Разработка микроконтроллерной системы автоматической регулировки фар

       Элементы  логики имеют напряжение питания равное 5 В. Наша система, находясь на борту автомобиля, питается напряжением борт сети равным 12 В. Поэтому для питания системы необходим блок преобразования напряжения, который и будет осуществлять питание элементов системы. 

       1.3 Определение структуры системы 
 

       Все блоки системы, описанные выше, составляют структурную схему, представленную на рисунке 1.1. 

       Рисунок 1.1 – Структурная схема устройства

       Структура содержит два датчика положения  кузова, назначение которых вырабатывать сигналы, пропорциональные отклонению положения кузова от горизонтального положения в двух осях – OX и ОY. Ось OX направлена вдоль продольной оси симметрии автомобиля и характеризует дифферент (угол тангажа) автомобиля. Ось ОY направлена в поперечном направлении и характеризует крен автомобиля в процессе движения. Алгоритмы управления фарами могут потребовать измерения не только положения, но и скорости изменения положения автомобиля. В данном проекте будет использоваться алгоритмическое оценивание скоростей по результатам измерения положений.

       Вместе  с датчиками положения кузова на формирователи входных сигналов подается выход датчика положения  рулевого колеса, а также датчики  углов поворота фар, которые могут  поворачиваться в горизонтальном и вертикальном направлениях. Особенностью работы системы управления фарами в вертикальном направлении является высокое требуемое быстродействие системы при неровной дороге.

       Формирователи входных сигналов для указанных  датчиков представляют собой масштабирующие и буферные усилители, согласующие сигналы датчиков по уровню и по мощности с входами микроконтроллера.

       Сигналы с формирователей поступают на многоканальный АЦП, встроенный в микроконтроллер.

       Как отмечалось, выход датчика скорости представляет собой импульсный сигнал, поэтому формирователем для него является масштабирующий усилитель и одновибратор, формирующий меандр. Выход данного преобразователя подключается в дискретному порту, который может обрабатываться по прерыванию, вызванному положительным фронтом.

       Дискретными сигналами являются сигналы сигнализации включенного освещения и указателя  поворота. Они подаются на дискретные порты и также обрабатываются по прерываниям, вызываемым положительным  фронтом.

       Выходные  сигналы подаются на усилители, обеспечивающие гальваническую развязку и усиление сигналов с портов микроконтроллера. Сигналы, подаваемые для поворота фар, являются аналоговыми, поэтому это выходы многоканального ЦАП, встроенного в микроконтроллер.

       Сигналы на включение ламп бокового света  являются дискретными, поэтому они подаются на выходы дискретного порта.

       Для программирования и диагностики  системы управления предусмотрены  соответствующие разъемы. Для уменьшения числа используемых портов устройства предполагается, что диагностика  и программирования осуществляются через один порт. Для этого может быть использован параллельный порт.

       Программирование  и диагностика системы осуществляется посредством персональной ЭВМ или  ноутбука, поэтому требуется наличие соответствующего интерфейса. При использовании ноутбука может потребоваться преобразователь, работающий с напряжениями последовательного интерфейса 3 В.

       Также для осуществления связи с  другими блоками управления, желательно наличие CAN-интерфейса или соответствующего преобразователя.

 

        2 Алгоритмы работы системы

       2.1 Основной алгоритм работы системы 
 

       Система управления поворотом фар по горизонтали  активируется при включении внешнего освещения при T=l, То есть при включении ближнего/дальнего света, и автоматически выходит в режим тестирования, тестируется контроллер, а так же все датчики и нагрузка системы. При Т=0 система управления поворотом фар не активируется. Результаты тестирования передаются по CAN интерфейсу на информационное табло автомобиля для оповещения водителя. Если какое либо устройство системы неисправно, то выводится информация о неисправности системы управления поворотом фар на информационное табло, информируя водителя о возникшей неисправности, и система не активируется. Фары автомобиля будут обеспечивать освещение сопоставимое со стандартным освещением фарами автомобиля, не оборудованного поворотными фарами с автоматическим управлением.

       После успешного прохождения тестирования система находится в режиме определения  скорости движения автомобиля, это  определяющий работу системы параметр. Система имеет два режима работы и, как описывалось ранее, определяя скорость (до 50км/ч или выше) работает по двум алгоритмам. Если, при определении скорости автомобиль движется медленнее V < 50км/ч, электроприводы, отвечающие за поворот фар, не задействуются. Вся работа системы сводится к своевременному включению бокового освещения. Включение оптического элемента бокового света происходит, как было уже сказано, на скорости до 50км/ч при включении указателя поворота (Р<>0) и при отклонении рулевого колеса (Up<>0). Сторона, в которую происходит отклонение рулевого колеса, должна совпадать со стороной, на которой включен указатель поворота, То есть после опроса датчика Up и расчета угла Up: &Up=Upi-Uрi-1, определяем какую лампу бокового освещения нужно задействовать: левую (Lл) или правую (Lп). Выключение бокового освещения происходит при распрямлении траектории движения автомобиля, То есть при возврате рулевого колеса в положение прямолинейного движения(Uр=О), или при выключении указателя поворота. Выключение оптического элемента не происходит при сохранении отклонения рулевого колеса, при увеличении или уменьшении отклонения рулевого колеса. При уменьшении отклонения рулевого колеса выключение бокового освещения не происходит до того момента, пока указатель поворота автоматически не выключится. После выключения лампы бокового освещения система переходит в режим определения скорости движения автомобиля. После чего, если скорость менее 50км/ч, алгоритм работы системы повторяется вновь.

       Если  при определении скорости автомобиля система зафиксировала движение со скоростью, превышающей V > 50км/ч, система начинает работать с прожекторами фар, боковое освещение не активируется.

       Первое  что система определяет это точная скорость движения автомобиля, после  чего если она остается выше 50 км/ч, определяется угол поворота рулевого колеса. Далее точно определенные величины поступают на микроконтроллер и обрабатываются им, производится расчет угла, на который нужно повернуть прожекторы фар:

       Ufg=(Upi-Uрi-1)*К.

       Напомним, что прожекторы фар поворачиваются в пределах 22 градусов, при повороте внутренний прожектор. поворачивается максимум на 7·градусов, а наружный прожектор на 15·градусов. Вычисленный угол поворота фар подается в виде сигнала на электродвигатели, которые поворачивают прожекторы фар на нужный угол: A=Ufg*U. Датчики угла поворота фар, следящие на какой угол повернуты фары, передают информацию микроконтроллеру об их положении. Таким образом, реализуется обратная связь. Микроконтроллер проверяет, совпадает ли выданный им углы поворота фар с углами, на который фары повернулись и при расчете нового угла поворота прожекторов фар, ведется его корректировка с учетом угла, на который фары уже были повернуты. Если на микроконтроллер поступает информация, что угол поворота фар, который зафиксировали датчики угла поворота фар, совпадает с углом, который микроконтроллер рассчитал ранее, привод фар фиксирует их в данном положении, пока не поступят указания от микроконтроллера об изменении положения прожекторов фар и повороте их на новые угла. Непрерывно микроконтроллер ведет расчет новых углов, на которые нужно повернуть фары, ведь движение автомобиля характеризуется постоянным изменением скоростного режима и направления движения. Так же при движении на высокой скорости положение фар меняется быстрее, а при более медленном движении поворотный механизм снижает скорость поворота фар, микроконтроллер при расчете угла поворота прожекторов фар рассчитывает и скорость поворота фар. В результате световой пучок фар распределяется в соответствии с изменением "сектора обзора" водителя при маневрах на любой скорости.

       Если  скорость падает и становится меньше V < 50км/ч, так же рулевое колесо находится в около нулевой зоне, то система переходит к управлению включением бокового освещения, алгоритм управления которым описан выше. Но если системой уже был осуществлен поворот фар, на какой либо угол, то система не может перейти к управлению включением бокового освещения. Это условие необходимо для того, чтоб прожекторы фар после отклонения устанавливались в положение прямолинейного освещения:

       Ufg=0.

       То есть, если система начинает управление прожекторами фар, то она не может перейти в режим управления боковым освещением, до того момента, пока прожекторы фар не вернутся в начальное положение (0). Если при определении скорости окажется, что скорость автомобиля меньше 50 км/ч. Алгоритм поведения системы, описанный выше, повторится нужное количество раз, чтоб система возвратила фары в начальное положение. После возвращения фар в начальное положение, и при отклонении руля близкому к нулевому, система переходит снова к определению скорости автомобиля, после чего может начать управление боковым освещением (если скорость будет менее 50км/ч) или возвратиться к управлению прожекторами фар (если скорость превысит 50км/ч).

       Алгоритм  работы системы, описанный выше, приведён на рисунке 2.

       Рисунок 2 – Алгоритм работы системы

 

        2.2 Алгоритмы обработки сигналов  датчиков 
 

       Сигналы с датчиков проходят следующие этапы  предварительной обработки:

       – проверка на достоверности;

       – дискретная фильтрация;

       – проверка на технологические границы.

       Проверка  на достоверность заключатся в том, что скорость изменения сигналов с датчиков не должна превышать известные предельные значения. Данный алгоритм может быть описан следующей последовательностью действий:

       1 Считывается сигнал i-ого датчика Xi(k), где k – текущий дсикретный момент времени. Если выполнено условие

       , (2.1)

то сигнал с датчика считается достоверным. Осуществляется переход на пункт 3 данного алгоритма.

       В первый момент времени при k=1, проверка на достоверность не производится, т.к. показаний датчиков только один отчет.

       2 Производится увеличение счетчика недостоверных значений сигналов датчиков

       . (2.2)

       Если  , то выдается сообщение о неисправности датчика и осуществляется переход на конец алгоритма.

       3 Сигнал датчика достоверен, поэтому приступаем к дискретной фильтрации. Алгоритм фильтрации осуществляется в соответствии с фильтром низких частот первого порядка, который описывается уравнением:

       , (2.3)

       где – постоянная времени фильтра; – выход фильтра; – вход фильтра.

       Так как уравнение (2.3) реализуется в ЭВМ, то его необходимо преобразовать в дискретную форму. Для этого воспользуемся методом интегрирования Эйлера, который означает кусочно-постоянную аппроксимацию интегрируемой функции. В этом случает уравнение (2.3) принимает вид:

              , (2.4)

где – интервал дискретизации.

       Алгоритм (2.4) осуществляет сглаживание высокочастотных  шумов входных сигналов. Высокочастотными являются шумы, полоса пропускания которых выше значения . При этом для различных датчиков постоянные времени могут быть различными.

       4 Проверка на выход за технологические границы означает проверку выхода сигналов датчиков за минимально и максимально допустимые значения. Данная проверка осуществляется в соответствие с выражением

              , (2.5)

              . (2.6)

       Если  выражения (2.5), (2.6) не выполняются, то осуществляется выдача соответствующей сигнализации о выходе в недопустимые эксплуатационные режимы.

       5 Конец алгоритма 
 

       2.3 Алгоритм оценивания скорости  по показаниям положений 
 

       Оценивание  скоростей изменения положений  осуществляется в соответствии с  алгоритмами, представленными в [31, 32].

       В соответствие с работами [31, 32] алгоритм оценивания скорости определяется выражением

               (2.7)

       где – переменные состояния наблюдателей производных, ; , – входные сигналы наблюдателей; – параметры, определяемые требованиями к быстродействию и качеству подавления шумов.

       Известно, что в линейных системах увеличение быстродействия приводит к усилению шумов. В этой связи, коэффициенты усиления наблюдателя определяются выражениями [31, 32]:

               (2.8)

       где – положительные постоянные параметры; – положительно определенные функции; – входная величина блока наблюдателя; – положительный постоянный параметр; – положительный постоянный параметр; – первая переменная блока наблюдателя.