care pornește amplificatoarele A1 și A2, atunci când tensiunea atinge 5V și le oprește când tensiunea scade la 0V. Aceeași funcție este valabilă și pentru pinul de “Enable” (ENB) care acționează amplificatoarele B3 și B4.  Pinii de “Enable” pot fi conectați direct împreună pentru a permite ambelor canale să fie acționate simultan.

Controlul vitezei

Viteza motoarelor poate fi ajustată prin conectarea ieșiri PWM (Pulse Width Modulation) de la microcontrollerul robotului la pinii de intrare ENA și ENB de pe driver-ul de motor. Pinul ENA controlează motorul A și pinul ENB controlează motorul B. Prin utilizarea PWM, avem posibilitatea de a da putere on și off foarte rapid pentru a ajusta viteza motorului. Cu cât factorul de umplere PWM este mai mare, cu atât mai repede motorul se va deplasa. Se recomandă întotdeauna utilizarea unui ciclu PWM de 90% sau mai puțin.

Controlul direcție

Direcția în care motoarele sunt programate să se îndrepte este controlată cu ajutorul IN1, IN2, IN3 și IN4, pinii de intrare de pe driver. Conectarea acestor pini se face la ieșirile digitale ale microcontrollerului. Pentru a face motorul A să meargă înainte, se setează IN1 = HIGH și IN2 = LOW. Pentru a face motorul A să meargă înpoi, se setează IN1 = LOW și IN2 = HIGH. Aceeași metodă este folosită pentru a controla și motorul B: setare IN3 = HIGH, IN4 = LOW, pentru a merge înainte și IN3 = LOW, IN4 = HIGH să meargă înapoi. De reținut că "înainte" și "înapoi" se referă la direcția motoarelor.

Oprire

Pentru a elimina puterea din motoare, pur și simplu se setează ENA = LOW pentru motorul A și ENB = LOW pentru motorul B. Acest lucru va duce la oprirea motoarele încet și natural. Pentru a realiza o operație de frânare rapidă, se setează ENA = LOW, IN1 = LOW și IN2 = LOW pentru motorul A și ENB = LOW, IN3 = LOW și IN4 = LOW pentru motorul B. În acest caz motoarele se vor opri instantaneu. 

Prin urmare al doilea bloc de funcționare ce compune schema electrică este alcătuit din driver-ul de motoare L298N:

Fig xxx-Blocul 2 de funcționare

3.2.4. Microcontroller Atmega 324P

Este un microcontroller de înaltă performanță produs de Atmel, care administrează practic întreaga activitatea a părții practice. Este un microcontroler AVR pe 8 biți bazat pe arhitectura RISC ce combină 32KB memorie flash cu capacități de citire-scriere, 1KB EEPROM și 2KB SRAM.

RISC sau “Reduced Instruction Set Computer”,  este un tip de arhitectură specifică microprocesoarellor care utilizează un set mic și extrem de optimizat de instrucțiuni. Arhitectura RISC are următoarele caracteristici:

Timp de execuție de un ciclu : procesoare RISC au un IPC (ceas pe instrucțiune) de un ciclu.  Acest lucru se datorează optimizării fiecare instrucțiune pe CPU și o tehnică numită “Pipeline”

Pipeline este o tehnică care permite executarea simultană a etapelor și a operațiilor pentru a procesa mai eficient instrucțiunile

Număr mare de registre : filosofia de design RISC include, în general, un număr mai mare de registre pentru a evita interacțiunile multiple cu memorie

Memoria flash este o memorie  non-volatilă a calculatorului și un mediu în care comenziule pot fi șterse și reprogramate.

EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) este un tip de memorie nevolatilă  utilizată în computere și alte dispozitive electronice pentru a stoca cantități mici de date care trebuie să fie salvate atunci când dispozitivele sunt oprite de la alimentate (de exemplu, în cazul în care se realizează calibrarea sau de configurarea dispozitivului). Instrucțiunile din memoria EEPROM tradițională pot fi citite independent, șterse și rescrise.

Când cantități mai mari de date trebuie să fie stocate, un tip specific de EEPROM, cum ar fi memoria flash, este mai economică decât dispozitivele EEPROM tradiționale. 

SRAM (Static Random Access Memory) este un tip memorie semiconductoare. Acest tip de memorie se diferențiază de memoria DRAM (Dynamic Random Access Memory) prin cuvântul „static”, care indică faptul că, nu mai este necesară o etapă de reîmprospătare a memoriei. Acest lucru se datoreză circuitelor logice combinaționale,care memorează fiecare bit.

Pentru microprocesoarelle Atmega , Flash, EEPROM și SRAM sunt toate integrate pe un singur cip, eliminând nevoia de memorie externă în majoritatea aplicațiilor. Dimensiunea memoriei de program este de obicei indicată în denumirea dispozitivul însuși (ATmega64x are 64 kB memorie flash, în timp ce ATmega32x are 32 kB).

Arhitecturs AVR combină un set optimizat de instrucțiuni, lucrând cu 32 de registre generale. Toate cele 32 de registre au o conexiune directă cu unitatea aritmetică logică (ALU), permițând ca instrucțiunile să fie executate într-un singlu ciclu de ceas. Rezultatul este că, programarea este mult mai ușoară, eficientă și aproape de zece ori mai rapidă decât arhitectura CISC convențională.

De asemenea arhitectura AVR se caracterizează prin folosirea tehnicii pipeline. Aceasta înseamnă că următorea instrucțiune este adusă din memoria de program, în timp de instrucțiunea actuală este în stadiul de executare. Cele mai multe instrucțiuni durează doar unu sau două cicluri de ceas, ceea ce face ca AVR să fie relativ rapidă printre microcontrollere de opt biți.

Alte caracterisitici tehnice importante ale acestui dispozitiv este tensiunea de funcționare între 1.8-5.5 volți, are un număr de 44 de pini, frecvența maximă de lucru atinge 20 Mhz.

Configurația pinilor

Fig vrvrvr- Configurația pinilor

Sursa Datasheet Atmega 324P

VCC- Tensiunea de 5V

GND- Masa

Port A (PA7:PA0) – Portul A este un port I/O de 8 biți bidirecțional ce reprezintă intrările analogice

Port B (PB7:PB0) – Portul B este un port I/O de 8 biți bidirecțional cu rezistențe interne de pull- up ( selectate pentru fiecare bit )

Rezistorul de pull-up este un rezistor frecvent utilizat mai ales în cazul în care se lucrează cu microcontrollere. Să presupunem că folosim un microcontroller și un pin al acestuia configurat ca intrare. Dacă nu este nimic conectat la acest pin și programul este nevoit să citească starea acestuia citește starea, poate fi o valoare mare (influențată de VCC) sau scăzută (influențată de masă). În cazul în care nu avem nimic conectat, acest fenomen este denumit „nod plutitor” (floating). Pentru a preveni această stare necunoscută, o rezistență de pull-up sau pull-down va asigura starea pin-ului.

Fig frfirf- Rezistor pull-up

Urmărind exemplul din figura de mai sus, de obicei alături de rezistorul de pull-up se mai pot folosi și butoane sau comutatoare. Cu un rezistor pull-up, pin-ul de intrare va citi o valoare mare atunci când butonul nu este apăsat. Cu alte cuvinte, o cantitate mică de curent curge între VCC și pinul de intrare, determinându-l să citească o tensiune apropiata de VCC. Când butonul este apăsat, se conectează pinul de intrare direct la sol, astfel că pin-ul de intrare citește o valoare foarte mică.

Port C (PC7:PC0) – Portul C este un port I/O de 8 biți bidirecțional cu rezistențe interne de pull- up ( selectate pentru fiecare bit )

Port D (PD7:PD0) – Portul D este un port I/O de 8 biți bidirecțional cu rezistențe interne de pull- up

Reset – Resetare intrare. R2 și C9 formează circuitul de “power-on reset”. În momentul aplicarii Vcc, C9 este descărcat și “trage” linia RESET în “0”, resetând procesorul. Ulterior, condensatorul se va incărca prin R2 și linia va sta în “1” . Acest reset este necesar pentru a asigura pornirea în bune condiții a procesorului; în lipsa lui, tensiunile tranzitorii care apar în momentul alimentării pot duce la ajungerea procesorului intr-o stare incertă. (Fig de mai jos nr fhfhr )

XTAL 1, 2 – Amplificatorul intern. Cristalul de cuarț, împreună cu condensatoarele C3, C4 (22pF) și cu amplificatorul intern de la bornele XTAL1,2 formează un oscilator cu cuarț.

AVCC- este pin-ul de tensiune de alimentare pentru portul A și converter analog – digital

AREF – Aceasta este pin-ul de referință analogic pentru converterul analog -digital.

CRISTALUL DE CUARTZ???

Blocul al treilea de funcționare compus din microcontrollerul Atmega 324P

Fig vrvr- Blocul 3 de funcționare

3.2.5. Senzorul Sharp

Denumirea de senzor provine din termenul latin al cuvântului simț, având deci semnificația de percepere prin intermediul simțurilor umane. Senzorii înlocuiesc cele 5 simțuri umane , dar în plus, ei pot detecta și fenomene care nu pot fi sesizate cu ajutorul simțurilor. Senzorul este un element sensibil care are rolul de a detecta marimea de măsurat X(t) și de a o converti într-o mărime fizică Y(t) de altă natură sau de aceeași natură, pe baza unor efecte fizice sau chimice.

Senzorii infraroșu Sharp dispun de un pachet mic de produse, consum foarte redus de energie și o varietate de opțiuni de ieșire. În scopul de a maximiza potențialul fiecărui senzor, este important să se înțeleagă modul în care aceste tipuri de senzori IR funcționează, intervalele în care acestea dau randament și modul în care se lucrează cu ele.

Există două tipuri de senzori infraroșu (IR) Sharp bazate pe mărimea lor de la ieșire: mărimi analogice și detectori digitali. Intervale analogice furnizează informații despre distanța până la un obiect în limitele în care acesta poate detecta obiectul. Detectorii digitali oferă o indicație digitală (mare sau mică) a unui obiect dacă se află sau nu aproape de o distanță sau un obiect prestabilit. 

Un senzor Sharp are următorul principiu de funcționare: un puls de lumină IR este emisă de către emițătorul. Lumina călătorește în exterior, în câmpul vizual și fie lovește un obiect sau merge mai departe. În cazul nu există niciun obiect, lumina nu este reflectată și practic senzorul nu are ce returna la ieșire. În cazul în care întâlnește un obiect lumina este reflectată din obiectul respectiv, revine la detector și creează un triunghi între punctul de reflecție, emițătorul și detectorul. Unghiul de incidență a luminii reflectate variază în funcție de distanța până la obiect.

Fig fhfhf-Unghiul de detecție Sharp

În tabelul de mai jos se observă limitele din punct de vedere al distanței între care senzorul Sharp poate detecta un obiect. S-au ales căteva exemple de modele de senzori Sharp pentru a vedea practic evoluția acestora, de la modificarea mărimii de ieșire, până la creșterea distanței de detectare a obiectelor. Distanțele ilustrate în tabel sunt măsurate în inchi (1 inch= 2,54 cm).

Modelele GP2D120/GP2Y0A41, GP2Y0A02, GP2Y0A021, GP2Y0A710 oferă informații veritabile, având ieșirea în format analogic. GP2D15 și GP2Y0D340K , prin contrast, oferă o valoare unică digitală bazată pe ideea dacă un obiect este prezent sau nu în intervalul de distanțe admise.  Nici unul dintre detectoare nu necesită un ceas extern sau de semnal. 

Fig vjv- Distanțe de detectare senzori Sharp

Datorită formei triunghilare implicate în calcul distanței până la un obiect bazat pe unghiul de incidență a luminii reflectate, ieșirea acestor senzori este neliniară în raport cu distanța măsurată.

Astfel graficul mărimii de ieșire a unui senzor în funție de distanța măsurată nu este liniară, ci mai de grabă logaritmică, deoarece ieșirea scade odată ce obiectul se apropie de distanța minimă de detecție a senzorului.

Senzorul utilizat în realizarea părții practice este un senzor de distanță Sharp modelul GP2Y0D340K0F, alcătuit dintr-un circuit integrat PSD (position sensitive detector), diode cu emisie infraroșu și circuit de procesare a semnalului emis și primit. Caracteristici ale mediului ambiant precum temperatura sau umiditatea nu influențează detecția unui obiect sau a unei distanțe. Tensiunea de ieșire a acestui dispozitiv este pozitivă în cazul în care un obiect există în intervalul de distanță impus de standard. De asemenea acest senzor poate fi folosit și ca senzor de proximitate, cum de altfel este folosit în această lucrare.

Așadar comportamentul acestuia în ultimul bloc de funcționare este asemenea unui senzor de proximitate, fiind capabil să detecteze prezența obiectelor aflate în imediata apropiere, fără a fi necesar un contact fizic. Se caracterizează prin faptul că emite unde electromagnetice sau mai exact un fascicul de radiații electromagnetic, căutând schimbări în mediul inconjurator. Acest senzor de distanță SHARP utilizează aceste unde IR pentru a determina cât de departe sunt anumite obiecte față de el.  În funcție de această distanță, senzorul va fi programat să acționeze. Cu alte cuvinte, utilizatorul va acționa în preajma senzorului de distanță. Dacă distanța dintre senzor și mâna acestuia, de exmplu, va fi una mică, atunci senzorul va determina pornirea mașinei. În cazul în care distanța este mult prea mare față de un anumit prag impus, atunci mașina va rămâne pe loc.

Cele mai importante caracteristici tehnice sunt :

1. Ieșire digitală

2. Distanța de detective a obiectelor este de 400 mm

3. Dimensiune senzor : 15×9.6×8.7 mm

4. Curentul de consum 31 mA

5. Tensiunea de lucru : 4.5 – 5.5 V

3.2.5. Accelerometrul

Un accelerometru este un dispozitiv electromecanic care va măsura forțele de accelerație. Aceste forțe pot fi statice, cum ar fi forța de gravitație sau ar putea fi dinamice – cauzată de mutarea sau vibrarea accelerometrului.

Înainte de a putea înțelege funcționarea accelerometrelor, este nevoie să se înțeleagă noțiunea de accelerație. În cazul în care o mașină accelerează la o viteză de 100 kilometri pe oră în 5 secunde, accelerația reprezină schimbarea vitezei sau raportul dintre viteză și timp, astfel 100km/5 sau 20 km / h pe fiecare secundă. Cu alte cuvinte, cu fiecare secundă în care mașina se află în mișcare, se adaugă cei 20 kilometri pe oră la viteza sa. Dacă se dorește aflarea accelerației pe moment, fără să se aștepte o anumită perioadă de timp să treacă, se pot utiliza legile de mișcare ( Isaac Newton a definit accelerația într-un mod diferit, raportându-se la masă și forță. Dacă există o anumită forță (de exemplu, puterea în picior în momentul când este lovită o minge de fotbal) pe care o aplic la o masă (mingea de fotbal), se poate afla accelerația.

A doua lege a lui Newton se refera forță, masă și accelerație prin această ecuație foarte simplă:

F = m*a

Cu alte cuvinte, accelerația este cantitatea de forță specifică fiecărei unități de masă. 

Scopul accelerometrului

Aplicațiile accelerometrelor se extind în mai multe discipline, atât academice cât și bazate pe consum. De exemplu, accelerometrele în laptop-uri protejează hard disk-ul de daune. În cazul în care laptopul s-ar oprii brusc în timpul utilizării, accelerometrul va detecta această problemă și va opri imediat unitatea de hard-disk pentru a evita apariției altor probleme. Accelerometrele sunt folosite, de asemenea, în industria auto, ca metodă de detectare a accidentelor auto și declanșarea airbag-uri imediat la un impact puternic.

Într-un alt exemplu, un accelerometru dinamic masoară forța gravitațională pentru a determina unghiul la care un dispozitiv este înclinat în raport cu Pământul. Prin detectarea valorii de accelerație, utilizatorii analizează modul în care dispozitivul este în mișcare. Astfel accelerometrele permit utilizatorului să înțeleagă mai bine modul de funcționare și deplasare a unui element. 

Funcționare

Accelerometrul arată ca un simplu circuit de dimensiune mică. În ciuda aspectului său destul de mic, accelerometrul este format din mai multe părți ce funcționează diferit, dintre care două se ocupă de efectul piezoelectric și senzorul capacitate. Efectul piezoelectric este cea mai comună formă a accelerometrului și utilizează structuri cristaline microscopice care devin stresate din cauza forței de accelerare. Aceste cristale crează o tensiune de la stres și accelerometrul interpretează această tensiunea pentru a determina viteza și orientarea.

Senzorul capacitate este cel ce resimte modificările de capacitate ale microstructurilor situate în împrejurul dispozitivul. Dacă o forță de accelerare schimbă una dintre aceste structuri, capacitatea se va schimba, iar accelerometrul va traduce capacitatea în tensiune pentru interpretare.

Accelerometrele sunt alcătuite din mai multe componente diferite și pot fi achiziționate ca și dispozitive separate. Accelerometrele tipice sunt formate din mai multe axe, două pentru a stabili spațiul bidimensional cel mai circulat și opțiunea unui a treia pentru spațiul 3D. Deobicei cele mai multe smartphone-uri se folosesc de modelele de accelerometre cu trei axe, în timp ce mașinile pur și simplu utilizează doar două axe pentru a determina momentul impactului. Pentru majoritatea proiectelor, două este de ajuns . Sensibilitatea acestor dispozitive este destul de mare scopul major de proiectare fiind măsurarea schimbărilor.

Accelerometrele sunt de două tipuri: analogice și digitale. Cele analogice produc o tensiune continuă care este proporțională cu accelerația.  Accelerometre digitale se deosebesc prin faptul că generează o anumită frecvență și momente de timp în care tensiunea este mare și va fi proporțională cu cantitatea de accelerație. Dacă se utilizează un microcontroller cu intrări pur digitale, este necesar utilizarea accelerometrului digital.  Dezavantajul este că acesta solicită să utilizeze resursele ce țin de timp a microcontrollerului pentru a măsura ciclu sau pentru efectuarea unor calcule.

Tipuri de accelerometre

Există mai multe tipuri de accelerometre. Cele mecanice sunt cele mai simple tipuri, având o masă atașată de un arc suspendat în interiorul unui obiect. În momentul accelerării, obiectul se ​​deplasează imediat, dar masa rămane în urmă și arcul se întinde cu o forță care corespunde accelerației. Distanța cu care se întinde arcul (care este proporțională cu forța de întindere) poate fi utilizată pentru a măsura forța și accelerația. Seismometrele (utilizate pentru măsurarea curemurelor ) lucrează în linii mari pe acest principiu, folosind pixuri atașate maselor grele legate de arcuri suspendate pentru înregistrarea forțelor unui cutremur. Când un cutremur mare se produce, obiectul în care se află masa se mișcă, dar pixul (atașat la masă) durează mai mult pentru a se deplasa, așa că lasă o urmă, asemănător unui grafic pe hârtie.

Fig fbrfb- Accelerometrul mecanic

Sursa http://www.explainthatstuff.com/accelerometers.html

Accelerometrele capacitive redau o schimbare în capacitate electrică, în momentul modificării accelerației. În aceste accelerometre, o diafragmă în calitate de masă se mișcă în prezența accelerație. Diafragma este asemenea unui sandwich între cele două plăci fixe, creând două condensatoare; fiecare cu o placă fixată individual. Mișcarea diafragmei provoacă o schimbare în capacitate modificând distanța dintre două plăci paralele.

Fig fbrfb- Accelerometrul capacitiv

Sursa http://www.explainthatstuff.com/accelerometers.html

Accelerometrele piezoelectrice se folosesc de efectul piezoelectric. Atunci când materialele piezoelectrice sunt stresate, acestea sunt deformate si o sarcină electrică este generată. În accelerometrele piezoelectrice, materialul piezoelectric este utilizat ca un element activ. O parte din materialul piezoelectric este conectat la baza rigidă. Masa este atașată la partea cealaltă. Când se aplică o anumită forță (generată de accelerație), materialul piezoelectric se deformează și generează o sarcină electrică. Această sarcină este proporțională cu forța aplicată sau cu alte cuvinte, proporțională cu accelerația. Ulterior va fi convertită într-o tensiune. Cu alte cuvinte există un cristal atașat la o masă, astfel încât, atunci când se mișcă accelerometrul, masa strange cristalul și generează o tensiune electrică.

Fig fbrfb- Accelerometrul piezoelectric

Sursa http://www.explainthatstuff.com/accelerometers.html

Modelul de accelerometru folosit în realizarea părții practice este ADXL335 de la Analog Devices. Acesta este ultima versiune dintr-un lung șir de senzori analogici produși. ADXL335 este un MEMS accelerometru pe 3 axe, cu zgomot extrem de redus și consumul mic de energie, doar 320uA. Senzorul are o gamă completă de detectare de +/- 3g. De asemenea poate măsura accelerația statică în aplicații ale gravitației, precum și accelerarația dinamică rezultată din mișcare , șoc sau vibrații .Utilizatorul poate selecta lățimea de bandă a accelerometrului folosind condensatori CX , CY , CZ la pinii Xout, ​​Yout , și Zout . Lărgimile de bandă pot fi selectate pentru a se potrivi oricărei aplicații , cu o gamă de 0,5 Hz la 1600 Hz pentru axele X și Y și o gamă de 0,5 Hz la 550 Hz pentru axa Z . ADXL335 este disponibil într-un mic profil de dimensiuni 4 mm × 4 mm × 1,45 mm. Tensiunea de funcționare variază în intervalul 1.8 V până la 3.6V. În circuitul electric ales, accelerometrul lucrează cu o tensiune de alimentare de 3.3V. Această tensiunea s-a obținut prin conectarea unui LDO(low dropout regulator) care pratic stabilizează tensiunea Vcc de 5V la o tensiune constantă de 3.3V, pentru funcționarea accelerometrului. Modelul TC1262 este un CMOS regulator de tensiune scăzut proiectat special pentru sisteme cu baterii. Construcția CMOS elimină pierderile de curent, prelungind semnificativ durata de viață a bateriei. Caracteristicile cheie ale modelului TC1262 includ funcționarea cu zgomot redus, tensiune dropout foarte mică și răspuns rapid la schimbări în sarcină .TC1262 include protecție atât la temperatură ridicată cât și la curent mare. Stabilitatea este oferită la ieșire de un condensator de numai 1μF și are un maxim curent de ieșire 500mA. Acesta este disponibil în varianta cu 3 pini (IN, GND,OUT), cu următoarele capsule 3-PinSOT-223, 3-Pin TO-220 și 3-Pin DDPAK .

Ca și arhitectură internă, un LDO este alcătuit dintr-o referință de tensiune, un amplificator de eroare, un divizor de tensiune și un tranzistor de trecere, așa cum se arată în figura de mai jos. Tensiunea din poarta tranzistorului de trecere este controlată de amplificatorul de eroare-care compară tensiunea de referință cu tensiunea divizorului de tensiune, amplificând diferența astfel încât să se reducă tensiunea de eroare. Dacă tensiunea divizorului de tensiune este mai mică decât tensiunea de referință, poarta tranzistorului de trecere este devine mai mică, permițând mai multe curent să treacă și să crească tensiunea de ieșire. Dacă tensiunea divizorului de tensiune este mai mare decât tensiunea de referință, poarta tranzistorului trecere este devine mai mare, limitând curentul și scăderea tensiunii de ieșire. Capsula de LDO utilizată este 3-Pin TO-220, având o tensiune de lucru cumprinsă în intervalul 2.7V și 6V. Principalul lui scop este să reducă tensiunea Vcc în vederea alimentării corespunzătoare a accelerometrului.

Ultimul bloc de funcționare alcătuit din senzorul de distanță Sharp, precum și din accelerometru și LDO este prezentat în figura următoare :

Fig vrr-Blocul 4 de funcționare

Schema Bloc. Descriere. Funcționare

Schema bloc reprezintă schema unei mini-mașini a cărei scop este acela de a simula caracteristicile și funcționalitatea unui sistem airbag, ca metodă de siguranță pasivă. Alimentarea circuitului se produce cu ajutorul unei baterii de două celule,care generează o tensiune de 7.4V, necesari pentru îndeplinirea scopului pentru care a fost proiectat. Acest tip de baterie a fost utilizată încă de la început pentru a oferi performanță în special pentru circuitele de mică putere.

Cei 7.4V vor fi redresați către blocul ce conține ”Stabilizatorul de tensiune”, care asigură la iesire o tensiune continuă constantă de 5V. Prezența stabilizatorului este e o necesitate în schema electrică întrucât toate componentele lucrează cu o tensiune tipică de 5V.

http://acroname.com/articles/sharp-infrared-ranger-comparison

http://www.explainthatstuff.com/accelerometers.html

http://www.dimensionengineering.com/info/accelerometers

http://www.livescience.com/40102-accelerometers.html

http://www.adafruit.com/product/163

https://www.sparkfun.com/products/9269