Сенсор дощу на основі оптичного перетворювача

 

                                                    Вступ

 

         Зовсім нещодавно, в XX столітті і на межі тисячоліття, автомобільна безпека асоціювалася зазвичай тільки з пасивними системами захисту пасажирів при аваріях, які вміщували подушки безпеки та ремені для зменшення ризику або серйозності травм. Цей напрямок залишається найважливішим у сфері забезпечення безпеки, але в ХХІ столітті пасивні системи все більше доповнюються активними системами безпеки, відомими, наприклад, як АБС, ESP, TPMS, ACC, LWD, LKA, LCA. Активні системи допомагають уникати аварій за рахунок попередження водія про небезпечну ситуацію або часткового чи повного втручання в керування автомобілем за допомогою здійснення інтелектуальних функцій, виконуючи їх швидше і якісніше, ніж висококваліфікований водій. У критичних ситуаціях водіння активні системи допомагають водієві в управлінні, тому багато з них отримали назву систем допомоги водієві (СДВ), або Driver Assistance System (DAS).

          Як відомо, системи автомобільної безпеки - найбільший сегмент ринку для збуту сенсорів інерції: акселерометрів і гіроскопів, сенсорів положення пасажирів і швидкості коліс, виявлення зовнішніх і внутрішніх об'єктів і тиску накачування шин [1]. Найбільш швидко зростаючий сектор ринку сенсорів в цьому сегменті - це системи запобігання або попередження аварій, що включають сенсори тиску шин і систем допомоги водієві.

         Крім широко відомих АБС, ESP і TPMS, нові технології систем допомоги водієві включають забезпечення безпечного шосейного руху автомобіля, допомога в різних дорожніх умовах - щільного трафіку, зупинках і стартах при заторах, різних умовах освітленості, при парковці і зміні смуги. З цією метою використовуються радарні, лазерні, ультразвукові сенсори, відеосенсори, теплові камери, а також сенсори дощу, світла та кольору .

 

 

 

 

1. Застосування сенсорів в автомобільних системах

 

1.  Сенсори систем допомоги водієві .

 

         Основні системи допомоги водієві включають (рис. 1.1):

Системи переднього огляду:

• адаптивний круїз-контроль (ACC) (рис. 1.1а-г), включаючи розширені функції:
• повношвидкісний ACC (до повної зупинки швидкості 0 км / год);
• функція Stop and Go: втручання в систему управління двигуном

і гальмування до завершення зупинки і старту в умовах затору;

• допомога в утриманні автомобіля на обраній смузі Lane Keeping Support

(LKS).

• виявлення, запобігання або пом'якшення аварій (наприклад, система

підтримки водія при ризику фронтальної аварії Bosch): адаптивне гальмування  і активація пасивних систем безпеки, попередження водія, максимальне повне  гальмування (рис. 1.1д-е).

• виявлення та захист пішоходів (рис. 1.1ж).
• системи моніторингу смуги і попередження про ненавмисний вихід зі смуги 
• Lane Departure Warning (LDW) systems (рис. 1.1г, з).
• виявлення дорожніх знаків, моніторинг швидкісних обмежень (рис. 1.1 та).
• системи заднього зору:
• допомога при паркуванні: знаходження відповідного місця і супровід 

паркування (рис. 1.1к-л);

• допомога при задньому ході, запобігання зіткнень (рис. 1.1л);
• виявлення руху транспортних засобів ззаду .
• допомога при навмисному відході з смуги Lane Change Assistant (LCA).
• моніторинг критичних точок blind spot бічними, кутовими і задніми камерами  (рис. 1.1м).
• системи нічного зору і в умовах поганої видимості (рис. 1.1н).
• моніторинг інтер'єру автомобіля (рис. 1.1о):
• розпізнавання і класифікація пасажирів;
• виявлення дитячого сидіння;
• визначення положення пасажирів (рис. 1.1п).

 

Рисунок 1.1 - Технології автомобільних систем допомоги водієві;

 

а - ілюстрація роботи повношвидкістного адаптивного круїз-контролю Continental,

б - модуль ACC Continental, заснований на лідарах;

в - основні сенсори систем допомоги водієві Bosch: радар, відеосенсор, ультразвуковий сенсор;

г - комбінація відеосенсорів і радарів повношвидкістного ACC Bosch для спостереження об'єктів та смуги руху;

д, е - система підтримки водія у разі передбачення фронтальної аварії Predictive Safety Systems (PPS) Bosch:

д - ілюстрація принципу роботи;

 е - основні компоненти PPS;

ж - ілюстрація концепції захисту пішоходів від SiemensVDO;

з - принцип утримання автомобіля в обраній смузі за допомогою камер (ілюстрація Continental);

и - виявлення дорожніх знаків (графічний матеріал Melexis);

к - дисплейна індикація роботи системи пошуку відповідного місця для паркування SiemensVDO;

л - захист від ударів  при паркуванні з системою Bosch Parkpilot;

м - моніторинг критичних точок blind spot (ілюстрація Valeo Raytheon);

н - система нічного зору Siemens VDO;

о - виявлення і спостереження положення пасажирів (ілюстрація Melexis);

п - теплові камери MLX90247 Melexis для спостереження положення пасажирів і застосування в системах зору в поганих умовах видимості

 

         1.2 Стратегічні напрямки в автомобільній безпеці

 

          Нові системи пасивної і активної автомобільної безпеки, допомоги водієві - ACC, ESP, при паркуванні та іншого розробляються за принципом додавання нових функцій і збільшення мережевих зв'язків сенсорів з інтегрованими системами, тобто використовують одні й ті ж сенсори для отримання вхідної інформації до різних підсистем , які реалізують розширені вихідні функції. Таким чином, нові розробки показують, що системи допомоги водієві від автономних функцій переходять в комплексні системи, що включають сенсори і інтегровані блоки, менші за розміром та вартістю. Мережеві зв'язки сенсорів все більш пов'язують активні і пасивні системи безпеки в межах єдиної цілісної мережі.

Можливий і оптимальний результат розвитку систем автомобільної безпеки - повне злиття активних і пасивних систем в єдину інтелектуальну мережу - стратегічний напрям сучасної автоелектроніки. З цією метою, наприклад, Continental Automotive Systems розробляє і впроваджує проект APIA (Active Passive Integration Approach), Bosch розвиває концепцію CAPS - Combined Active & Passive Safety (рис. 1.2).

 

Рисунок 1.2 - Концепція інтеграції активних і пасивних систем в єдину мережу з мережевою структурою і зв'язками між сенсорами.

 

а - проект APIA (Active Passive Integration Approach) Continental: 1 - адаптивний

   круїз-контроль; 2 - електронна система гальмування MK60E; 3 - сенсорний  

   кластер; 4 - трансмітер скомплектованих даних; 5 - педаль акселератора із

   зворотним зв'язком; 6 - модуль  контролю двері; 7 - модуль контролю люка;  

    8 - натяг ременя; 9 - модуль контролю сидіння; 10 - гальма; 11 - CV (closing

     velocity) сенсор виявлення перешкод; 12 – бічні сателіти; 13 - сенсор

     фронтального удару; 14 - модуль контролю подушок безпеки,

б - компоненти CAPS (Combined Active & Passive Safety) Bosch: 1 - гідравлічний

      модулятор  тиску ESC; 2 - система контролю подушок безпеки; 3 - радар      

     ACC; 4 - відеосенсор; 5 – активне кермове керування; 6 - система навігації; 7

     - інші сенсори (кута повороту керма,  кутової швидкості автомобіля yaw rate

     і прискорення)

        

        Концепція інтегрованої мережі активних і пасивних систем в автомобілі припускає спостереження навколишніх умов за допомогою великої кількості різноманітних сенсорів (радарів, ультразвукових сенсорів і камер, а також акселерометрів, гіроскопів) і обробку цієї інформації в локальних комп'ютерах підсистем (наприклад, ACC) або в централізованому блоці автоматичного управління автомобілів майбутнього, обробляючого інформацію з сенсорів і посилаючи команди до різних функціональних підсистемах автомобіля.

        Ця тенденція злиття пасивних і активних систем, що збирають і аналізують вхідну інформацію з сенсорів, супроводжується збільшенням інтелектуальності сенсорів - для зменшення навантаження на локальні комп'ютери, надійності і точності наданої ними інформації. Хоча загальна кількість сенсорів в автомобілі збільшується, нові системи прагнуть максимально оптимізувати число сенсорів, дійсно необхідних для збору інформації, виключаючи функціонально повторювані одиниці. Багато сенсорів об'єднуються в сенсорні кластери (наприклад, ESC згідно з проектом APIA компанії Continental або сенсори напрямку та прискорення Bosch).

У поєднанні з ланцюжком  управління drive train та колесами існує напрямок переходу до ще більш комплексним мехатронним системам і компонентам, пов'язаним технологією X-By-Wire.

        Спочатку для управління автомобілем було необхідно, щоб автомобіль зважував наміри водія. Перші системи X-By-Wire - це E-gas або Power-By-Wire або Accelerate-By-Wire, які доповнювали дросельний клапан і педаль акселератора. Електронна педаль акселератора - це інтерфейс з водієм при електронному управлінні дросельною заслінкою.

По мірі вмикання систем by-wire, які видаляють в автомобілі механічні зв'язки з вхідними пристроями - наприклад, гальмами, кермом і приводами, ключовим фактором стало підвищення надійності функціонування приводів, контролерів і сенсорів. У подальшій еволюції систем і технологій інтелектуального управління X-By-Wire systems стало необхідним забезпечувати також і безпеку, поєднуючи багатофункціональний системний контроль з намірами водія, які, як вхідна інформація будь-якої підсистеми, залишаються в автомобілі пріоритетними[2].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Автомобільні оптичні сенсори та перетворювачі

 

2.1 Оптичні сенсори

 

         Всі відомі оптичні (і багато неоптичних) схеми визначення руху зводяться до двох базових схем, показаним на рис. 2.1, 2.2. Схеми роботи пристроїв проілюстровані рис. 2.1 [3-4]. Рис. 2.1а-в демонструє принцип роботи типового щілинного оптичного перемикача-оптопереривача, або оптрона. У пластмасовому корпусі розташовані світлодіод і фотодетектор, наприклад фототранзистор, розділені повітряним зазором в тілі корпусу. Світло від світлотодіода потрапляє на фототранзистор, який переходе

 

 

Рисунок 2.1 – Базова схема оптичного визначення руху – переривач

а-в – щілинний оптичний (фотоелектричний) сенсор – оптопереривач (оптрон чи оптопара);

1 – корпус сенсору; 2 –  світлодіод; 3 – фото чутливий елемент(фото транзистор чи фотодіод);

а – конструкція сенсору; 4 – елементи для монтажу корпусу; 5 – термінали для монтажу на друкованій платі;

б – лінійний переривач – сенсор лінійної швидкості; 4 – лінійний ротор з оптично прозорими та оптично непрозорими ділянками які чергуються; 5 - термінали для монтажу на друкованій платі;

в – сенсор кутової швидкості(індикація  визаченого кутового положення); 4 – обертовий ротор – крильчатка з непрозорими лопатями; 5 – обертовий вал;

г – аналог оптопереривача – щілинний сенсор швидкості Холла; 1- корпус сенсору; 2 – магніт; 3 – сенсор Холла(уніполярний ключ); 4 – магнітопровід; 5 - термінали для монтажу на друкованій платі; 6 – обертовий ротор – крильчатка з лопатями з феромагнітного матеріалу; 7 – обертовий вал.

в стан насичення. Якщо в  зазорі з'являється непрозорий елемент - ротор, шлях світла між світлодіодом і фототранзистором блокується, що викликає перемикання виходу фототранзистора до високого рівня.

Випромінюючі світлодіоди можуть функціонувати як у видимому, так і в інфрачервоному спектрі. Для роботи сенсору необхідно, щоб конструкція корпусу і ширина елементів ротора забезпечувала чергування світлопередачі і перекриття оптичного каналу. Істотно зменшити ширину оптичних кодових елементів і підвищити розрішення пристрою дозволяють лазерні діоди. Відстань від сенсору до дослідженого об'єкту в межах ширини робочого зазору несуттєва, але якщо необхідно збільшити робочий діапазон, також застосовують лазерні світлодіоди.

Найпростішим прикладом може бути перевірка за допомогою оптичного оптопереривача відкриття або закриття дверей або капота, які для блокування світла забезпечуються рухомим прапором, падаючим в щілину, більш складним - в перетворювачах.

Щілинні оптопереривачі широко використовуються для визначення швидкості двигуна, на валу якого розміщений ротор, періодично блокуючий оптичний канал, але в автоелектроніці їх застосування обмежене чутливістю до забруднень і температур (зазвичай 80 ° C). Необхідно відзначити, що деякі сучасні пристрої, наприклад інфрачервоні діоди і фототранзистори Honeywell, працюють і при температурах до 125 ° C.

Значною мірою проблему також  вирішує інтерпретація схеми  переривника на основі сенсора Холла (рис. 2.1г), але, на відміну від оптопереривача, до розмірів крильчатки пред'являються вимоги мінімальної ширини лопаті, що у свою чергу обмежує просторовий дозвіл сенсора.

На рисунку 2.2а-г проілюстрована робота рефлективного оптичного сенсора, який функціонує аналогічно, але конструктивно відрізняється тим, що фототранзистор в рефлективному сенсорі перемикається світлом, відбитим від  поверхні.

 

 

Рисунок 2.2 – Оптичний(фотоелектричний) сенсор рефлекторного типу

1 – корпус сенсора; 2 –  світодіод; 3 – фоточутливий елемент; 4 – термінали для монтажу на друкованій платі;

а – конструкція сенсору;

б – сенсор лінійної швидкості(індикація  визначеного лінійного положення); 5 – лінійний ротор з ділянками  з високою відбивною здатністю  та низькою які чергуються;

 в – сенсор кутової  швидкості(індикація визначеного  кутового положення); 5 – обертовий   ротор – крильчатка з ділянками  з високою відбивною здатністю  та низькою які чергуються; 6 –  обертовий вал;

г – сенсор кутової швидкості  зі спеціальною конструкцією ротору; 5 – обертовий ротор з низькою  відбивною здатністю фону(чорного  кольору); 6 – смуги ротора які  чергуються з високою відбивною  здатністю; 7 – обертовий вал.

 

        Світлодіод і фототранзистор рефлективного сенсора розташовані по один бік поверхні досліджуваного об'єкту. Рефлективні сенсори забезпечують більшу гнучкість монтажу, але характеризуються фокусною відстанню (оптимальною відстанню від сенсору до досліджуваного об'єкту), на якому він повинен бути встановлений (зазвичай в межах 2,54-12,7 мм) і відносно якого визначається робочий діапазон пристрою.

При конструюванні рефлективного сенсору найважливішою вимогою до досліджуваної поверхні є її відбивна здатність і якість відображення. Наприклад, для задач визначення швидкості, колір вала двигуна і ротора фарбується чорним (рис. 2.2г), тоді смуги матеріалу на валу забезпечують періодичне переключення сенсору.

Промінь, відбитий від стандартної  поверхні, не сфокусований і являє  собою усічений конус з основою на рефлективнії поверхні, освіченою відбитим конічним світловим пучком світлодіода, що не дозволяє з високою точністю виявити малі об'єкти і обмежує просторову роздільну здатність сенсору. Для того щоб зменшити діаметр відбитого променя, в якості джерел світла застосовуються лазерні світлодіоди, а для фокусування променя на його шляху від світлодіода до фотодетектора в сенсор вбудовуються лінзи.

Похідним від рефлективного типу сенсорів є волоконно-оптичний сенсор переміщення, що містить дві групи волоконної оптики: передавальні волокна, підключені до джерела світла, і волокна приймаючі сигнал , які під'єднані до фотодетектора (фотодіоду) і об'єднані в одному корпусі. Світло від джерела передається через оптоволокно на поверхню цілі і відбивається назад, частина відбитого світла вловлюється приймаючими оптоволокнами і потрапляє на фотодетектор, реєструючий інтенсивність відбиття, яка являє собою нелінійну функцію властивостей поверхні і відстані до цілі. Цей тип сенсорів може потребувати періодичної калібровки.

Рефлективні сенсори використовуються в багатьох сферах - у промисловості або комп'ютерах (сенсори для комп'ютерних мишей). У автоелектроніці даний тип пристроїв застосовується досить широко - наприклад, для контролю положення пасажира, в сенсорах дощу і в перетворювачах, а крім того, стає базовою схемою, цікавою для перетворення вимірювальних концепцій по відношенню до інших типів сенсорів.

 

        2.2 Оптичні перетворювачі

        Оптичні методи досить популярні в автоелектроніці, оскільки принцип їх роботи простий, а точність вища, ніж у електричних методів.

У порівнянні з оптичними перетворювачами магнітні перетворювачі володіють наступними перевагами: працюють в умовах підвищеної забрудненості і високих температур, а також забезпечують зменшене число компонентів. Оптоелектронні схеми досить прості, але магнітні перетворювачі концентрують вимірювальні, обчислювальні та інтерфейсні функції в просторі однієї ІС, в підсумку забезпечуючи загальний малий розмір пристрою і низьку ціну.

Високу точність, здатність  надавати інформацію в цифровій формі, стабільність і завадостійкість  забезпечують саме принципи, що лежать в основі перетворювальних технологій [5, 6]. Саме оптична технологія запропонувала ряд класичних способів для побудови перетворювача - сенсора, що надає інформацію про рух, положення або напрямок або безпосередньо в цифровій формі, або генеруючою послідовністю імпульсів, з якої після оцифровки може бути сформований цифровий код.[7]

 

 

Рисунок 2.3 – Інкрементальний перетворювач – сенсор відносного положення, швидкості та напрямку.

а – б – кутовий інкрементальний перетворювач; в – конструкція вимірювальної голівки; 1 – корпус сенсору; 2 – світлодіод – джерело світла для інкрементальних каналів А і Б;

3,4 – ординарні фотодетектори(фототранзистор чи фотодіод); 5 – світлодіод – джерело світла для індексного каналу; 6 – фотодетектор індексної мітки; 7 – термінали для монтажу на друкованій платі; 8 – елементи для монтажу корпусу; 9 – 4 – бітний перфорований ротор з прорізами; 10 – прорізи для інкремальних каналів; 11 – проріз – індексна мітка; 12 – обертовий вал;

г -  варіант виконання 4 – бітного інкрементального ротору з скла;

д – е – варіанти сигналів інкрементального енкодеру;

д – цифровий інкркментальний енкодер.

 

        2.3 Сенсор дощу на основі оптичного перетворювача

       

        Для адаптації інформації, отриманої за допомогою камер, до різних умов освітлення, а також для реалізації ряду спеціальних функцій, наприклад, коректування підсвічування дисплеїв та індикації кольорів застосовуються сенсори дощу / світла (кольору) (рис. 2.4).

 

Рисунок 2.4 - Сенсори дощу та світла для контролю роботи склоочисників:

 

а - конструкція і принцип дії сенсору дощу і навколишнього світла Bosch;

б - сенсор дощу і світла Hella, інтегрований в дзеркало заднього виду;

в, г - сенсор дощу, світла і сонця Hella, інтегрований в дзеркало разом з камерою LDW (г);

д - сенсор дощу / світла / тунелю Valeo;

е - принцип роботи сенсору:

   характеристики: інфрачервоний і видиме світло підвищує надійність

   системи; режим Stand-by з малим енергоспоживанням (<400 мА); малий

   розмір, легка інтеграція (30 мм діаметр, 10 мм товщина, 45 см довжина);

  рециркуляція повітря в тунелі; оптимізований людино-машинний інтерфейс,

  в залежності від умов освітлення (день / ніч);

1 - система з сенсором  дощу / світла Rain Light Tunnel (RLT) точно розрізняє

різні типи умов освітлення (день, ніч, тунель, гараж, дощ та інші),

2 - система адаптує освітлення автомобіля відповідно до змін у навколишньому освітленні,

2. - система автоматично вмикає систему передніх склоочисників і регулює

швидкість склоочисників в залежності від умов.

 

Для адаптації до різних умов освітленості Hella в своїх системах камер LDW, серійне виробництво яких почнеться в 2006 році, вводить також сенсори світла, дощу і відповідні керуючі пристрої. Майбутні покоління систем LDW націлені на використання з менш структурованим оточенням. Передбачається інтегрування камер LDW і сенсорів світла / дощу в один блок - для зменшення системного простору.

Елементна база сенсорів світла (кольору) пропонується, наприклад, компаніями Taosinc і Vishay .

Типові сенсори дощу, основні виробники яких - компанії Bosch, Denso, Kostal, TRW і Valeo, звичайно являють собою малий фотоелектричний рефлективний сенчор, закріплений на внутрішній поверхні скла, оптичний шлях якого порушують дощові краплі (рис. 2.4а).

 

       Сенсор випромінює світлові промені на вітрове скло під кутом 45 °. Світло відбивається від зовнішньої поверхні вітрового скла і потрапляє в оптичний детектор сенсору. Якщо вода прилипає до зовнішньої поверхні і осідає у вигляді крапель, світловий промінь руйнується, що реєструється фотодетектором. Ця інформація використовується для включення і коректування швидкості склоочисників, що звільняє водія від ручного перемикання. Сенсори дощу в даний час знаходять попит, що збільшується в автомобілях верхнього цінового класу. Поточні моделі сенсорів дощу, наприклад, датчик Bosch, показаний на мал. 2.4а, додатково вимірюють навколишнє світло для включення / виключення фар.

Інтегрований сенсор дощу / світла Hella з мікропроцесором комбінує функції контролю світла і автоматичного контролю склоочисників (рис. 2.4б-р). Доступні додаткові дані, наприклад швидкість і зовнішня температура. Оптичний сенсор світла записує такі дані, як навколишнє світло, світло у фронті автомобіля. Дві роздільних оптичних системи дозволяють точне виявлення умов освітлення (день, сутінки, ніч) і проїзд через тунелі і мости. Це гарантує, що світло автомобіля може бути адаптовано дуже швидко і надійно.

 

Сенсори Valeo Rain Light Tunnel (RLT) (рис. 2.4д-е) надають водієві інформацію про навколишнє освітлення і може диференціювати ситуації: день, ніч, тунель, перехід, дощ, гараж і дерева. За сигналами від бортового комп'ютера, який обробляє інформацію з сенсору, в умовах тунелю автоматично вмикаються фари, при появі дощу автоматично на підходящії швидкості вмикаються склоочисники, що допомагає поліпшувати видимість в поганих погодних умовах і при слабкій освітленості, зменшує відволікання водія від необхідності ручного контролю і привносить внесок в активну дорожню безпеку.

Модулі, розроблені Hella і Valeo, інтегрують як сенсори світла / дощу, так і камери і сенсори кондиціонування повітря, підвищуючи функціональність, мінімізуючи простір для інсталяції, підвищуючи якість і знижуючи ціну (рис. 2.4б-д).

         На рисунку 2.5 зображені схеми  підєднання сенсору дощу.[7]

Рисунок 2.5 – Типові принципові електричні схеми для підєднання сенсорів

а – схема на основі фототранзистора з цифровим виходом;

б – схема на основі фотодіода  з аналоговим імпульсним виходом;

в – схема на основі фотодіода  з цифровим імпульсним виходом;

VD1 – світлодіод; VD2 – фотодіод; VT1 – фототранзистор; R1,R2 – струмообмежуючі резистори.

Переваги оптичних сенсорів:

• безконтактність;
• висока точність;
• стійкість до радіочастотних та магнітних перешкод;
• необхідність малого числа вимірювальних компонентів;
• висока надійність та стабільність;
• здатність надавати інформацію у цифровій формі.

Недоліки:

• чутливість до забруднень;
• відносно низька швидкість перемикання фототранзистора.

 

 

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

1. Сысоева С. Автомобильные акселерометры // Компоненты и технологии. 2005. № 8, 9. 2006. № 2-5.
2. Сысоева С. Датчики // Компоненты и технологии. 2005. № 5/1.
3. Ramsden Ed //Choosing a sensor to measure rotation. Cherry Electrical Products. Electronic Products, Sep 1999. www.electronicproducts.com
4. Ball St //Exploring optical and magnetic sensors. Embedded Systems Programming (06.17.03).
5. Lee G., King R // Optical Incremental and Absolute Rotary Encoders,Texas Advanced Optoelectronic Solutions, Plano, Texas. www .taosinc.com
6. Korte R // The Basics Of Encoders, President Heidenhain Corporation.

www .mmsonline.com/articles/ 049703.html

7. Сысоева С. Автомобильные датчики положения // Компоненты и технологии. 2005. № 5/12.