eng
Автомобильная электроника вступила в новый этап своего развития, который обещает кардинально изменить функции водителя и движение транспортных потоков на автомагистралях. Стремительная, комфортабельная и абсолютно безопасная езда как будто по пустым дорогам – такое будущее готовят нам различные интеллектуальные системы, активно разрабатываемые сегодня.
Представьте себе такую сцену: вы подходите к автомобилю, и его двери автоматически открываются, двигатель включается, а температура салона падает или поднимается до нужного уровня. Затем вы набираете на панели пункт назначения – и машина стартует. При движении по маршруту вы заранее получаете информацию о каждом препятствии и вариантах объезда. А если путешествие проходит ночью, система ночного видения позаботится о том, чтобы вы видели дорогу так же четко, как днем. Этот сценарий – отнюдь не научная фантастика, так как сегодня уже созданы технологии, позволяющие его осуществить.
По большому счету специалисты в области автомобильной электроники концентрируют свои усилия на двух направлениях – дорожная инфраструктура и разумный автомобиль*, которые, однако, тесно связаны между собой. Так, в 1999 году Управление транспортом США направит больше половины бюджетных средств (около 250 млн. долл.) на создание интеллектуальной транспортной системы (ITS), составными частями которой являются технологии разумного автомобиля и интеллектуальная инфраструктура. К 2005 году планируется завершить формирование базовых служб ITS для легковых и грузовых автомобилей, а к 2012-му – развернуть систему полностью. Исследования, в основном, сфокусированы на “человеческом факторе”, обеспечении безопасности и интеграции технологий, применяемых в автомобилях и инфраструктуре, в рамках единой системы ITS.
Пожалуй, сегодня наиболее продуктивно развиваются технологии разумного автомобиля. Остановимся на некоторых из них.
СИСТЕМА АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ
Несколько лет назад в перспективные опытные образцы автомобилей стали включать недорогие радиолокационные системы переднего обзора, которые поддерживают безопасную дистанцию от впереди идущего транспорта, автоматически изменяя скорость автомобиля. Сегодня такие интеллектуальные системы управления скоростью активно разрабатывают многие автомобилестроители. Однако по мере испытаний в реальных условиях обнаруживалось все больше проблем. Например, при движении по магистрали, имеющей небольшую кривизну, сочетание узкого радиолокационного луча и кривизны дороги часто приводит к тому, что систему “стопорит” в другой полосе движения, и скорость автомобиля внезапно снижается.
Многие проблемы, связанные с конкретными ситуациями, можно решить, оснастив систему дополнительными датчиками, расширив объем обработки данных, а также усовершенствовав алгоритмы и увеличив их число. Одна из возможностей – применение видеокамеры для расширения зоны видимости и обработка изображения, отображающего кривизну дороги. Уже продемонстрированы интересные приложения, которые позволяют компьютеру объединять изображения от оптимально расположенных видеокамер для создания искусственного зеркала заднего обзора и выполнения ряда дополнительных функций. Например, если видеокамеры фиксируют дождь или дымку на ветровом стекле, автоматически включаются стеклоочистители или система кондиционирования воздуха.
Главная задача сегодня – разработка компьютерных систем, способных быстро реагировать на любые изменения и полностью управлять автомобилем в аварийных ситуациях. Интеллектуальная система безопасного управления автомобилем будет содержать РЛС дальнего действия для управления скоростью; РЛС малой дальности действия для обеспечения безопасности; видеодатчики для обнаружения полосы движения (ограждения полосы движения), классификации препятствий и определения кривизны дороги.
Первым легковым автомобилем, оснащенным адаптивной системой управления скоростью, стал роскошный “мерседес” S-класса. Система обеспечивает безопасное расстояние от впереди идущей машины, регулируя скорость, даже когда водитель не касается педали газа или тормоза. Если автомобиль движется слишком медленно, то, взглянув в зеркало заднего обзора, водитель может перевести автомобиль на свободную соседнюю полосу. Движение моментально ускорится, так как система повышает скорость до заранее установленного значения. А вы все еще не нажимали на педаль акселератора!
Адаптивная система (рис.1) использует доплеровскую РЛС на 77 ГГц, соединенную с системами электронного управления и торможения. Миллиметровый диапазон работы системы обеспечивает технология монолитных ИС СВЧ-диапазона (MMIC) на арсениде галлия.
В этой области лидируют европейские фирмы Daimler-Benz и BMW, а третье место, вероятно, вскоре займет Volkswagen. По мнению аналитиков, активное формирование американского рынка таких систем начнется только тогда, когда работу РЛС удастся надежно согласовать с автоматической трансмиссией автомобиля.
АВТОМОБИЛЬНАЯЯ РЛС БОКОВОГО ОБЗОРА
Переводя автомобиль в другой ряд, водитель не в состоянии полностью оценить безопасность маневра только с помощью зеркал бокового и заднего обзора, особенно при движении ночью или в условиях плохой видимости. К тому же вдоль боковой части большинства автомобилей существуют скрытые от обзора участки, что нередко вынуждает водителя поворачиваться назад, чтобы проверить, свободен ли ряд сбоку. В трудных дорожных ситуациях это может привести к серьезной аварии и даже катастрофе. Помочь водителю в оценке обстановки при выезде из ряда может радиолокационная система бокового обзора, недавно разработанная американской фирмой HE Microwave. Система представляет собой импульсную доплеровскую РЛС с несущей частотой 24,125 ГГц и шириной полосы 200 МГц. РЛС смонтирована в боковой части автомобиля заподлицо с его внешней поверхностью, так что апертура антенны перпендикулярна к направлению движения платформы и объекта. Зона обзора, таким образом, охватывает всю ширину соседнего ряда и при этом еще предпочтительны двусторонние радарные системы.
РЛС бокового обзора делает простую вещь – оповещает водителя, совершающего поворот, о появлении объекта в скрытой от обзора зоне сигнальными лампочками, установленными в зеркале бокового обзора или рядом с ним, а также звуковым аварийным сигналом. Система функционирует постоянно и служит дополнением к зеркалам бокового обзора.
Система обладает достаточно высокой чувствительностью, чтобы реагировать на любой автомобиль и даже велосипед, движущийся вдоль боковой стороны платформы РЛС, т.е. в скрытой от водителя зоне. Однако это ее достоинство порой приводит к нежелательному эффекту – в качестве цели система может рассматривать и объекты, не представляющие опасности, иногда даже саму дорогу.
Нередко в зоне бокового обзора присутствуют интенсивные помехи (мешающие объекты). Так, в зону работы правостороннего радара попадают деревья, здания, столбы и др., а левостороннего – транспорт, движущийся навстречу и по средней полосе. И в правом, и в левом полях обзора радаров часто возникают распределенные помехи, например ограждение дорожного полотна. Оба вида РЛС реагируют и на припаркованные машины, которые считаются едва ли не самыми неприятными среди мешающих объектов.
Сигналы, возникающие из-за мешающих (шумящих) объектов, многие водители воспринимают как неприемлемые раздражители. Чтобы свести эти раздражители на нет и повысить эффективность работы РЛС, в системе бокового обзора фирмы HE Microwave предусмотрена функция, позволяющая в реальном времени отличать опасные цели от помех: при скорости объекта относительно автомобиля больше нуля система относит его к опасным целям, а при скорости, меньшей или равной нулю, – к помехам.
Архитектура РЛС позволяет классифицировать объекты в пределах широкой зоны обзора (особенно по азимуту) при приемлемой стоимости. Стоимостные ограничения препятствуют применению узкого антенного луча, поэтому для охвата широкого азимутального угла необходима широкая диаграмма направленности антенны. Данная РЛС использует метод переключения луча, позволяющий сформировать две зоны обнаружения (рис.2), достаточные для обзора требуемого пространства. Методика обработки сигналов способна обеспечить сектор обзора по азимуту в 180о с разрешением приблизительно 45о. Добавляя антенные лучи, можно расширить сектор обзора.
РЛС обслуживает две зоны обзора путем переключения каналов СВЧ-приемопередатчика (рис.3). Информацией, необходимой для классификации объекта, служит скорость цели по Х относительно платформы. РЛС оценивает ее путем анализа данных о дальности и скорости изменения дальности объекта и принимает решение в течение 100 мс после обнаружения цели.
Реализация таких методов слежения требует хорошего разрешения по дальности и доплеровской частоте в данных о параметрах цели. Применение в передатчике генератора, управляемого напряжением, а в приемнике – детектора гомодинного типа помогло решить эту задачу без существенного повышения стоимости системы. Генератор, управляемый напряжением, позволяет создавать радиоимпульс с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ). После смешения отраженного сигнала с ЛЧМ-импульсом и анализа модулирующего сигнала с помощью быстрого преобразования Фурье осуществляется импульсное сжатие. Операция повторяется до получения импульсной последовательности. В результате обработки этой группы импульсов получают импульсно-доплеровский сигнал с хорошим разрешением по дальности и доплеровской частоте.
РЛС задерживает последующее срабатывание в каждой из зон обнаружения до тех пор, пока не завершится обработка относящейся к ней группы импульсов. В результате формируется список ответных справок о целях с входящими в них параметрами дальности и скорости изменения дальности для текущей зоны обнаружения. Причем этот процесс завершается до начала сбора данных о следующей зоне. Полученные таким образом данные об обеих зонах анализируются с помощью процессора ложных сигналов и на его выходе объединяются. Критерием захвата цели является совпадение “трех из четырех возможных”, т.е. когда любые три из четырех циклов захвата цели обеспечивают данные, связанные со слежением. Если таких циклов меньше трех, данные слежения стираются, и процесс слежения начинается заново.
РЛС бокового обзора способна многократно возобновлять слежение за целью. Для выявления ассоциаций все сообщения о целях сопоставляются с уже имеющимися данными. Новые ассоциативные данные используются для обновления оценки положения цели и ее скорости. Из-за широкого азимутального угла обзора при инициализации слежения оценка положения и скорости цели неоднозначна, поэтому последующие данные крайне важны для ее уточнения. Как только оценка признается правильной, начинается процесс распознавания скорости цели относительно Х. Дискриминатор активизирует сигнал тревоги, если одно или более значений скорости цели вдоль Х удовлетворяет классификационным критериям.
Большой объем эксплуатационных испытаний, в том числе длившиеся несколько месяцев дорожные испытания, подтвердили высокую способность системы к принятию решения. РЛС последовательно демонстрировала низкую интенсивность ложных тревог при высокой плотности помех, сохраняя чрезвычайно высокую интенсивность адекватных сигналов тревоги.
В автомобилях следующего десятилетия расширится применение не только радиолокационных систем, о которых шла речь в статье, но также дверей, окон, сидений, зеркал и крыш с сервоприводом; антиблокировочных систем торможения; разумных воздушных подушек и др. В практику вождения войдут системы глобальной спутниковой навигации, аварийные системы, усовершенствованные системы безопасности и сигнализации (вход без ключа, потеря подвижности, поиск автомобиля), а также системы активного управления подвеской, электронного управления питанием, обнаружения близкого препятствия и предотвращения столкновений. Навигационные системы и системы управления скоростью уже готовы для эксплуатации. В США, например, автомобильную навигацию предполагают ввести в текущем году. А вот системы предотвращения столкновений, скорее всего, не найдут широкого применения до тех пор, пока не удастся повысить их надежность и снизить стоимость. По прогнозам, оснащение новых моделей автомобилей компьютерами начнется с 2001 года. Как отмечают многие эксперты, такой компьютер станет центром сети, одна из главных целей которой – сделать вождение менее утомительным. Ведутся работы по созданию плоской антенны, которую можно будет установить на крыше или заднем стекле автомобиля. Ключевой технологией таких антенн, вероятнее всего, станет фазированная решетка.
IEEE AES Systems Magazine, 1998, v.13, №6, p.3–7
GEC Review, 1998, v.13, №2, p.98–106
Components, 1998, v.33, №2, p.18–20
www.eet.com/story/OEG19981020S0007
www.pubs.cmpnet.com/eet/news/98/1004news/gov.html
www.techweb.com/se/directlink.cgi
По большому счету специалисты в области автомобильной электроники концентрируют свои усилия на двух направлениях – дорожная инфраструктура и разумный автомобиль*, которые, однако, тесно связаны между собой. Так, в 1999 году Управление транспортом США направит больше половины бюджетных средств (около 250 млн. долл.) на создание интеллектуальной транспортной системы (ITS), составными частями которой являются технологии разумного автомобиля и интеллектуальная инфраструктура. К 2005 году планируется завершить формирование базовых служб ITS для легковых и грузовых автомобилей, а к 2012-му – развернуть систему полностью. Исследования, в основном, сфокусированы на “человеческом факторе”, обеспечении безопасности и интеграции технологий, применяемых в автомобилях и инфраструктуре, в рамках единой системы ITS.
Пожалуй, сегодня наиболее продуктивно развиваются технологии разумного автомобиля. Остановимся на некоторых из них.
СИСТЕМА АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ
Несколько лет назад в перспективные опытные образцы автомобилей стали включать недорогие радиолокационные системы переднего обзора, которые поддерживают безопасную дистанцию от впереди идущего транспорта, автоматически изменяя скорость автомобиля. Сегодня такие интеллектуальные системы управления скоростью активно разрабатывают многие автомобилестроители. Однако по мере испытаний в реальных условиях обнаруживалось все больше проблем. Например, при движении по магистрали, имеющей небольшую кривизну, сочетание узкого радиолокационного луча и кривизны дороги часто приводит к тому, что систему “стопорит” в другой полосе движения, и скорость автомобиля внезапно снижается.
Многие проблемы, связанные с конкретными ситуациями, можно решить, оснастив систему дополнительными датчиками, расширив объем обработки данных, а также усовершенствовав алгоритмы и увеличив их число. Одна из возможностей – применение видеокамеры для расширения зоны видимости и обработка изображения, отображающего кривизну дороги. Уже продемонстрированы интересные приложения, которые позволяют компьютеру объединять изображения от оптимально расположенных видеокамер для создания искусственного зеркала заднего обзора и выполнения ряда дополнительных функций. Например, если видеокамеры фиксируют дождь или дымку на ветровом стекле, автоматически включаются стеклоочистители или система кондиционирования воздуха.
Главная задача сегодня – разработка компьютерных систем, способных быстро реагировать на любые изменения и полностью управлять автомобилем в аварийных ситуациях. Интеллектуальная система безопасного управления автомобилем будет содержать РЛС дальнего действия для управления скоростью; РЛС малой дальности действия для обеспечения безопасности; видеодатчики для обнаружения полосы движения (ограждения полосы движения), классификации препятствий и определения кривизны дороги.
Первым легковым автомобилем, оснащенным адаптивной системой управления скоростью, стал роскошный “мерседес” S-класса. Система обеспечивает безопасное расстояние от впереди идущей машины, регулируя скорость, даже когда водитель не касается педали газа или тормоза. Если автомобиль движется слишком медленно, то, взглянув в зеркало заднего обзора, водитель может перевести автомобиль на свободную соседнюю полосу. Движение моментально ускорится, так как система повышает скорость до заранее установленного значения. А вы все еще не нажимали на педаль акселератора!
Адаптивная система (рис.1) использует доплеровскую РЛС на 77 ГГц, соединенную с системами электронного управления и торможения. Миллиметровый диапазон работы системы обеспечивает технология монолитных ИС СВЧ-диапазона (MMIC) на арсениде галлия.
В этой области лидируют европейские фирмы Daimler-Benz и BMW, а третье место, вероятно, вскоре займет Volkswagen. По мнению аналитиков, активное формирование американского рынка таких систем начнется только тогда, когда работу РЛС удастся надежно согласовать с автоматической трансмиссией автомобиля.
АВТОМОБИЛЬНАЯЯ РЛС БОКОВОГО ОБЗОРА
Переводя автомобиль в другой ряд, водитель не в состоянии полностью оценить безопасность маневра только с помощью зеркал бокового и заднего обзора, особенно при движении ночью или в условиях плохой видимости. К тому же вдоль боковой части большинства автомобилей существуют скрытые от обзора участки, что нередко вынуждает водителя поворачиваться назад, чтобы проверить, свободен ли ряд сбоку. В трудных дорожных ситуациях это может привести к серьезной аварии и даже катастрофе. Помочь водителю в оценке обстановки при выезде из ряда может радиолокационная система бокового обзора, недавно разработанная американской фирмой HE Microwave. Система представляет собой импульсную доплеровскую РЛС с несущей частотой 24,125 ГГц и шириной полосы 200 МГц. РЛС смонтирована в боковой части автомобиля заподлицо с его внешней поверхностью, так что апертура антенны перпендикулярна к направлению движения платформы и объекта. Зона обзора, таким образом, охватывает всю ширину соседнего ряда и при этом еще предпочтительны двусторонние радарные системы.
РЛС бокового обзора делает простую вещь – оповещает водителя, совершающего поворот, о появлении объекта в скрытой от обзора зоне сигнальными лампочками, установленными в зеркале бокового обзора или рядом с ним, а также звуковым аварийным сигналом. Система функционирует постоянно и служит дополнением к зеркалам бокового обзора.
Система обладает достаточно высокой чувствительностью, чтобы реагировать на любой автомобиль и даже велосипед, движущийся вдоль боковой стороны платформы РЛС, т.е. в скрытой от водителя зоне. Однако это ее достоинство порой приводит к нежелательному эффекту – в качестве цели система может рассматривать и объекты, не представляющие опасности, иногда даже саму дорогу.
Нередко в зоне бокового обзора присутствуют интенсивные помехи (мешающие объекты). Так, в зону работы правостороннего радара попадают деревья, здания, столбы и др., а левостороннего – транспорт, движущийся навстречу и по средней полосе. И в правом, и в левом полях обзора радаров часто возникают распределенные помехи, например ограждение дорожного полотна. Оба вида РЛС реагируют и на припаркованные машины, которые считаются едва ли не самыми неприятными среди мешающих объектов.
Сигналы, возникающие из-за мешающих (шумящих) объектов, многие водители воспринимают как неприемлемые раздражители. Чтобы свести эти раздражители на нет и повысить эффективность работы РЛС, в системе бокового обзора фирмы HE Microwave предусмотрена функция, позволяющая в реальном времени отличать опасные цели от помех: при скорости объекта относительно автомобиля больше нуля система относит его к опасным целям, а при скорости, меньшей или равной нулю, – к помехам.
Архитектура РЛС позволяет классифицировать объекты в пределах широкой зоны обзора (особенно по азимуту) при приемлемой стоимости. Стоимостные ограничения препятствуют применению узкого антенного луча, поэтому для охвата широкого азимутального угла необходима широкая диаграмма направленности антенны. Данная РЛС использует метод переключения луча, позволяющий сформировать две зоны обнаружения (рис.2), достаточные для обзора требуемого пространства. Методика обработки сигналов способна обеспечить сектор обзора по азимуту в 180о с разрешением приблизительно 45о. Добавляя антенные лучи, можно расширить сектор обзора.
РЛС обслуживает две зоны обзора путем переключения каналов СВЧ-приемопередатчика (рис.3). Информацией, необходимой для классификации объекта, служит скорость цели по Х относительно платформы. РЛС оценивает ее путем анализа данных о дальности и скорости изменения дальности объекта и принимает решение в течение 100 мс после обнаружения цели.
Реализация таких методов слежения требует хорошего разрешения по дальности и доплеровской частоте в данных о параметрах цели. Применение в передатчике генератора, управляемого напряжением, а в приемнике – детектора гомодинного типа помогло решить эту задачу без существенного повышения стоимости системы. Генератор, управляемый напряжением, позволяет создавать радиоимпульс с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ). После смешения отраженного сигнала с ЛЧМ-импульсом и анализа модулирующего сигнала с помощью быстрого преобразования Фурье осуществляется импульсное сжатие. Операция повторяется до получения импульсной последовательности. В результате обработки этой группы импульсов получают импульсно-доплеровский сигнал с хорошим разрешением по дальности и доплеровской частоте.
РЛС задерживает последующее срабатывание в каждой из зон обнаружения до тех пор, пока не завершится обработка относящейся к ней группы импульсов. В результате формируется список ответных справок о целях с входящими в них параметрами дальности и скорости изменения дальности для текущей зоны обнаружения. Причем этот процесс завершается до начала сбора данных о следующей зоне. Полученные таким образом данные об обеих зонах анализируются с помощью процессора ложных сигналов и на его выходе объединяются. Критерием захвата цели является совпадение “трех из четырех возможных”, т.е. когда любые три из четырех циклов захвата цели обеспечивают данные, связанные со слежением. Если таких циклов меньше трех, данные слежения стираются, и процесс слежения начинается заново.
РЛС бокового обзора способна многократно возобновлять слежение за целью. Для выявления ассоциаций все сообщения о целях сопоставляются с уже имеющимися данными. Новые ассоциативные данные используются для обновления оценки положения цели и ее скорости. Из-за широкого азимутального угла обзора при инициализации слежения оценка положения и скорости цели неоднозначна, поэтому последующие данные крайне важны для ее уточнения. Как только оценка признается правильной, начинается процесс распознавания скорости цели относительно Х. Дискриминатор активизирует сигнал тревоги, если одно или более значений скорости цели вдоль Х удовлетворяет классификационным критериям.
Большой объем эксплуатационных испытаний, в том числе длившиеся несколько месяцев дорожные испытания, подтвердили высокую способность системы к принятию решения. РЛС последовательно демонстрировала низкую интенсивность ложных тревог при высокой плотности помех, сохраняя чрезвычайно высокую интенсивность адекватных сигналов тревоги.
В автомобилях следующего десятилетия расширится применение не только радиолокационных систем, о которых шла речь в статье, но также дверей, окон, сидений, зеркал и крыш с сервоприводом; антиблокировочных систем торможения; разумных воздушных подушек и др. В практику вождения войдут системы глобальной спутниковой навигации, аварийные системы, усовершенствованные системы безопасности и сигнализации (вход без ключа, потеря подвижности, поиск автомобиля), а также системы активного управления подвеской, электронного управления питанием, обнаружения близкого препятствия и предотвращения столкновений. Навигационные системы и системы управления скоростью уже готовы для эксплуатации. В США, например, автомобильную навигацию предполагают ввести в текущем году. А вот системы предотвращения столкновений, скорее всего, не найдут широкого применения до тех пор, пока не удастся повысить их надежность и снизить стоимость. По прогнозам, оснащение новых моделей автомобилей компьютерами начнется с 2001 года. Как отмечают многие эксперты, такой компьютер станет центром сети, одна из главных целей которой – сделать вождение менее утомительным. Ведутся работы по созданию плоской антенны, которую можно будет установить на крыше или заднем стекле автомобиля. Ключевой технологией таких антенн, вероятнее всего, станет фазированная решетка.
IEEE AES Systems Magazine, 1998, v.13, №6, p.3–7
GEC Review, 1998, v.13, №2, p.98–106
Components, 1998, v.33, №2, p.18–20
www.eet.com/story/OEG19981020S0007
www.pubs.cmpnet.com/eet/news/98/1004news/gov.html
www.techweb.com/se/directlink.cgi
Отзывы читателей
