MTR 2009 Wstep do mechatr cz 6

Politechnika Wrocławska

W y d z i a ł M e c h a n i c z n y

Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji

Kierunek studiów:

Mechatronika

Studia I-stopnia, rok I, sem. 2, rok akad. 2008/09

Materiały do wykładu „

Wst

p do

Wst

p do

mechatroniki

mechatroniki”

Przykłady systemów mechatronicznych: urz

dzenia

codziennego u

ytku i samochody

Dr in

. Zbigniew Smalec (p. 3.19 B-4)

ęść

6 (1 – 49)

Wrocław, 2009

1. Automat do kart przejazdu

wietlenie
ceny

Wydanie

karty/ reszty

Wybór

karty

Wrzucenie

pieni

dzy

2. Bankomat

Sprawdzenie

karty

Sprawdzenie

limitu dziennego

Wło

enie

karty EC

Wprowa-

dzenie PIN

Sprawdze-

nie PIN

Wybór

kwoty

Wydanie

karty/ pie-

dzy

3. Kamera cyfrowa

Pozycjonowa-

nie celownika

Kompry-

mowanie

Wybór

motywu

Naci

cie

wyzwalacza

Autofocus/

automatyka

wietlenia

Sondowa-

nie obrazu

Zapami

tanie

4. Pralka automatyczna

Automatyczny przebieg programu prania

wst

pnego, pranie, płukanie, wirowanie, itd. ...

Wło

enie

prania

Napełnienie

proszkiem

Wybór

programu

5. Kserograf

Powi

kszenie/

zmniejszenie

Korekcja o

wietlenia/

kontrastu

Wło

enie

oryginału

Wybór opcji

kopiowania

Sondowanie

oryginału

Naci

cie

na start

Przeniesienie obrazu

na walec tonera

Przeniesienie

obrazu na papier

Wyprowadzenie

kopii

Utrwalanie

6. Automat do gier

Obrót 3
walców

Wło

enie

pieni

dzy

Uruchomie-

nie gry

Naci

cie stopu

Zatrzymanie

walców

Ewentualne

wyprowadzenie

wygranej

Przebiegi funkcyjne ró

nych urz

dze

codziennego u

ytku

Jednym z powszechnie znanych urz

dze

, na

przykładzie którego mo

na bardzo wyra

nie pokaza

rozwój od mechanicznego do mechatronicznego
wyrobu, jest aparat fotograficzny (lustrzanka).
Przed 30-40 laty aparat fotograficzny był
urz

dzeniem czystej mechaniki precyzyjnej z optyk

o ograniczonych mo

liwo

ciach. Obecnie, oprócz

soczewek w mechanicznej obudowie, w aparacie s

zawarte prawie wył

cznie składniki mechatroniczne

pochodz

ce z techniki sterowania i regulacji,

elektroniki cyfrowej i oprogramowania, które dzi

ich

cisłemu współdziałaniu mog

realizowa

znacznie bardziej zło

one funkcje. Sensory słu

żą

okre

lania ostro

ci, o

wietlenia obiektu i czuło

filmu. Sygnały z tych sensorów s

przeliczane za

pomoc

oprogramowania steruj

cego zawartego w

zintegrowanym mikroprocesorze, które umo

liwia

ponadto zapami

tanie zdefiniowanych przez

ytkownika nastaw i integracj

funkcji

dodatkowych. Wyniki tych oblicze

nast

pnie

przetwarzane przez aktuatory, najcz

ęś

ciej silniki

elektryczne i elektromagnesy, w ustawienie
przysłony i migawki, ostro

ci i automatyczne

przesuwanie filmu.

Sensory dla:
- autofocus’a,
- o

wietlenia obiektu,

- czuło

ci filmu.

Akuatory dla:
- autofocus’a,
- otwarcia przysłony,
- przesuwania filmu.

Oprogramowanie m.in. do:
- integracji funkcji dodatkowych,
- zapami

tywania nastaw,

- przetwarzania sygnałów z sensorów.

Aparat fotograficzny (lustrzanka) jako przykład

systemu mechatronicznego

Budowa lustrzanki cyfrowej

Główny

mikro-

kontroler

Mikro-

kontroler

obiektywu

Interfejs I/O

Nap

pozycji

obiektywu

Driver LCD

Przyporz

dkowana

lampa błyskowa

Przycisk migawki z

dwoma poło

eniami

Test baterii

Silnik pr

du stałego o kształcie

łukowym

Silnik ultrad

kowy

Dajnik

Silnik krokowy przysłony

Sterowanie nap

dem

przysłony

Zewn

trzny

wietlacz

celownika

Czujnik sterowania lamp

błyskow

Czujnik

Dalmierz

Element nastawiania migawki

Przesuni

cie klatki filmu, sterowanie

powrotem zwierciadła

Silnik

Przysłona

Obudowa

obiektywu

Migawka

Bateria

Film

Zwierciadło, które obraca
si

do góry, gdy

wykonywane jest zdj

cie

Celownik

Czujnik

wiatła lustrzanki

Obliczana jest warto

ść

rednia C z pomiaru C1

÷÷÷÷

C4.

Program:

eli B jest równe A i C minus B jest mniejsze od 0,

to wtedy o

wietlenie jest nastawiane na warto

ść

eli B jest równe A i C minus B jest równe 0,

to wtedy o

wietlenie jest nastawiane na warto

ść

Te informacje s

nast

pnie przetwarzane przez mikrokontroler w odpowiednie warto

ci szybko

ci zamykania

migawki oraz warto

ść

ustawienia przysłony. Je

eli aparat pracuje z wybran

wcze

niej przez fotografa

szybko

zamykania migawki, to wówczas podawana jest tylko warto

ść

dla przysłony. W podobny sposób

przy wybranej wcze

niej przysłonie obliczana jest szybko

ść

zamykania migawki.

Dalmierz ma dwa liniowe 48-bitowe pola z
fotodetektorami.

wiatło z motywu pada przez

obiektyw kamery na to pole. Je

eli obraz jest

nastawiony ostro, to odległo

ść

dzy obrazami i

polem detektora ma okre

lon

warto

ść

. Odległo

ść

odbiega od tego, je

eli obraz nie jest ostro

nastawiony. Rozmiar tego odchylenia jest
wykorzystywany do wyprowadzenia sygnału bł

du,

który jest dostarczany do mikrokontrolera obiektywu i
słu

y do wyprowadzenia wielko

ci wyj

ciowej do

ustawienia ostro

ci obiektywu. Do sprz

ęż

enia

zwrotnego tej nastawy jest wykorzystywany sensor,
dzi

ki czemu mikrokontroler „wie”, kiedy ostro

ść

została dobrze ustawiona.

Motyw

Obiektyw

aparatu

Płaszczyzna filmu

Ostry obraz

Fotosensory

Pomiar o

wietlenia i odległo

ci w lustrzance cyfrowej

Sterowanie

mikroproce-

sorowe

Wł

cznik

układu

Naci

cie przycisku,

gdy ma by

wykonane

zdj

cie

Test baterii

Wł

czenie

interfejsu

Dalmierz

wiatłomierz

Dajnik dla
pozycji
obiektywu

wietlacz

danych

Silnik

Nap

d przysłony

Nap

d pozycji

obiektywu

Nap

d silnika

Magnes

Silnik
krokowy

Przesuw
filmu

Aktuator do
otwarcia
migawki

Aktuator do
zamkni

cia

migawki

Schemat automatycznego aparatu fotograficznego

Program sterownika mikroprocesorowego aparatu składa si

z poszczególnych kroków, w których

realizowane s

okre

lone rozstrzygni

cia logiczne (na sygnałach binarnych 0/1). W zale

od stanu sygnałów wej

ciowych wyprowadzane s

stany sygnałów wyj

ciowych.

Aparat fotograficzny

Ustawienie

spoczynkowe

Sterowanie

Pomiar o

wietlenia

Skupianie (Focus)

Wst

pne naci

cie

Wst

pne naci

cie

wyzwalacza

Pełne naci

cie

Pełne naci

cie

wyzwalacza

Sterowanie automatycznym aparatem fotograficznym

W pełni automatyczny odkurzacz Trilobite

firmy Electrolux

Odkurzacz samoczynnie sonduje
pomieszczenie, nawiguje pomi

dzy

wszystkimi meblami, czujniki ultrad

kowe

rozpoznaj

przeszkod

, a on je łatwo

omija.

Kable i kraw

dzie dywanów nie stanowi

trudno

ci, poniewa

de z kół mo

e si

pojedynczo zatrzymywa

. Zintegrowany układ

tłumienia łagodzi uderzenia.

Odkurzacz zatrzymuje si

przed schodami

dzi

ki dodatkowo umieszczonej opasce

magnetycznej na pierwszym stopniu.

Do automatycznego ładowania sam doje

do stacji ładuj

cej. Nast

pnie, je

eli jest to

konieczne, kontynuuje odkurzanie i wył

cza

automatycznie po zako

czeniu.

Sterownik

Dajnik

taktu

Program

Wielko

ci wej

ciowe

Wielko

ci wej

ciowe

Wielko

wyj

ciowe

wyj

ciowe

Pompa

Zawór

Grzałka

Silnik

ben pralki

automatycznej

Sprz

ęż

enie zwrotne wielko

ci wyj

ciowych: poziomu wody,

temperatury wody, pr

dko

ci obrotowej b

bna i zamkni

tych drzwi

Elementy

wykonawcze

Proces

Poziom wody

Temperatura
wody

dko

ść

obrotowa b

bna

Drzwi
zamkni

Pralka automatyczna z programatorem

elektromechanicznym

wietlacz

Klawiatura

ADC

Timer

Port B

Port C

PWM

CPU

ROM

EEPR

Port C

Mikrosterownik

(mikrokontroler)

Czujnik temperatury

Wej

cie warto

ci zadanej

dko

ci obrotowej

Sygnał z modulacj

szeroko

impulsów do regulacji pr

dko

obrotowej

cznik drzwi: gdy drzwi s

otwarte, to program jest

przerywany

Przerwanie

Czujnik poziomu wody

Zawór wody gor

cej

Zawór wody zimnej

Regulacja pompy wody

Blokada drzwi

Sumator

Kierunek obrotów silnika

Regulator grzania

Pralka automatyczna ze sterowaniem mikrokomputerowym

sto stosowanym w pralkach sterownikiem jest mikrokontroler Motorola M68HC11. Sygnały wej

ciowe

temperatury wody i pr

dko

ci obrotowej s

wprowadzane przez przetwornik analogowo-cyfrowy ADC. Port A

dostarcza sygnałów wyj

ciowych do ró

nych aktuatorów oraz przyjmuje sygnał wej

ciowy o poziomie wody. Port

B wyprowadza sygnały do wy

wietlacza. Natomiast port C wyprowadza sygnały wyj

ciowe do wy

wietlacza oraz

przyjmuje sygnały wej

ciowe z klawiatury, za pomoc

których okre

lane s

ró

ne programy.

Zastosowanie sensorów w artykułach (sprz

cie) gospodarstwa domowego

Zastosowanie sensorów w technice ogrzewania, klimatyzacji i ochronie budynków

Wilgotno

ść

, masa (ci

ęż

ar) F wsadu

wło

onego do podgrzania

Kuchenka mikrofalowa

Waga osobowa, kuchenna

T, F, s

Piece, maszyny do kawy, suszarki

Odkurzacz

nienie p1, twardo

ść

wody, wilgotno

ść

ęż

ar wsadu F, zabrudzenie wody

Poziom wody

Pralka automatyczna

s, T

Poziom wody

Zmywarka

Wielko

ci mierzone

Wyszczególnienie

Koncentracja (selektywnie)

Czujnik obecno

ci gazu (gazy palne, CO)

Czujka dymu

Ruch

Ochrona przed włamaniem

T, f

Pompa ciepła, kolektor słoneczny

g delta p, spaliny - T, zawarto

ść

Kontrola instalacji grzewczej

f, delta T

Pomiar ilo

ci ciepła z zewn

trznego grzania

Wielko

ci mierzone

Wyszczególnienie

Zastosowanie sensorów w artykułach gospodarstwa

domowego oraz w technice ogrzewania i klimatyzacji

Rozwój konstrukcji samochodu jako

systemu mechatronicznego

Ewolucj

mechatroniczn

dobrze ilustruje przykład rozwoju konstrukcji samochodu. Do lat 60. XX

w. jedynym urz

dzeniem elektronicznym w samochodzie było radio, a wszystkie inne funkcje były

realizowane całkowicie mechanicznie lub elektrycznie (np. rozrusznik i układ ładowania
akumulatora). Poza zderzakami i elementami konstrukcji nadwozia nie było tak

adnych

„inteligentnych systemów bezpiecze

stwa” do ochrony pasa

erów podczas wypadku. Pasy przy

siedzeniach, wprowadzone na pocz

tku lat 60. XX w., miały na celu poprawienie bezpiecze

stwa

pasa

era i działały całkowicie mechanicznie. Wszystkie systemy silnika były sterowane przez

kierowc

i/lub inne mechaniczne układy sterowania. Do sterowania zapłonem u

ywany był

rozdzielacz mechaniczny, a sterowan

zmienn

była chwila zapłonu. Mechanicznie sterowany

proces zapłonu nie był optymalny z punktu widzenia sprawno

ci spalania i zu

ycia paliwa.

Modelowanie procesu spalania pokazało,

e dla uzyskania wzrostu sprawno

ci spalania i

zmniejszenia zu

ycia paliwa konieczna jest optymalna chwila (pocz

tek) zapłonu. Ta chwila zale

od obci

ąż

enia silnika, jego szybko

ci (pr

dko

ci obrotowej) i innych mierzalnych wielko

ci. Dlatego

elektroniczny układ zapłonowy był jednym z pierwszych systemów mechatronicznych, które

zostały wprowadzone do samochodów pod koniec lat 70. XX w. Układ ten składa si

z sensora

poło

enia wału korbowego, sensora pozycji wałka krzywkowego, sensora przepływu powietrza,

sensora pozycji przepustnicy, sensora zmiany pozycji przepustnicy oraz specjalistycznego
mikrokontrolera, okre

laj

cego chwil

zapłonu. Pierwsze wdro

enia elektronicznego zapłonu

zawierały tylko sensor Hall’a do dokładnego wykrywania pozycji wałka rozdzielacza. Natomiast
kolejne wdro

enia całkowicie wyeliminowały rozdzielacz i bezpo

rednio sterowały zapłonem za

pomoc

mikroprocesora.

System przeciwdziałaj

cy blokowaniu kół podczas hamowania (ABS) został równie

wprowadzony

pod koniec lat 70. XX w. System ABS wykrywa zablokowanie jednego z kół i poprzez modulowanie
ci

nienia hydraulicznego w układzie hamulcowym, powoduje zminimalizowanie lub wyeliminowanie

lizgu koła i dzi

ki temu utrzymanie przyczepno

ci niezb

dnej do skr

cania samochodem.

W połowie lat 90. XX w. został wprowadzony system sterowania trakcj

(niem. ASR, ang. TCS).

W systemie ASR po wykryciu po

lizgu kół nap

dzanych podczas przyspieszania nast

puje

modulacja mocy doprowadzanej do „buksuj

cego” koła. Takie działanie powoduje,

e pojazd

przyspiesza z maksymalnym przyspieszeniem mo

liwym dla okre

lonych warunków podło

a i

pojazdu (nacisk koła na podło

e). Natomiast sterowanie dynamik

pojazdu (niem. ESP, ang.

VDC) wprowadzono pod koniec lat 90. XX w. ESP działa podobnie do ASR z dodaniem sensora
tempa obrotu samochodu dokoła osi pionowej i sensora przyspieszenia poprzecznego. Zamiary
kierowcy okre

lane s

przez pozycj

koła kierownicy i porównanie tej pozycji z rzeczywistym

kierunkiem ruchu samochodu. Nast

pnie system ESP uruchamia sterowanie dostarczaniem

momentu nap

dowego do kół, sterowanie pr

dko

pojazdu i minimalizuje ró

nic

dzy

kierunkiem skr

tu kierownicy i kierunkiem ruchu pojazdu. W niektórych przypadkach do uzyskania

żą

danego sterowania (zmniejszania pr

dko

ci samochodu) jest równocze

nie u

ywany ABS.

W obecnie produkowanych samochodach do implementacji ró

nych systemów sterowania stosuje

8-, 16- lub 32-bitowe jednostki centralne CPU (ang. Central Procesor Unit). Mikrokontroler ma

na płytce pami

ęć

(EEPROM/EPROM), wej

cia analogowe i cyfrowe, przetworniki analogowo-

cyfrowe, modulacj

szeroko

ci impulsu (PWM), funkcje timer’a, takie jak zliczanie zdarze

pomiar szeroko

ci impulsu, priorytetowane wej

cia, a czasami tak

e przetwarzanie sygnałów

cyfrowych. I tak 32-bitowego procesora u

ywa si

do zarz

dzania silnikiem, sterowania skrzyni

biegów i poduszkami bezpiecze

stwa; 16-bitowego procesora w ABS, ASR i VDC, tablicy

przyrz

dów i klimatyzacji; a 8-bitowego do sterowania siedzeniami, lusterkami i szybami. Obecnie

w samochodzie wy

szej klasy jest od 30 do 60 mikrokontrolerów. Oczekuje si

e dalszy rozwój

dzie nast

pował w kierunku modularnego systemu z podsystemami mechatronicznymi typu

„plug-and-play”. Mechatronika stała si

zatem konieczno

dla zró

nicowania produktu jakim

jest samochód, a poniewa

podstawy silnika spalinowego opracowano ju

ponad sto lat temu, to

ró

nice w konstrukcji silnika przestały by

czynnikiem ró

nicuj

cym samochody.

Systemy mechatroniczne w samochodach

W latach 70. XX w. japo

scy producenci samochodów opanowali rynek samochodowy USA przez

oferowanie małych samochodów o wysokiej jako

ci i niskim zu

yciu paliwa. Jako

ść

pojazdu była

czynnikiem ró

nicuj

cym produkt przez lata 80. Natomiast w latach 90. XX w. konsumenci zacz

wymaga

jako

ci i niezawodno

ci od wszystkich wytwórców samochodów. Obecnie w tym

tradycyjnie mechanicznym systemie czynnikiem ró

nicuj

cym samochody stały si

cechy

mechatroniczne. Ten proces ró

nicowania jest przyspieszany przez coraz ta

elektronik

wzrost zapotrzebowania rynku na innowacyjne produkty o cechach „inteligentnych” i przez d

ąż

enie

do redukcji kosztów wytwarzania istniej

cych produktów przez przeprojektowanie wbudowanych

elementów mechatronicznych. Przy niewielkim wzro

cie produkcji (2-3%) wytwórcy samochodów

poszukaj

cech „high-tech”, które b

odró

nia

ich samochody od innych. I tak np. rynek

elektroniki motoryzacyjnej w Ameryce Północnej pod koniec lat 90. XX w. wynosił ok. 20 mld
dolarów, a w 2004 r. osi

ł warto

ść

28 mld dolarów. Nowe zastosowania systemów

mechatronicznych w

wiecie samochodowym to samochody półautonomiczne i w pełni

autonomiczne, poszerzenie bezpiecze

stwa, redukcja emisji spalin, „inteligentne” sterowanie

dko

na trasie i eliminuj

cy hydraulik

elektromechaniczny system hamowania (ang. brake by

wire). Inne obszary rozwojowe to mechatroniczne podej

cie do projektowania w bezprzewodowym

poł

czeniu samochodów z sieci

stacji i w komunikacji pojazd-pojazd. Najwi

kszym potencjalnym

obszarem rozwojowym wydaje si

telematyka, która ł

czy razem magnetofon, telefon

komórkowy, nawigacj

, poł

czenie z internetem, e-mail i rozpoznawanie głosu. Oczekuje si

e na

pocz

tku XXI w. zastosowanie elektroniki w samochodach b

dzie wzrasta

o 6% rocznie, a

funkcjonalno

ść

elektroniki w tym czasie podwoi si

. Technologi

umo

liwiaj

tani rozwój sensorów

i aktuatorów dla zastosowa

mechatronicznych jest mikroelektromechanika (MEMS). Ju

obecnie w

samochodach jest wiele urz

dze

MEMS. S

to sensory i aktuatory poduszek bezpiecze

stwa, czy

sensory do mierzenia ci

nienia w kolektorze ss

cym. Integrowanie na tym samym chipie

silikonowym urz

dze

MEMS z obwodami CMOS do kondycjonowania sygnału jest kolejnym

przykładem nowej technologii, która polepszy produkt mechatroniczny jakim jest samochód.

Systemy mechatroniczne w samochodach

W ostatnim okresie zastosowanie w samochodach znajduje radar. Jego fale o milimetrowej
długo

ci wykrywaj

w czasie rzeczywistym poło

enie obiektu (innych pojazdów) w otoczeniu,

odległo

ść

do przeszkody i jej pr

dko

ść

. Technika ta oferuje mo

liwo

ść

sterowania odległo

dzy pojazdem a przeszkod

(inny pojazd) przez zintegrowanie sensora z systemem

sterowania pr

dko

na trasie i z ABS. System ABS i system sterowania pr

dko

wzajemnie powi

zane w celu osi

gni

cia tych nowych mo

liwo

ci. Jednym z logicznych

rozszerze

zdolno

ci do omijania przeszkód jest kierowanie półautonomiczne przy małej

dko

ci, kiedy to pojazd utrzymuje stał

odległo

ść

od pojazdu przed nim jad

cym podczas

jazdy w korku ulicznym.

Przewiduje si

e w perspektywie 20 lat rozwój mechatroniki doprowadzi do pojazdów w pełni

autonomicznych. Obecnie wiele o

rodków prowadzi badania nad rozwojem samochodu

półautonomicznego z reaktywnym planowaniem toru jazdy przez uaktualnianie modelu ruchu za
pomoc

GPS i automatyzacj

procesu zatrzymywanie/ ruszanie. Proponowana sensoryka i

system sterowania dla takiego pojazdu zawieraj

zró

nicowane systemy pozycjonowania

globalnego (DGPS), przetwarzanie obrazu w czasie rzeczywistym i dynamiczne planowanie toru
jazdy.

Innym ciekawym przykładem ewolucji mechatronicznej mo

e by

rozwój konstrukcji hamulca

samochodowego. Skuteczne urz

dzenia hamulcowe od pocz

tków rozwoju konstrukcji

samochodu osobowego w 1885 r. nale

żą

do najwa

niejszych urz

dze

bezpiecze

stwa w

samochodzie. Musz

one odporne na uszkodzenia i by

w stanie stabilnie zatrzyma

pojazd na najkrótszej drodze we wszystkich warunkach jazdy. Hamulec samochodowy mo

dobrym przykładem historii sukcesu rozwoju systemu od czysto mechanicznego do

mechatronicznego. Niezmieniona pozostała przy tym podstawowa zasada działania –
przetworzenie energii ruchu w ciepło przez tarcie mi

dzy dwoma ciałami

Systemy mechatroniczne w samochodach

W samochodzie z 1885 r. hamulec ta

mowy z przekładni

pasow

był uruchamiany r

cznie za

pomoc

wigni. Kolejne etapy rozwoju hamulca polegały wył

cznie na poprawieniu mechaniki lub

hydrauliki i były motywowane wzrostem mocy, bezpiecze

stwa i niezawodno

ci. Granica czysto

mechanicznie realizowanych systemów hamulcowych została osi

gni

ta wtedy, gdy konstruktorzy

zacz

li wymaga

bardziej zło

onych zada

regulacyjnych oraz wi

kszego przetwarzania informacji.

Wprowadzenie funkcji zapobiegaj

cej blokowaniu kół podczas hamowania (ABS) w 1978 r. było

liwe przez uzupełnienie funkcji mechanicznych funkcjami elektronicznymi: elektroniczne

sensory, przetwarzanie informacji (mikroprocesor) oraz elektronicznie uruchamiane hydrauliczne
zawory przeł

czaj

ce, które jako urz

dzenia wykonawcze (aktuatory), steruj

nieniem

hamowania. Dopiero dzi

ki integracji sensorów, sterownika i aktuatorów zapewniona została

całkowita funkcjonalno

ść

ABS. Kolejn

innowacj

w 2001 r. było rozdzielenie poł

czenia

hydraulicznego mi

dzy pedałem hamulca a hamulcami kół w hamulcu elektrohydraulicznym. Znane

do tej pory naciskanie pedału hamulca zast

piono jednostk

uruchamiaj

, zło

z czujnika

poło

enia (wci

cia) pedału i sensorów do rejestracji

yczenia kierowcy. Sygnały tej jednostki i

innych sensorów s

przenoszone na drodze elektrycznej (ang. by wire) do regulatora w sterowniku.

W j

drze hamulca elektrohydraulicznego interdyscyplinarne przestrzenne współdziałanie budowy

maszyn, elektrotechniki i techniki informacyjnej pokazuje swoje najwi

ksze zalety. Mikrokomputer,

oprogramowanie, sensory, zawory elektrohydrauliczne i pompa elektryczna pracuj

razem i

umo

liwiaj

całkowicie nowe, bardzo dynamiczne zarz

dzanie hamulcem.

Natomiast w hamulcu elektromechanicznym z 2006 r, idzie si

jeszcze dalej, gdy

rezygnuje si

cylindra i przewodów hydraulicznych, zast

puj

c je kablami elektrycznymi. Zastosowanie elektroniki

zmniejsza nakłady na obsług

i oznacza rezygnacj

z neutralizowania płynu hamulcowego.

Sensory pedału hamulca okre

laj

, jak silnie kierowca chce zahamowa

. Sterownik przetwarza

odebrane sygnały i oblicza dla ka

dego koła sił

, z jak

klocki powinny zosta

doci

te do tarczy

hamulcowej.

Od hamulca mechanicznego do elektrohydraulicznego

i elektromechanicznego

Moduły hamulcowe koła składaj

z: sterownika elektrycznego, silnika elektrycznego i przekładni

wytwarzaj

cej siły docisku w gnie

dzie hamulca. Hamulec elektromechaniczny reaguje bardzo

szybko i przez to skraca drog

hamowania. Elektroniczny pedał hamulca, jego wygodne,

ergonomiczne usytuowanie i minimalne siły nacisku umo

liwiaj

skrócenie o 0,5 s czasu podczas

uruchomienia hamowania, co skraca drog

hamowania ze 100 km/h o około 20%. Wył

cznie

elektryczne przekazywanie sygnału sprawia,

e moduł pedału mo

na przesun

ąć

bli

ciany

podwozia, czego nie mo

na zrobi

w hamulcu hydrauliczno-mechanicznym lub elektrohydraulicznym.

Dzi

ki temu uzyskuje si

cej miejsca wewn

trz pojazdu i mniejsze ryzyko nara

enia w przestrzeni

nóg.
Rozwój konstrukcji urz

dze

hamulcowych pojazdów w ostatnich 120 latach jest wyrazem przemiany

od systemu mechanicznego do systemu mechatronicznego. Wymagania dotycz

ce mniejszej zwłoki

lub rosn

cej funkcjonalno

ci, bezpiecze

stwa, komfortu, ekonomiczno

ci i lepszej zgodno

ci ze

rodowiskiem, przy równocze

nie coraz krótszych cyklach produkcji, warunkuj

wysoki stopie

integracji na płaszczy

nie systemowej i czyni

mechatronik

coraz bardziej znacz

cym czynnikiem

przyszłych innowacji, szczególnie z punktu widzenia konkurencyjno

ci produktów na rynku.

Przyszłe systemy mechatroniczne w samochodach przewiduj

m.in. niezaparowuj

szyb

opart

na sensorach temperatury i sterowaniu klimatem, samoczynne równoległe parkowanie,
wspomaganie parkowania tyłem, pomoc podczas zmiany pasa jezdni, elektroniczny bezpłynowy
układ hamulcowy (ang. brake-by-wire) oraz zast

pienie systemów hydraulicznych serwosystemami

elektromechanicznymi. Poniewa

nie liczba samochodów, to nieuniknione s

tak

e coraz bardziej

rygorystyczne standardy emisji gazów. Produkty mechatroniczne z du

ym prawdopodobie

stwem

przyczynia

do sprostania wyzwaniom sterowania emisj

gazów i sprawno

silnika przez

zapewnianie istotnej redukcji wydzielania CO, NO i HC oraz wzrost sprawno

ci pojazdu. Oczywi

cie,

e samochód z 30-60 mikrokontrolerami, 100 silnikami elektrycznymi, du

żą

liczb

sensorów i

tysi

cami linii kodu oprogramowania słusznie uwa

a si

za system mechatroniczny.

Hamulec elektromechaniczny i mechatronika

w samochodach

W klasycznej mechanice rozpatrywany jest nast

puj

cy problem: jaki ruch wykona ciało, je

eli działa

na nie siła, a jego ruch podlega ograniczeniom? Takie sformułowanie problemu prowadzi do analizy.
W projektowaniu systemów mechatronicznych stawia si

odwrotnie sformułowane pytanie, a mianowicie:

jakie siły i momenty musz

działa

na ciało, aby wykonało ono okre

lony ruch? Nale

y przy tym

realizowa

wydłu

one przemieszczanie równie

przy wyst

puj

cych zakłóceniach. Przez odwrócenie

sformułowania pytania wyst

puje problem syntezy. Jego techniczne rozwi

zanie wymaga m.in. członów

pomiarowych, regulacyjnych i wykonawczych, tzn. oprócz zespołów mechanicznych musz

wyst

sensory, sterowniki (regulatory), człony wykonawcze (aktuatory) oraz przetwarzanie informacji.
Istotna cecha systemów mechatronicznych polega na tym,

e ich własno

ci w wysokim stopniu s

okre

lone przez elementy niematerialne, tzn. oprogramowanie. Przetwarzanie danych procesu odbywa

przez specjalnie wykonane do pracy w czasie rzeczywistym mikrokontrolery (mikrosterowniki).

Zawieraj

one niezb

dne do tego celu funkcje takie jak pami

ęć

danych, pami

ęć

programu, przetwornik

A/C, porty I/O, zarz

dzanie przerwaniami i w zale

ci od stopnia rozbudowy mog

realizowa

zadania

regulacji, nadzorowania i optymalizacji.
W dotychczasowym rozwoju elektroniki samochodowej w jednej centralnej jednostce steruj

cej,

szczególnie ze wzgl

du na minimalizacj

kosztów, były integrowane funkcje elektryczne takie jak

sterowanie

wiatłami, zabezpieczenie przed kradzie

żą

, centralne blokowanie drzwi, funkcje zwi

zane z

komfortem. Ponadto wyst

puje wiele aktuatorów i sensorów, które ze wzgl

dów bezpiecze

stwa i

kompatybilno

ci elektromagnetycznej, okablowania musz

zdalnie sterowane lub oceniane.

Przykładami tego s

silniki podnoszenia szyb, silniki chłodzenia, ustawianie reflektorów, czujniki do

zarz

dzania silnikiem, zamki elektryczne itp. Uaktywnianie tego rodzaju „inteligentnych” modułów

sensorów i aktuatorów mo

e si

odbywa

za pomoc

takich interfejsów sieciowych jak np. CAN lub LIN.

Taka strategia „decentralizacji inteligencji”, ze wzgl

du na ich modułow

budow

, ma szereg zalet takich

jak: ułatwienie naprawy i serwisu, zdolno

ść

do diagnostyki i zró

nicowanie wyposa

enia. Dotychczasow

przestrzenn

koncentracj

najcz

ęś

ciej oddzielnych elementów funkcyjnych (sensorów, akuatorów i

sterowników) we wspólnej obudowie mo

na okre

jako pierwszy stopie

integracji systemu przez

mechatronik

Mechatronika i jej zastosowanie w budowie samochodów

Systemy mechatroniczne w samochodach

Układy elektroniczne maj

20 ... 30% udział w
kosztach samochodu

Nap

• Zarz

dzanie silnikiem

• Układ wtrysku

paliwa

• Wentylator chłodzenia

• Elektroniczne

sterowanie przekładni

• Podgrzewanie

katalizatora

• Elektroniczny zapłon

Bezpiecze

stwo

Bezpiecze

stwo

• Sterowanie o

wietleniem

• Airbag

• System zapobiegaj

blokowaniu (ABS/ESP ...)

• Wspomaganie kierowania

(EAPS)

• Podgrzewanie szyb

• Klimatyzacja

• Otwierany dach

• Podgrzewanie zamków

w drzwiach

• Podnoszenie szyb

• Centralne blokowanie

drzwi

• Pami

ęć

ustawienia

foteli

Komfort

• Podgrzewanie

siedze

• Ustawianie lusterek

• Wentylacja wn

trza

Rosn

ce zastosowanie systemów mechatronicznych

w samochodach

równoczesne uruchomienie
rozrusznika i zał

czenie

wiateł,

wyrównywanie momentu,

funkcja Boost.

Generator startu:

Elektromagnetyczny
rozrz

zast

pienie krzywek

wałka rozrz

du,

dowolne czasy
sterowania,

20-30% zmniejszenie
zu

ycia paliwa.

Steer-by-wire

Hybrydowy nap

Aktywny mechanizm jazdy:

elektromagnetyczne
tłumienie.

Brake-by-wire

praca silnika
spalinowego w
optymalnym punkcie,

wysoki moment
obrotowy.

chłodzenie uzale

nione

od zapotrzebowania.

Elektryczna skrzynia
biegów:

bezstopniowe przeło

enia.

Elektryczna pompa
wodna:

Mechatronika w samochodach

Wszystkie zasadnicze innowacje w budowie samochodów w ostatnich dwudziestu latach

nie byłyby mo

liwe bez zastosowania elektroniki. Pomimo osi

gni

tego ju

wysokiego

stopnia rozwoju nadal konieczne jest zwi

kszanie bezpiecze

stwa i niezawodno

samochodów. Podstawow

rol

w samochodach, np. w sterowaniu i regulacji silników,

odgrywa mechatronika.

Realizacja takich systemów bezpiecze

stwa jak poduszki powietrzne, ABS i ERP nie jest

liwa bez zastosowania elektroniki. Dopiero zastosowanie elektronicznych systemów

zarz

dzania umo

liwiło uzyskanie znacz

cych innowacji w silnikach wysokopr

ęż

nych i

zwi

zan

z tym istotn

redukcj

ycia paliwa i szkodliwych składników gazów.

Natomiast systemy zapewnienia komfortu, takie jak np. nawigacja GPS lub zarz

dzanie

klimatyzacj

, s

w swojej funkcjonalno

ci silnie uzale

nione od elektroniki i

oprogramowania.

Zastosowanie układów półprzewodnikowych w samochodach w ostatnich latach uległo

znacznemu wzrostowi.

W przyszło

ci przewiduje si

90% innowacji w samochodach i ich funkcjonalno

ść

dzie zwi

zanych z mechatronik

w 2010 r. ok. 40% warto

ci dodanej w samochodach b

dzie zwi

zane z mechatronik

obecnie udział elementów elektronicznych w kosztach wytwarzania samochodów

wynosi od 20 do 30%,

nowe rozwi

zania i ulepszenia, takie jak np. systemy X-by-wire b

liwe dopiero

przez zastosowanie mechatroniki,

Przykład układów mechatronicznych – samochód osobowy

Sterowanie silnikiem:

1. Elektroniczna regulacja silnika Diesla,

2. Regulacja pr

dko

ci biegu jałowego,

3. Regulacja z sond

Lambda (spalanie),

4. Układ Start-Stop,

5. Elektroniczne sterowanie przekładni

(skrzyni

biegów),

6. Cyfrowa elektronika silnika, układy wtrysku

paliwa,

7. Sterowanie silnikiem (elektroniczny pedał gazu),

8. Sie

komunikacyjna CAN (ang. Controller Area

Network) – integracja urz

dze

steruj

cych.

Bezpiecze

stwo:

1. Radarowa regulacja/ ostrzeganie odległo

ci,

2. Ustawianie i czyszczenie reflektorów,

3. Reflektory z gazowymi lampami wyładowczymi,

4. Kontrola ci

nienia w kołach,

5. Układ zapobiegaj

cy blokowaniu kół podczas hamowania

(ABS) / regulacja przeciwpo

lizgowa nap

du (ASR),

6. Układ diagnostyczny,

7. Sterowanie spryskiwaczem i wycieraczkami,

8. Zale

ne od obci

ąż

enia (przebiegu) wskazywanie okresów

przegl

du (serwisu),

9. Układy nadzorowania paliwa i zu

ywaj

cych si

ęś

ci,

10. Układy wyzwalania poduszek powietrznych i napinaczy

pasów,

11. Zabezpieczenia przed kradzie

żą

12. Systemy sterowania dla przedniej i tylnej osi.

Komunikacja:

1. Radio,

2. Komputer pokładowy,

3. Telefon samochodowy,

4. Systemy informacyjne,

5. Nowe technologie wskazywania (wy

wietlania),

6. Elektroniczne komunikaty głosowe,

7. Sterowanie funkcjami za pomoc

głosu,

8. Kablowy system Multiplex.

Komfort:

1. Regulacja pr

dko

ci jazdy,

2. Regulacja ogrzewania/ klimatyzacji,

3. Ustawianie siedze

za pomoc

pami

ci pozycji,

4. Centralna blokada,

5. Regulacja podwozia.

Przykład układów mechatronicznych - samochód

Sterowanie silnikiem: 1 - 8

Bezpiecze

stwo: 1 -12

Zapewne najbardziej znanym obiektem (systemem) mechatronicznym jest samochód. Składa si

on z

wielu mechatronicznych składników do sterowania silnikiem, komunikacji, bezpiecze

stwa i komfortu.

Komunikacja: 1 - 8

Komfort: 1 - 5

Jedn

z wa

niejszych dziedzin zastosowania sensorów jest elektronika samochodowa. Obejmuje ona takie

obszary jak: technika nap

dowa, komunikacja, bezpiecze

stwo i komfort.

1. Aplikacje w samochodach osobowych

T, f

Ogrzewanie/ klimatyzacja

f, n, s

„Ekonometr", "Trip Computer"

Komputer jazdy

p1, T, s

Lampy, sprz

gło, hamulce, akumulator

Kontrola funkcjonowania

p01, S, T

Benzyna, olej, woda, płyn hamulcowy

Kontrola poziomu

Elektroniczne tacho

p10

Diagnoza silnika (kompresja)

CO, CO

Emisja spalin

Uaktywnianie poduszek powietrznych
lub napinaczy pasów bezpiecze

stwa

Bierne urz

dzenie bezpiecze

stwa ("Crash Sensor")

p10, n

ABS

Regulator siły hamowania

p01, p1, p10, f, s, n, T

Regulacja silnika, automatyczna
przekładnia (skrzynia biegów)

Regulator mieszanki paliwa, regulator chwili
zapłonu

Wielko

ci mierzone

Wyszczególnienie

Rozkład ładunku

F, s

Załadowanie

nienie w pneumatycznym układzie hamulcowym

(nadzorowanie)

p1, T

Kontrola opon

Wielko

ci mierzone

Wyszczególnienie

Zastosowanie sensorów w samochodach

2. Aplikacje w samochodach ci

ęż

arowych

Poduszki powietrzne w samochodach

Ta nieliniowa ocena sygnałów pomiarowych musi by

realizowana za pomoc

odpowiedniej

adaptacyjnej metody kalibracji. Zalet

takiego ucz

cego si

rozwi

zania jest to,

e t

metodyk

na zastosowa

dla ró

nych siedze

. Typowe wzorce danych z czujnika dotycz

ce ci

ęż

aru i

wielko

ci ciała ró

nych osób s

trenowane i „uczone”. Za pomoc

takiej metody mo

na równie

rozpozna

i sklasyfikowa

inne obiekty (np. siodełka dla dzieci).

Czujnik siły/

momentów 1

Temperatura

Czujnik siły/
momentów 2

ęż

ar ciała

Sztuczna sie

nuronowa do „uczenia”

układu wyzwalania poduszek

System umo

liwiaj

cy uczenie układów z

czujnikami

sił-momentów

dla

siedze

samochodowych.

Dwoma wa

nymi wielko

ciami (parametrami) dla

wyzwolenia

poduszek

powietrznych

samochodach osobowych (ang. Airbag) s

ęż

ciała i wielko

ść

chronionego człowieka, z których

wynika poło

enie

rodka ci

ęż

ci. Dotychczas

warto

ci tych wielko

ci były wprowadzane za

pomoc

klawiatury foliowej. Jednak taki sposób

uzyskiwania danych jest niedokładny i niezbyt
odpowiedni

zapewnienia

niezawodnego

działania

układu

sterowania

poduszek

powietrznych. Zamiast tego stosowane jest
rozwi

zanie z jednym lub kilkoma czujnikami do

pomiaru sił/momentów, które s

zintegrowane w

siedzeniu i umo

liwia pomiar i ocen

danych.

Zadaniem czujników jest przy tym uwzgl

dnienie

silnie nieliniowego odkształcania polistyrenu w
siedzisku i nieci

głych przebiegów spienionego

materiału przy ocenie warto

ci sił/ momentów.

Historyczny rozwój hamulców samochodowych

Hamulec ta

mowy z przył

czon

tarcz

Hamulec no

nie uruchamiany, działaj

cy na nap

Rozdzielenie jednoobwodowej instalacji hamulca na dwa
Mechaniczny podci

nieniowy układ hamulcowy na 4 koła

Hamulec hydrauliczny
Pierwszy wzmacniacz siły hamowania
Hydrauliczny dwuobwodowy układ hamulcowy

Wprowadzenie funkcji zapobiegaj

cej blokowaniu ABS

Elektroniczny rozdział siły hamowania
Regulacja zapobiegaj

ca po

lizgom nap

Wprowadzenie regulacji dynamiki toru jazdy ESP
Asystent hamowania
Hamulec elektrohydrauliczny (wst

p do Brake-by-wire)

Hamulec elektromechaniczny (Brake-by-wire)

Integracja samochodu z jego otoczeniem
(przeszkody na drodze, inne samochody, układy
o

wietlenia)

1885
1905
1906
1928
1931
1932
1963

1978

1986
1995
1996
2001
2005

Rok

Rozwój od hamulca mechanicznego do mechatronicznego

1885

2006

Czas

Stopie

mechatronizacji

Hamulec ta

mowy z doł

czonymi tarczami

Agregat hydrauliczny ABS

Wzmacniacz siły hamowania

Jednostka steruj

ca hamulca

elektrohydraulicznego

Pedał hamulca i jednostka

hydrauliczna

Pedał hamulca i pedał jazdy

Hamulec elektromechaniczny

Mechatronika w samochodach

Elektroniczne sterowanie
silnikiem

Automatyczne
zapobieganie blokowaniu
kół podczas hamowania
(ABS)

Regulacja po

lizgów w

nap

dzie (ASR)

Elektroniczna stabilizacja
toru jazdy (ERP)

Poduszki powietrzne

Napinacze pasów
bezpiecze

stwa

Tempomat (regulowany
odległo

, ... )

System nawigacyjny

Autopilot

Systemy mechatroniczne w pojazdach - przegl

• poduszki

powietrzne

• pasy

bezpiecze

stwa

• aktywne pasy

bezpiecze

stwa

• system ochrony

pasa

erów

• …

• układ kierowniczy

(hydrauliczny/
elektryczny)

• system regulacji

zapobiegaj

lizgom

• program stabilizacji

toru jazdy

• asystent hamowania

• elektroniczny

hamulec parkowania

• adaptacyjne

tłumienie

• aktywna stabilizacja

przechyłów

• adaptacyjne

wietlenie

• ...

• elektryczne

ustawianie
siedze

• automatyczna

klimatyzacja

• bezkluczykowy

system
zamykania drzwi

• pomoc podczas

parkowania

• autonomiczne

parkowanie

• system asystenta

kierowcy

• …

• elektroniczna

regulacja silnika

• zmienna praca

zaworów

• automatyczna

przekładnia

• blokada

mechanizmu
ró

nicowego

• regulowane

przeło

enie

(sprz

gło Haldex)

• ...

Bierne

bezpiecze

stwo

Aktywne

bezpiecze

stwo

Komfort

Nap

Aby rozwi

zanie mechatroniczne mogło by

zastosowane w samochodzie musi spełnia

nast

puj

ce wymagania:

zapewnia

korzy

ci wynikaj

ce z funkcji wzgl. stopnia działania, hałasu i upakowania,

w porównaniu z istniej

cym rozwi

zaniem nie mo

e by

ęż

sze,

pracowa

niezawodnie w warunkach panuj

cych w samochodach – szeroki zakres temperatur, drgania, przyspieszenia,

przynajmniej tak niezawodne jak istniej

ce ju

rozwi

zanie,

spełnia

wymagania bezpiecze

stwa (ang. Crash),

tanie i zwarte upakowanie cz

ęś

ci elektronicznych w surowych warunkach działania aktuatorów i sensorów,

przyjazne w obsłudze i serwisie,

podlega

recyklingowi,

nie wymaga

kszej obj

ci ni

istniej

ce ju

rozwi

zanie oraz

nie powodowa

adnych dodatkowych lub tylko niewiele wy

sze koszty.

Przewiduje si

e najwa

niejszymi zmianami technologicznymi w samochodach b

„inteligencja” specyficzna dla modułów - sensory Pre-Crash, sensory skr

cenia dla kół, system wizyjny w szybach, Steer-by-

Wire, sensoryka dla ochrony pieszych,

układy elektryczne/ elektroniczne jako istotny składnik - ich warto

ść

w 2002 r. stanowiła ok. 22% (przeci

tnie 2.250 EUR), a w

2010 r. wzro

nie do 35% (przeci

tnie 3.870 EUR),

osieciowanie i rozszerzenie funkcji za pomoc

oprogramowania - magistrala, system operacyjny i aplikacje musz

poł

czone w sposób „inteligentny”,

modułowa budowa karoserii - "Quartering the Car” ("Mosaik”),

alternatywne koncepcje nap

du - ogniwa paliwowe b

stosowane, ale dopiero w 2015 r.,

zastosowanie innowacyjnych materiałów - l

ejszy o 100 kg samochód powoduje redukcj

ycia paliwa o ok. 0.8 l na 100 km,

zmiana technologii wytwarzania - ci

gły rozwój technologii wytwarzania, integracja modułów i funkcji, optymalizacje

wychodz

ce poza produkcj

, ci

gle rosn

ca dokładno

ść

Wymagania systemów mechatronicznych i skutki ich

zastosowania w samochodach

Przykład systemu mechatronicznego – samochód

Sterowanie silnikiem spalinowym (bezpo

redni wtrysk paliwa)

Rozdzielacz paliwa

Pompa

wysokoci

nieniowa

Urz

dzenie

steruj

Zawór steruj

nieniem

Zawory wtryskowe

ródło: Bosch

Czujnik ci

nienia

Przykład systemu mechatronicznego – samochód

Sterowanie silnikiem spalinowym (bezpo

redni wtrysk paliwa)

Moduł

pedału

gazu

Cewka

zapłonowa

Zawór

wtrysku

Rozdzielacz paliwa

Pompa

wysokoci

nieniowa

Pojemnik z w

glem

aktywnym

Pomiar masy powietrza z

czujnikiem temperatury

Zawór

odpowietrza-

cy przy

tankowaniu

Urz

dzenie

przepustni-

cy (EGAS)

Czujnik

podci

nie-

nia ssania

Zawór odpro-

wadzania spalin

Moduł

wspomagania

cznie z pomp

Czujnik fazy

Zawór steruj

nieniem

Czujnik

nienia

Czujnik

stuków

Czujn.

temp.

Sonda

lambda

(LSU)

Kataliz.

wst

pny

Czujnik

temperat.

Kataliz.

Sonda

lambda

(LSF)

ródło: Bosch

Elektroniczne

urz

dzenie

steruj

Interfejs diagnostyczny

Lampka diagnostyczna

Blokada jazdy

CAN

dko

obrotowej

Czujnik

Przykład systemu mechatronicznego – samochód

Sterowanie silnikiem spalinowym (Common Rail)

Pomiar masy powietrza

Pompa wysokoci

nieniowa

Urz

dzenie steruj

Akumulator wysoko-
ci

nieniowy (Rail)

ektory

Czujnik temperatury silnika

Czujnik pr

dko

obrot. wału korb.

Filtr paliwa

Czujnik pedału gazu

ródło: Bosch

System zarz

dzania silnikiem spalinowym

ADC

DAC

Mikroste-

rownik do

zarz

dzania

silnikiem

SPI

SCI

Przygotowanie

sygnału

dko

ść

samochodu

Temperatura silnika

Temperatura otoczenia

Pojemno

ść

zasysania

Masa zasysanego

powietrza

Czujnik spalania

stukowego

Czujnik tlenu

Czujnik ci

nienia oleju

Czujnik paliwa

Analogowe wielko

wej

ciowe

Analogowe wielko

wyj

ciowe

Sterownik dla

wtryskiwacza

paliwa

Sterownik

cewki

zapłonowej

Sterownik

elektro-

magnesu

Sterownik

elektro-

magnesu

Sterownik
magistrali

danych

Magistrala danych

Człon nastawiaj

cy dla

dko

ci biegu

jałowego

Zawór zwrotny spalin

Cewka zapłonowa

Wtryskiwacze paliwa

Ochrona

przepi

ciowa

Regulator

napi

cia

+12V

Poło

enie przepustnicy

System zarz

dzania silnikiem spalinowym

Elektroni-

czna

jednostka

steruj

Czujnik pr

dko

obrotowej

Aktuator dla
pr

dko

biegu
jałowego

Sensor do
pomiaru
masy
przepływu
powietrza

Dopływ
powietrza

Regulator
ci

nienia

Filtr paliwa

Pompa paliwa

Rozdzielacz

Wtryskiwacz

Cewka

zapłonowa

wieca

zapłonowa

Czujnik

tlenu

Czujnik

tempera-

tury

Przeł

cznik

poło

enia

przepustnicy

Koło

sensora

Zbiornik paliwa

Przykład systemu mechatronicznego – samochód

Struktura agregatu hydraulicznego systemu stabilizacji toru jazdy ESP

Silnik pompy

Elementy pompy

Czujnik ci

nienia

Komory pami

Obudowa pompy

Zawory elektromagnetyczne

Cewki elektro-
magnesów

Urz

dzenie

steruj

Przykład systemu mechatronicznego – samochód

Koncepcja aktywnego zawieszenia

Piasta koła

ąż

ek poprzeczny

Teleskop

Hamulec

ąż

ek rozci

gania

ciskania

Wahacz

Silnik pochylania

Pompa

Silnik pochylania

Zastosowanie silników DC w pojazdach samochodowych

Zastosowanie układów mechatronicznych w pojazdach powoduje zwi

kszenie komfortu i

bezpiecze

stwa jazdy. Dlatego te

producenci zarówno samochodów osobowych jak i

ęż

arowych przestawiaj

w coraz wi

kszym stopniu na elektrycznie nap

dzane składniki.

Nale

żą

do nich po pierwsze urz

dzenia nastawiaj

ce min. dla lusterek, urz

dze

klimatyzacyjnych, podnoszenia szyb i ustawiania siedze

. Po drugie s

to systemy

bezpiecze

stwa takie jak układ kierowania, elektroniczna regulacja stabilno

ci, system

zapobiegaj

cy blokowaniu kół podczas hamowania oraz aktywne zarz

dzanie prac

silnika. W

przyszło

ci b

to dalsze składniki mechatroniczne takie jak np. aktywnie pochylane kamery

wideo i radary, samoczynnie zamykaj

ce si

drzwi i samoczynnie zapinane pasy bezpiecze

stwa,

które odci

ążą

kierowc

i b

go wspomaga

w bezpiecznej je

dzie. Jednak wymagane dla

takich systemów nap

dy elektryczne musz

mie

odpowiednie własno

ci.

I tak dla realizacji takich odpowiedzialnych zada

mechatronicznych nadaj

bezszczotkowe

silniki pr

du stałego DC (z komutacj

elektroniczn

). S

one bowiem odporne na zu

ycie i nie

wymagaj

obsługi. Jednak w trudnych warunkach panuj

cych w samochodach podlegaj

one

silnym drganiom. Ponadto musz

one odporne na działanie wody i pyłu, co wymaga

specjalnych rozwi

ich budowy ze stopniem ochrony do IP65. Natomiast dla nap

dów

umieszczanych w komorze silnikowej konieczne s

silniki elektryczne DC, które mog

pracowa

w temperaturach do 150

I tak obecnie za pomoc

sieci komunikacyjnej CAN w samochodach komputer pokładowy steruje

tak

funkcj

bezpiecze

stwa jak np. ABS, a tak

e zarz

dza prac

silnika. Natomiast w przyszło

przewiduje si

równie

zastosowanie elektrycznych hamulców.

Obecnie wiele firm prowadzi prace nad opracowywaniem specjalnych pakietów nap

dowych

przeznaczonych do realizacji okre

lonych zada

w pojazdach samochodowych. Tak wi

c w

przyszło

ci nale

y oczekiwa

wzrostu zastosowa

innowacyjnych rozwi

systemów

mechatronicznych z nap

dami elektrycznymi.

System ESP stabilizacji toru jazdy samochodu

Program elektronicznej stabilizacji toru jazdy ESP (niem. Elektronisches Stabilität Programm)

został opracowany przez firm

Bosch.

Układ ESP zapewnia:

odpowiednio sterowane hamowanie poszczególnych kół i ingerencj

w zarz

dzanie

silnikiem w celu zapewnienia stabilizacji toru jazdy samochodu,

otrzymuje niezb

dne informacje z czujników w kołach, czujnika poło

enia pedału gazu oraz

czujnika k

ta skr

cenia z układu kierowniczego.

Podsterowno

ść

Nadsterowno

ść

ESP przyhamowuje

wewn

trzne

tylne koło

ESP przyhamowuje

zewn

trzne

przednie koło

Nawigacja inercyjna (bezwładno

ciowa)

Sensory obrotu

yroskopy

Sensory

przyspieszenia

φφφφ

Nawigacja inercyjna (bezwładno

ciowa) opiera si

pomiarach ruchu do 6 stopni swobody:

Elektroniczna stabilizacja toru jazdy ESP (niem.

Elektronisches Stabilitätsprogramm): bloki systemu

Pomiar przyspieszenia

poprzecznego

Pomiar

charakterystyki toru

jazdy

Obliczanie odchylenia

Generowanie odniesienia

charakterystyki toru

jazdy

Pomiar k

ta skr

cenia

kierownicy i pr

dko

kół

Przy nadsterowno

ingerencja w hamulce

tylnej osi

Przy podsterowno

ingerencja w hamulce

przedniej osi

Pomiar obrotu

(wokół osi pionowej)

Decyzja o strategii interwencji

Przykład systemu mechatronicznego – samochód

System stabilizacji toru jazdy ESP

Agregat hydrauliczny z
urz

dzeniem steruj

cym

i czujnikiem ci

nienia

Czujniki pr

dko

ci obrotowej kół

Czujnik k

ta układu kierowniczego

Czujnik zbaczania i
czujnik przyspieszenia

Zarz

dzanie prac

silnika z:

Zarz

dzanie prac

silnika z:

Urz

dz. steruj

cym

Nastawnikiem
przepustnicy

Zaworami wtrysk.

Modułem zapłonu

Czujnikiem pedału gazu

ródło: Bosch

Systemy mechatroniczne w samochodach

Wcze

niejszy obwód regulacji:

Wcze

niejszy obwód regulacji: kierowca – samochód - otoczenie

Otoczenie

Wielko

zakłócaj

Wielko

ci zadane

Ruch na drodze
Przeszkody

np.

wiatła, kierunkowskaz,

wiatła stopu itp.

Spostrzeganie

Bio-sensory

Zachowania

kierowcy

Spostrzeganie

Bio-sensory

Dajnik sygnałów

Kierownica

Pedał hamulca

Pedał gazu

wignia biegów

Układ

kierowniczy

Silnik

Hamulec

Skrzynia biegów

Człony nastawiaj

(bierne)

Pojazd – obwody

regulacji

Stan jezdni,
wiatr itp.

Stany jazdy – wielko

ci regulowane

Regulator - kierowca

Systemy mechatroniczne w samochodach

Obecny obwód regulacji:

Obecny obwód regulacji: kierowca - samochód - otoczenie

Otoczenie

Wielko

zakłócaj

Wielko

ci zadane

Ruch na drodze
Przeszkody

np.

wiatła, kierunkowskaz,

wiatła stopu itp.

Spostrzeganie

Bio-sensory

Zachowania

kierowcy

Spostrzeganie

Bio-sensory

Dajnik sygnałów

Kierownica

Pedał hamulca

Pedał gazu

wignia biegów

Układ

kierowniczy

Silnik

Hamulec

Skrzynia biegów

Człony nastawiaj

(aktywne)

Pojazd – obiekt

regulacji

Stan jezdni,
wiatr itp.

Stany jazdy – wielko

ci regulowane

Regulator - kierowca

Elektroniczne

regulatory

Dlatego te

coraz cz

ęś

ciej

wprowadzane s

rozwi

zania oparte

na zastosowaniu magistrali (sieci
komunikacyjnej).

Dla uzyskania mo

liwo

integracyjnych i diagnostycznych w
nadrz

dnym systemie stosowane s

np. zamki samochodowe z interfejsem
sieciowym. Powoduje to redukcj

okablowania. Komunikacja odbywa
si

za pomoc

sieci CAN lub podsieci

LIN. Takie rozwi

zanie przynosi

korzy

ci zarówno u

ytkownikom

samochodów (wi

ksza

funkcjonalno

ść

) jak i ich producentom

(uproszczenie monta

u, zmniejszenie

masy i kosztów, poprawa jako

ci).

Moduły drzwiowe pocz

tkowo

zawierały tylko podnoszenie szyb
(silnik i elektronika), a pó

niej równie

zamek, poduszk

powietrzn

, gło

nik

i wi

kabli dla zwi

zanej z nimi

elektroniki.

Przykład rozproszonego sterowania w samochodzie

Obecnie w drzwiach samochodów osobowych stosowane jest konwencjonalne rozwi

zanie z centralnym

sterownikiem i odpowiednio rozbudowanym okablowaniem dla sensorów i aktuatorów. Wynikiem tego jest
konieczno

ść

stosowania wielu ró

nych gniazd i wtyków. Prowadzi to do zwi

kszenia kosztów produkcji i

awarii. Liczba mo

liwo

ci wyst

pienia bł

dów wzrasta progresywnie z liczb

gniazd wtykowych (zł

czy).

Pulpit obsługi

Przyciski: LZ,

PS, CZ

Pulpit obsługi

Przycisk PS

Pulpit obsługi

Przycisk PS

Pulpit obsługi

Przycisk PS

Gateway

Elementy:

ZL, PS, CZ

Lusterko zew-

trzne (LZ)

Lusterko zew-

trzne (LZ)

Zamek

(CZ)

Zamek

(CZ)

Podnoszenie

szyby (PS)

Podnoszenie

szyby (PS)

Podnoszenie

szyby (PS)

Zamek

(CZ)

Zamek

(CZ)

Rozproszony system

sterowania w drzwiach

CAN

LIN

Podnoszenie

szyby (PS)

Zintegrowana regulacja dynamiki jazdy

Koordynacja wszystkich mo

liwo

ci ingerencji dla oddziaływania na przebieg jazdy.

Sensor ACC

Moduł hamowania koła

ISAD

ISAD (niem. Integrierter

Starter Generator Dämpfer)

Inteligentny moduł

spr

ęż

yna/tłumik

spr

ęż

yna/tłumik

Moduł skr

cania osi

Moduł skr

cania osi

SWT

SWT (niem. Seitenwand

Torsionssensor)

Smart

Batterie

wire

)

nienia

Akumulator

Kompresor

Smart

Batterie

(Starter)

Centralny moduł obsługi (gaz,

hamulec, układ kierowani)

Informacyjna sie

bezpiecze

stwa (ster. czasem)

Informacyjna sie

bezpiecze

stwa (ster. czasem)

Pokładowa sie

nadzorowania (42V)

Pokładowa sie

nadzorowania (42V)

Pneumatyczna sie

zasilaj

Pneumatyczna sie

zasilaj

Potwierdzanie ustawienia hamulców

Steer-by-Wire – technologia kierowania dla przyszło

ci?

Obecne rozwi

zanie

wspomagania (serwo)
układu kierowniczego

Układ

mechaniczny

Przewody

sygnałowe

Steer-by-Wire

Przykładem systemu mechatronicznego dla samochodów jest nowe rozwi

zanie

układu reflektorów do o

wietlania drogi. Oprócz obudowy, reflektora i

arówek

zawiera on elektronicznie sterowany zespół ustawiania, który automatycznie kieruje
sto

kiem wi

zki

wiatła podczas jazdy na zakr

tach. Do tego celu oprogramowanie

steruj

ce ustawianiem reflektorów musi w sposób ci

gły otrzymywa

wykorzystywa

warto

ci takich parametrów jak: skr

cenie układu kierowniczego,

dko

ść

obrotow

kół i odchylenie od prostoliniowego toru jazdy.

Aktywny reflektor samochodowy jako

przykład systemu mechatronicznego

Asystent kierowcy: radary, kamery i czujniki do unikania

wypadków

Kamera

cofania

Kamera

z prawej/

lewej

Radar

24 GHz

Kamera IR

(Infrarot)

Radar 77 GHz

Kamera dla

przestrzeni bocznej

i podło

z prawej/ lewej

Radar 24 GHz z prawej/

lewej oraz radar 77 GHz

Kamera z przodu

Czujnik

ultrad

kowy z

prawej/ lewej

Czujnik

ultad

kowy

z przodu/ tyłu

Systemy mechatroniczne w samochodach przyczyniaj

do zwi

kszenia bezpiecze

stwa oraz optymalizacji

pracy silnika lub zu

ycia paliwa. Umo

liwiaj

one równie

nowe usługi, w których wykorzystuje si

poł

czenie

telekomunikacji i informatyki (telematyki), np. zdaln

diagnostyk

w przypadku awarii lub znalezienie

skradzionych pojazdów.

nym argumentem za stosowaniem systemów mechatronicznych w samochodach s

tak

e koszty.

Odwzorowanie funkcji w oprogramowaniu jest bowiem znacznie korzystniejsze, ani

eli opracowanie i

wytworzenie zespołu mechanicznego. Ponadto zastosowanie elektroniki i oprogramowania pozwala na
zaoszcz

dzenie miejsca i umo

liwia wi

ksze zag

szczenie funkcji. Poniewa

cykle rozwojowe dla elektroniki i

oprogramowania s

krótsze ni

dla zespołów mechanicznych, to nowe funkcje mo

na szybciej i jeszcze w

zaawansowanym ju

stadium rozwoju całego samochodu zaimplementowa

i tym samym elastycznie

reagowa

na zapotrzebowanie rynku. Dlatego te

wszyscy producenci nastawiaj

na to,

e w

samochodach jest coraz wi

cej techniki komputerowej.

Pewnym problemem w rozwoju systemów mechatronicznych stosowanych w samochodach, oprócz ogólnie
akceptowanego systemu operacyjnego, jest jeszcze brak modułów programowych dla okre

lonych funkcji,

które mogłyby by

przenoszone z jednego modelu samochodu na inny. Samo oprogramowanie w modelach

samochodów tych samych producentów ró

ni si

sto od siebie w zale

ci od tego, jakie komponenty i

systemy dostarczył kooperant dla ka

dorazowych zespołów. Dlatego te

konieczne jest opracowanie jednolitej

platformy dla rozwoju oprogramowania, która umo

liwi zdefiniowanie i budow

modułów programowych, które

mog

wielokrotnie wykorzystywane. Jednak niew

tpliwie trudniejsz

spraw

ani

eli standaryzacja

oprogramowania jest lepsze powi

zanie ze sob

elementów mechanicznych, elektryczno/ elektronicznych i

oprogramowania. Problemem jest tutaj to,

e zespoły mechaniczne, składniki elektryczne i elektroniczne oraz

oprogramowanie s

opracowywane w ró

nych działach i organizacjach, które nie pracuj

według

jednakowych procesów. Cykle innowacyjne i cykle

ycia opracowanych przez nie komponentów maj

ró

długo

ść

, co utrudnia uzyskanie przejrzystego zarz

dzania wersjami i zmianami. Rozwijaj

cy zespoły

mechaniczne, elektryczne i elektroniczne oraz oprogramowanie tworz

i zarz

dzaj

swoimi danymi

dotycz

cymi wyrobów w ró

nych systemach IT (ang. Information Technology), pomi

dzy którymi cz

sto nie

ma nawet interfejsów, aby mo

na było wymieni

informacje dotycz

ce wersji i zmian.

Problemy w rozwoju systemów mechatronicznych