Информационные технологии в автомобилях. Новейшие технологии для автомобилей
Компьютерный дизайн и компьютерное производство произвели революцию в проектировании автомобилей, воздушного и наземного транспорта. Раньше проектировщики машин моделировали прототипы из глины, затем тщательно измеряли модель, чтобы получить штамповочные размеры.
В наше время, создавая модель на компьютере, дизайнеры достигают большей точности в проектировании и в производстве, чем когда-либо прежде. Вместо того чтобы помещать глиняные модели в ветряные туннели, чтобы оценить их аэродинамические характеристики, проектировщики могут подвергнуть модель компьютерному тестированию и удостовериться в ее устойчивости. Точно так же прочность машины может быть проверена без затрат на разрушение автомобиля. Компьютеры могут тестировать машины и на такие факторы, как вибрация, теплопроводность, видимость. Даже внутреннее строение машины может быть спроектировано на компьютере, что позволяет достичь более эффективного дизайна двигателя и пассажирского салона.
Дизайн корпуса
Основная роль в дизайне автомобиля принадлежит компьютеру. Графика предоставляет дизайнерам большую подвижность и точность по сравнению со старыми глиняными моделями.
Компьютеризированный дизайн автодвигателя
Терминал автоматизированного проектирования
Компьютер может вычислить и показать поле видимости с места водителя.
Устойчивость машины, экономия горючего и некоторые другие показатели зависят от того, как воздух обтекает корпус машины во время движения. Линии, обозначающие потоки воздуха справа и внизу, показывают области высокого и низкого давления. Чтобы проанализировать сложные водовороты воздушных потоков, требуется суперкомпьютер .
Части и компоненты
После того как разработан внешний стиль машины, необходимо определить место для внутренних узлов и компонентов. Раньше эта задача осуществлялась при помощи двухмерных чертежей, однако компьютер может тестировать различные устройства, передвигать компоненты и исследовать взаимосвязь между ними в трех измерениях.
Raspberri Pi стала любимой технологией фанатов самодельных штук. Это небольшой компьютер, который стоит около 35 баксов и был разработан специально для того, чтобы учить детей программированию. Его плюсы в том, что он дешевый и универсальный. Его минусы (для некоторых) в том, что для того, чтобы сделать хоть что-то с Raspberri Pi, его нужно запрограммировать.
Этот компьютер мог бы быть полезным в качестве крошечной бортовой системы для автомобиля. Он мог бы проводить диагностику данных и собирать статистику производительности для более эффективного ремонта и модернизации. Диагностический компьютер в автомобиле - далеко не новая идея. Когда-то люди просто делали это при помощи ноутбуков. Подобные вычисления в виде Raspberri Pi тоже не несут ничего нового, но у них есть ряд плюсов: эта технология стоит копейки, умещается в кулаке и может улучшаться. У миниатюрных недорогих компьютеров есть мощный потенциал для роста вглубь салона автомобиля.
Новые технологии кузова
Новые технологии, в частности метод строительства автомобилей, означают то, что автомастерским понадобится обновление их техники и оборудования. Конкретной проблемой является рост использования алюминия в дизайне автомобилей. Алюминиевые кузовные панели некогда были привилегией только самых высокопроизводительных автомобилей; но, как и ожидалось, это меняется, и производители, тот же Ford, по слухам, собираются клепать автомобили с алюминиевыми кузовами. Не в последнюю очередь из-за того, что этот материал - легкий и прочный, а значит, поможет соблюдать требования по выбросу выхлопных газов и безопасности.
Опытные техники привыкли работать на стальных автомобилях, и работа с алюминием потребует полного пересмотра стратегии. Алюминиевые панели нельзя будет просто поправить, как их стальные аналоги, их придется заменять, что потребует специальных инструментов и оборудования. Эти изменения могут увеличить стоимость ремонта автомобилей, но есть и свои плюсы. Поскольку автомобили будут умнее и прочнее, они будут и дольше функционировать. Кроме того, новые технологии безопасности вроде камер заднего обзора и систем предупреждения столкновения означают, что автомобили будут менее аварийными, а аварии - менее серьезными.
Беспроводная передача данных
Пока автомобили обзаводятся Wi-Fi-точками, производители ищут полезные пути применения этой технологии. Беспроводное обновление программного обеспечения исправило бы текущие проблемы, наладило бы оценку пробега и смогло бы указать на проблемы безопасности и производительности. Как правило, бортовое программное обеспечение обновляется только у дилеров, но это не очень удобно. Есть и другие проблемы - в начале 2014 года у нескольких миллионов Toyota возникли проблемы с антиблокировочной системой, что потребовало срочного обновления.
Планирует навести порядок со своими электромобилями, которые можно будет обновить беспроводным путем прямо из дома, по аналогии со смартфоном или компьютером. Конечно, основной проблемой будет безопасность такого беспроводного подключения, потому что оно взламывается. Не секрет, что большинство автопроизводителей не планирует рисковать так, как Tesla, но если технология беспроводной связи с автомобилем хорошо себя зарекомендует, уже завтра она станет привычной опцией.
Дополненная реальность
Новые автомобили оснащаются сложной, а иногда и опасной (для инженеров-автомехаников) электроникой или гибридной трансмиссией, компьютеризированными компонентами, модернизированными системами безопасности, а также сетью датчиков, которые контролируют каждый сантиметр. Эти дорогие компоненты, безусловно, меняют процесс починки автомобилей. Но на носу еще большие изменения.
Очень скоро может изменить сам принцип работы с автомобилем - достаточно будет надеть Google Glass, которые отобразят всю возможную информацию о нем; запустить компьютер, который будет сопровождать механика в процессе ремонта; приложение, которое поможет технику визуально очертить рабочую зону. Volkswagen одной из первых хочет опробовать подобную технологию и представила интерфейс MARTA для грядущего VW XL1.
MARTA (мобильный технический ассистент дополненной реальности) поможет технику сэкономить ценное время, изучая все аспекты необычного автомобиля, и, как надеется Volkswagen, может улучшить безопасность работы. Ученые говорят, что однажды приложения дополненной реальности для пользователей помогут им самостоятельно ремонтировать свои автомобили. Они даже могут заменить привычные буклеты описания изделия.
3D-печать
3D-печать уже существует и практикуется, но большая часть ее потенциала до сих пор не исследована. 3D-печать использует компьютеры и другие компьютеризированные компоненты для воссоздания существующего объекта либо же создания совершенно нового объекта по конструкции пользователя. Это может быть особенно полезно для ремонта старых автомобилей, когда техники столкнутся с отсутствием определенных деталей - достаточно будет взять сломанную вещь, отсканировать ее и распечатать новую. И хотя впервые о такой возможности заговорили еще в 2009 году, 3D-печать до сих пор остается привилегией богатых людей.
Большинство качественных систем 3D-печати стоят очень много денег, их сложно использовать, и они занимают много места. Другими словами, промышленным 3D-принтерам придется проделать длинный путь в авторемонтные мастерские. Зато потом каждый сможет использовать их возможности для быстрого восстановления поврежденных или потерянных деталей. Делать игрушки - это одно, но ставки растут, если речь идет о тормозных суппортах.
Современные «цифровые» автомобили содержат десятки контроллеров , объединенных в специальную локальную сеть. В автомобиле множество функций управления можно условно разделить на две группы:
первая группа обеспечивает надёжное функционирование основных узлов автомобиля, например, электронное управление двигателем и обеспечение безопасности: АБС, подушки безопасности и другие.
ко второй группе относятся различные электронные системы управления, обеспечивающие сервис, комфорт и развлечения пассажиров.
Например, бюджетный авто Пежо-206 содержит 27 контроллеров фирмы NEC .
Современный автомобиль, как и любую компьютерную систему с точки зрения объекта управления, можно представить состоящим из множества аналоговых и цифровых датчиков, набора исполнительных устройств и механизмов. На рис . представлены основные узлы автомобиля, для управления которыми используются автомобильные компьютеры.
Рис. Основные узлы автомобиля, управляемые компьютерами
Например, модель BMV745 использует такой микропроцессор, какPentium4.
Рис. Разрядность встраиваемых микроконтроллеров
Примеры используемых ОС во встраиваемых контроллерах. Наиболее популярным выбором является готовая коммерческая операционная система. В обзоре коммерческих операционных систем в последние годы системаMSEmbedded имела самую большую долю рынка, как видно из рисунка.
Рис. Операционные системы встраиваемых микроконтроллеров
На следующем рис. показаны распространенные языки программирования для разработки встроенных систем и,как видно, семейство языков С используется в большинстве разработок. Как видно из диаграммы находит также использование язык ассемблера для некоторых разработок.
Рис. Языки программирования встроенных микроконтроллеров
Краткая история развития микропроцессорных систем
1970 – Intel4004 - первый 4-битный МП;
1972 – Intel8008 - 8-ми битный;
1973 – Intel 8080 K580 (СССР) - аналог I8080;
Intel8085 - помимоCPUбыли таймеры, контроллер прерываний и пр.;
1976 – Intel 8048 - первый контроллер;
1978 – Intel 8051 - MCS 51 (Micro Computer System)
Середина 90-х – семейства: Intel151 иIntel251 – 8 битные, но адресуемая память: 2 20 и 2 24 .
1976 – I8086/I8088 (PCXT - IBM), К1816 (СССР) –аналог I8086.
EC1840 –CCCP–PCXT
1995 – (embedded) – разработаны однокристальные МК архитектуры Х86: 16- и 32-битные.
Основные требования к контроллерам
Коммерческие : 0 … + 70 0 С;
Расширенные : -40 … +85 0 С;
Военные : -55 … +155 0 С;
Низкая стоимость;
Высокая надежность;
Высокая степень миниатюризации;
Малое энергопотребление;
Работоспособность в различных температурных диапазонах в зависимости от применения:
Достаточная производительность для выполнения наборов функций
Архитектурные признаки контроллеров
Гарвардская архитектура (раздельная память для хранения данных (RAM) – энергозависимая и программ (ПЗУ) – энергонезависимая, сейчас популярнаflash;
Интеграция в одном кристалле всех модулей, необходимых для управляющей ЭВМ;
По разрядности контроллеры бывают:
Четырехразрядные- самые простые и дешевые;
Восьмиразрядные – наиболее многочисленное семейство(оптимальное соотношение цены и возможностей) MCS51
Шестнадцатиразрядные iMCS96 ,i80186(88) и другие, более производительные и дорогие.
32-разрядные – это обычно модификации универсальных МП, например i386, 486 и другие
64-х битные (обработка видео)
8-разрядные МК имеют очень широкое применение в различных АСУТП по следующим причинам:
Основная область применения 8-разрядных МК – устройства интеллектуального управления промышленной автоматики и бытовой аппаратуры. В данных применениях не требуется высокоразрядной арифметической обработки, большой процент логических преобразований, не требуется высокого быстродействия в жестких условиях реального времени. Таким образом, 8-битовые МК имеют свою нишу и в настоящее время широко используются промышленные контроллеры, называемые ПЛК .
Много новых применений, где МП ранее не использовалась, но МК не так заметны широкому кругу потребителей продукции, как ПК, так как они с ним не сталкиваются напрямую
МК также характеризуются двумя видами архитектуры: закрытой и открытой, Закрытая архитектура характеризуется отсутствием линий магистралей данных и адреса на внешних выводах корпуса МК, т.е.внешнее наращивание памяти программ, данных и портов не предполагается.
Режимы работы периферийных модулей контроллера настраиваются программно посредством регистров специальных функций этих модулей (таймеры, КП, АЦП, адаптеры параллельные и последовательные и др.
Режимы работы периферийных модулей современных контроллеров, их конфигурация настраиваются программно посредством загрузки кодов настройки в специальные регистры управления (SFR – special function register ).
Повышение производительности МК в рамках требуемой необходимости ведется в таких направлениях как:
Развитие архитектуры ЦПУ МК, например RISC-архитектура
Повышение тактовой частоты
Специализация команд и периферийных модулей МК
Повышение надежности
Переход на на более низкие уровни напряжения и новые технологии и др.
Широко известными фирмами-производителями МК являются Motorola,Microchip,Philips,Atmel,Simensи,Intel, др. И что очень важно – все это является теперь доступным российским разработчикам систем, примером является присутствие в нашем ВУЗе некоторых из ведущих мировых фирм(Motorola,Philipsи др.) Естественно из-за этого есть и проблемы: что выбрать?
MCS 51 является популярным семейством и ряд фирм выпускают клоны:
Стало известно, что новое поколение Nissan Qashqai может получить электрическую версию автомобиля. Инженеры автомобильной промышленности регулярно представляют новые технологии и устройства для обеспечения большей безопасности, комфорта или хотя бы для развлечения водителей. Рассказываем о разработках будущего, которые тестируются на дорогах сегодня.
Автомобили
с функцией автопилота
Последние 5 лет все ведущие мировые автопроизводители разрабатывают автономные автомобили. Ford концепт-кар, способный самостоятельно парковаться. Audi, BMW, Nissan, Honda, GM и Mercedes регулярно отчитываются о том, что их прототипы беспилотных авто проделывают в рамках тестирования тысячи миль. Volvo показала в Гетеборге свою модель, которая благодаря датчикам, GPS и другим технологиям практически исключает попадание в ДТП. Недавно и Toyota объявила о вступлении в ряды разработчиков «селф-драйвинг» авто, а Tesla Motors сделала , что покажет свой первый «беспилотник» через три года.
«Гуглмобиль»
в действии
Одним из лидеров отрасли считается Google. Система компании использует информацию, собранную сервисом Google Street View, видеокамеры, датчик LIDAR, установленный на крыше, радары в передней части авто и датчик, подключенный к одному из задних колёс.
демонстрация работы датчика lidar,
который используется в системе автомобилей google
Большинство компаний говорят, что для автолюбителей такие авто станут доступными к 2020 году. Что изменится с их появлением? Прежде всего, роботизированные машины будут спасать жизни. Компьютер, сменивший за рулём человека, сможет одновременно отслеживать все объекты на дороге и мгновенно реагировать на аварийные ситуации. Но готовы ли люди полностью доверить контроль машине?
Брайан Реймер
Эксперт по транспорту из Массачусетского технологического института
«Люди могут смириться и справиться с людьми, которые делают ошибки, но мы не умеем мириться с ошибками роботов, - сказал эксперт по транспорту Брайан Реймер из Массачусетского технологического института. - Сколько людей согласились бы попасть на самолёт без пилота, даже если известно, что половину времени пилоты сидят в кабине без дела, просто наблюдая за автоматикой?»
То, что водитель-компьютер безопаснее водителя-человека, должно быть доказано в тысячах инстанций, прежде чем законодатели дадут полную свободу транспорту на автопилоте. На данный момент подобные автомобили разрешено тестировать на дорогах общего пользования законодательством Японии и трёх штатов США (Калифорнии, Флориды и Невады) . Ожидается, что до конца года в этом списке окажется и Великобритания.
Кузовные панели, накапливающие энергию
Exxon Mobil прогнозирует, что к 2040 году половина всех новых автомобилей, которые сойдут с конвейера, будут гибридными. Однако у гибридных авто есть одна проблема: аккумуляторы, энергия которых используется для работы электродвигателя, очень громоздкие и тяжёлые, даже при учёте нынешнего развития литий-ионных батарей.
В Европе группа из девяти автопроизводителей в настоящее время испытывает кузовные панели, которые могут накапливать энергию и заряд быстрее, чем обычные батареи. Они изготавливаются из полимерного углеродного волокна и смолы, и они прочные, но гибкие. Благодаря разработке вес автомобилей может снизиться на 15 %.
Смарт-часы Nissan
Современная автомобильная промышленность не стоит на месте и постоянно предлагает потребителям новейшие технологии в машинах. Это не только более комфортный дизайн и лучшие запчасти, но и всевозможные системы, позволяющие спланировать маршрут и облегчающие процесс вождения.
Вождение в плохую погоду или темное время суток всегда проблематично. Именно поэтому исследователи решили придумать так называемые «умные» фары. Их уже устанавливают на дорогие модели автомобилей, а скоро этот процесс приобретет более массовое явление.
Компания Форд планирует использовать на новых машинах адаптивные фары. Они учитывают скорость движения и углы поворотов, способны к изменению интенсивности и направления светового потока, отслеживанию попутных и встречных транспортных средств.
Их использование способно существенно снизить число аварий на дорогах, так как подобные фары препятствуют ослеплению других участников дорожного движения.
В Тойоте решили сократить объемы используемых редкоземельных металлов и изготовить электрические моторы по новым технологиям. При их производстве не используются диспрозий и тербий, а количество неодима уменьшено в два раза. В качестве замены разработчики предложили другие варианты ─ церий и лантан. Цена таких металлов гораздо ниже, что значительно экономит финансовые затраты.
Дополненная реальность
В ближайшем будущем появятся очки Google Glass. Они будут отображать всевозможную информацию об автомобиле, и выполнять следующие функции:
- определение положения машины на карте;
- открытие и закрытие люка;
- контроль климата в салоне;
- блокировка и разблокировка дверей;
- включение и отключение сигнализации;
- контроль за зарядом аккумуляторов.
Volkswagen уже разработали интерфейс Marta. Он поможет пользователям ремонтировать автомобили самостоятельно. Электроника отслеживает взгляд мастера и дает подсказки относительно расположения нужных инструментов или запчастей.
К новейшим технологиям в автомобилестроении относятся кузовные панели, способные накапливать энергию намного быстрее, нежели стандартные батареи. Они позволяют поменять тяжелые и громоздкие аккумуляторы на тонкие и легкие. Для их изготовления понадобится использовать полимерное углеводное волокно и смолы. Пополнение запасов энергии производится включением в розетку, альтернативный способ ─ использование системы рекуперации энергии тормозов. Причем времени для зарядки такой батареи требуется намного меньше, чем для стандартного аккумулятора. Новый материал имеет очевидные преимущества: прочность и легко изменяемую форму. Также, одно из достоинств подобных панелей ─ существенное снижение веса машины. Разработки данной технологии активно идут в компании Volvo.
У компании Mercedes-Benz уже с 2011 года выпускаются автомобили со специальным устройством Attention Assist. Оно разработано для того, чтобы отследить физические возможности водителя управлять машиной. Если возникает необходимость, то системы подают сигналы о прекращении движения. Здесь не требуется непосредственное участие шофера, либо достаточно его минимального вмешательства.
Проверка осуществляется на основании трех факторов. Вот их перечень:
- фиксация взгляда водителя;
- контроль движения транспортного средства;
- оценка поведения водителя.
Автопилот
Многие автокомпании занимаются производством и тестированием систем автономного управления автомобилем. Еще недавно это казалось фантастикой, но теперь машины с системой автоматического вождения уже реальность. Их работа обеспечивается разнообразными датчиками, которые посылают сообщения о препятствиях на дорогах.
К примеру, новейший Мерседес S-класса способен управлять автомобилем, а при необходимости сбрасывать скорость и останавливаться.
Но не только автомобильные концерны разрабатывают «беспилотники». Компания Google тоже создала систему, которая позволяет транспортному средству передвигаться самостоятельно. При этом используются камеры наблюдения, навигационные карты и данные радаров.
В ближайший год в странах Евросоюза планируется оснащения автомобилей системами e-Call. Они разработаны специально для того, чтобы оповещать о дорожно-транспортных происшествиях. При аварии устройство срабатывает и посылает в кризисный центр информацию о месте ДТП, виде используемого топлива и количестве пассажиров.
Согласно статистическим данным, водители регулярно проверяют давление в шинах своих автомобилей. Оно должно соответствовать определенным нормам. Если колеса не накачаны должным образом, то это является прямой угрозой безопасности. Кроме того, расход топлива автоматически увеличивается.
Компания Bridgestone легко решила эту проблему созданием концептуальных безвоздушных шин. Пока их массовое производство еще не налажено, но это в планах на ближайшие пять лет. Такие шины содержат микросетку из жесткой резины вместо воздуха. Последняя обладает способностью сохранять изначальную форму даже при экстремальной нагрузке. Именно поэтому, машина сможет продолжать движение даже при проколе колеса без угрозы для жизни.
Безвоздушные шины будут более экологичными, нежели их предшественники из традиционной резины.
Одна из новых технологий в автомобильной промышленности – это автоматическая парковка автомобиля. Она способна на порядок упростить жизнь водителей в крупных городах. Пока такие новинки устанавливают лишь на дорогие автомобили в топовых комплектациях. Электронные системы способны определить вписывается ли машина по габаритам, рассчитать скорость передвижения и оптимальный угол поворота колес.
У водителя всегда есть возможность остановить автоматическую парковку, если ему что-то не нравится, и поставить машину самому.
От автомобилей будущего можно ждать еще больше различных функций, способных оказать водителям помощь в дороге и на парковке. Инновации однозначно будут развивать в сторону мощности и сверхэкономичности.
