Elektronika w samochodach. Jak zarządzać coraz bardziej skomplikowanymi systemami?

Na początku elektronizacji aut komunikacja pomiędzy sterownikami a elementami wykonawczymi odbywała się w prosty sposób: prąd lub brak prądu. Rolę minusa pełniła (i do tej pory pełni) karoseria auta, a plus był dostarczany za pomocą przewodów.

Komunikacja pomiędzy czujnikami a sterownikami też odbywała się w prosty sposób, za pomocą zmiany parametrów prądu elektrycznego. Wprowadzenie bardziej zaawansowanych systemów spowodowało konieczność zmian w komunikacji pomiędzy czujnikami a sterownikami i sterownikami a elementami wykonawczymi.

Kiedyś prosta komunikacja pomiędzy sterownikiem… Zaraz, nie było żadnego sterownika. Był przekaźnik w skrzyneczce pod maską. Włączenie przycisku lub przekręcenie dźwigni powodowało aktywację przekaźnika, a potem prąd płynął np. do określonych żarówek przednich świateł.

A teraz spójrzmy na współczesne, adaptacyjne reflektory LED. Muszą mieć własny sterownik. Musi on zbierać dane z szeregu czujników, aby jego oprogramowanie mogło aktywować lub dezaktywować określone moduły oświetleniowe. Komunikacja musi odbywać się bardzo szybko.

Elektrycznie sterowane okna - prosty układ. Na boczku drzwi (i na drzwiach kierowcy) znajdują się przyciski do sterowania zamykaniem okna. Naciśnięcie jednego z nich uruchamia silnik, który porusza całym mechanizmem. Do dołu, opuszczając szybę, albo do góry, zamykając ją. Mechanizm dba o to, żeby szyba ustawiła się w odpowiednim miejscu, żeby nie opuściła się zbytnio albo żeby zahamowała w odpowiednim miejscu, zatrzymując się przed górną ramą drzwi. Komunikacja pomiędzy sterownikiem a elementami wykonawczymi: prąd lub brak prądu. Naciśnięcie przycisku powoduje przepływ prądu. To wszystko. Co tu można zelektronizować?

Można, a nawet trzeba. Po pierwsze, trzeba umożliwić zamykanie okien po naciśnięciu przycisku na pilocie centralnego zamka. To już komplikuje instalację. Po drugie, można zastosować czujnik (niestety, nie jest we wszystkich autach), który w razie czego zablokuje szybę i nie zmiażdży palca nieostrożnemu użytkownikowi. Po trzecie, można zastosować czujnik, który sprawdzi, czy szyby w aucie są zamknięte. I dzięki temu kierowca będzie mógł sprawdzić na smartfonie, czy w aucie wszystko jest w porządku.

Jeżeli w tak prostych układach zaszły tak duże zmiany, to nietrudno sobie wyobrazić, jakich zmian trzeba było dokonać w bardziej zawansowanych.

Na początku był jeden sterownik…

Pierwszym sterownikiem, jaki stosowano w samochodach, był sterownik silnika. Korzystał on ze wskazań kilku czujników. Później, w bardziej zaawansowanych technicznie autach premium, stosowano trzy lub cztery sterowniki. Pierwszy kierował pracą silnika, drugi układów bezpieczeństwa z poduszkami powietrznymi i pirotechnicznymi napinaczami pasów, trzeci układami komfortu, czwarty systemami bezpieczeństwa aktywnego jak ABS, ASP i ESP.

Ile sterowników i ile czujników jest we współczesnym samochodzie?

Sterownik to komputer, który – jak sama nazwa wskazuje - steruje pracą określonego układu. Ma on zazwyczaj postać metalowej skrzynki, we wnętrzu której zamontowana jest płytka drukowana, a na niej są elementy elektroniczne. Na obudowie sterownika znajdują się porty – wejścia dla przewodów, które łączą sterownik z czujnikami i elementami wykonawczymi. W przypadku niektórych sterowników budowa jest bardziej skomplikowana. Na przykład sterownik SRS (systemów bezpieczeństwa aktywnego) ma wbudowane czujniki zderzeniowe i kondensatory, zapewniające zasilanie w razie zaniknięcia zasilania z instalacji auta.

Ile jest sterowników we współczesnym aucie?

• W samochodzie kompaktowym może być od 30 do 50 sterowników.

• W samochodzie klasy średniej wyższej lub premium może być od 80 do 100 sterowników.

• Każdy sterownik zawiaduje jednym systemem, np. sterownik ESP (który kieruje też pracą ABS i ASR), sterownik świateł, sterownik klimatyzacji, sterownik SRS, sterownik systemów informacyjnych, automatycznej skrzyni biegów i wiele innych.

• W aucie może być jeden sterownik główny, który będzie zarządzać resztą.

• Sterowniki nie tylko zarządzają podległymi elementami wykonawczymi. Niektóre z nich muszą współpracować z innymi sterownikami.

Ile jest czujników?

• W typowym aucie jest od 60 do 200 czujników. Im wyższa klasa samochodu, tym czujników jest więcej.

• Elektryczna Tesla 3 ma ok. 160 czujników.

• Współczesne Audi A6 i BMW 5 mają do 100 sterowników i ok. 150 czujników.

• Stosuje się czujniki różnych typów, z prostymi elementami pomiarowymi i z zaawansowanymi układami pomiarowymi (radarowe, żyroskopowe, z układami optycznymi jak sterownik świateł i deszczu).

Komunikacja pomiędzy czujnikami a sterownikami

Czujniki przekształcają wartości pomiaru temperatury, ciśnienia, poziomu cieczy czy też prędkości obrotowej na sygnał elektryczny. Za pomocą zmian napięcia, zmian częstotliwości albo generowania określonych impulsów, dane z pomiarów są odczytywane i przetwarzane przez oprogramowanie sterownika. Komunikacja oparta na zmianach parametrów prądu to za mało. W przypadku sterowników bardziej zaawansowanych systemów, takich jak systemy ADAS, systemy bezpieczeństwa aktywnego (np. systemy przeciwpoślizgowe), systemy SRS (poduszki i napinacze), systemy automatycznego parkowania, systemy jazdy autonomicznej, komunikacja opiera się o szybkie magistrale przesyłania danych. Pozwalają one na równoczesną komunikację z wieloma czujnikami na raz. W dodatku w czasie (prawie) rzeczywistym.

Informacje z czujników są wysyłane w formie komunikatów. Pierwsza część komunikatu (pierwsza część kodu) to coś w rodzaju adresu, który określa, do którego sterownika ma dotrzeć komunikat. Jest to konieczne, bo jeden czujnik może być wykorzystywany przez kilka sterowników, np. czujnik prędkości obrotowej ABS. Pomiary, których dokonuje są wysyłane do sterowników ABS, ASR, ESP, systemu kontroli zjazdu, systemu zapobiegającego staczaniu się podczas ruszania pod górę i wielu innych.

Co ważne, w pierwszej części komunikatu, przesyłanego przez magistrale CAN, znajduje się też określenie priorytetu. To oczywiste, że najwyższy priorytet mają sygnały z czujników zderzenia, czujników radarowych i kamer, obserwujących przestrzeń przed autem, z czujników wykrywających poślizg itd. Najwyższy priorytet mają też sygnały z czujników monitorujących pracę silnika i skrzyni biegów.

Zastosowanie magistrali CAN pozwoliło na znaczące zmniejszenie liczby przewodów elektrycznych w samochodzie. A to z kolei zmniejszyło liczbę portów w obudowach sterowników. We współczesnych autach mogą również znaleźć się też dwie inne magistrale – FlexRay, która jest znacznie szybsza od CAN i LIN, która jest wolniejsza.

Jak działa zarządzanie informacjami i pracą skomplikowanych systemów w samochodzie?

Czujniki dokonują pomiarów i generują sygnały – analogowe (zmiana parametrów prądu elektrycznego) albo cyfrowe (komunikaty cyfrowe przesyłane magistralą CAN). Sygnały są filtrowane i przetwarzane przez oprogramowanie sterowników. Na bazie wgranej mapy (oprogramowania) albo na bazie wskazań kierowcy, czujnik inicjuje działanie określonego elementu wykonawczego, na przykład otwiera wtryskiwacze, hamuje jedno z kół, włącza określony moduł oświetlenia LED…

Sterownik może zbierać dane z czujników i z innego sterownika. Inny sterownik może przejąć sterowanie podrzędnymi mu sterownikami. Jest tu ustalona hierarchia. Przykładem może być sterownik systemu ESP, który steruje pracą systemów ABS i ASR, a może też w pewnym momencie przejąć kontrolę nad silnikiem, zmniejszając jego moc, nawet wtedy, gdy kierowca wydaje inne polecenia (naciska pedał gazu).

Niektóre czujniki mogą też pobierać lub przesyłać dane do tzw. chmury danych. To technologie stosowane przede wszystkim w najnowszych autach i w samochodach mających tryb autonomicznej jazdy.

Podsumowując, współczesny samochód to skomplikowana machina mechaniczno-elektryczna, wyposażona w dziesiątki komputerów i setki czujników. Nadal jednak trzeba pamiętać o jednym – najważniejszym sterownikiem w tej maszynie jest ludzki mózg. To on ma panować nad wszystkim i nie powodować zagrożeń.

Michał Lisiak