Автомобильная электроника: от ламповых приемников до искусственного интеллекта

До 1950-х гг. в автомобилях все было механическим. Использование электроники на борту транспортного средства было невозможным: полупроводники тогда только разрабатывались, а ламповые системы практически не применялись, поскольку требовали питания не меньше 100 В, которое в автомобиле отсутствовало.

Когда в некоторых машинах премиум-класса появились ламповые приемники, для их питания использовался преобразователь напряжения с 12 на 150 В. Но применялся он только в движении, так как его потребление было более 50 Вт и на стоянках быстро разряжался аккумулятор.

После начала массового внедрения транзисторов потребление радиоприемников значительно снизилось, и они стали работать от бортовой сети автомобиля. На дорогих машинах начал использоваться мобильный радиотелефон. В частности, в СССР на правительственных машинах применялся радиотелефон системы "Алтай". Он работал в диапазоне 330 Мгц и обеспечивал связь в 114 городах страны.

Постепенно электроника начала применяться и в управлении двигателем. Чтобы понять этот процесс, вкратце рассмотрим устройство двигателя внутреннего сгорания.

Как работает двигатель внутреннего сгорания

Крутящий момент двигателя внутреннего сгорания (ДВС) снимается с коленчатого вала. Вращают этот вал закрепленные на нем поршни, которые находятся в специальных цилиндрах.

Поршни попеременно двигаются от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ) и обратно. Расстояние между верхом цилиндра и ВМТ называется камерой сгорания (КС). В верхней части цилиндра находятся два клапана:

1. впускной клапан – соединен с впускным коллектором, через него в цилиндр подается бензовоздушная смесь;
2. выпускной клапан – соединен с выпускным коллектором, через него удаляются отработанные газы.

Режим работы двигателя представлен в табл. 1.

Таблица 1. Режим работы двигателя

В начале цикла открывается впускной клапан, и горючая смесь попадает в КС. В цилиндр вставлена свеча, которая подает искру в КС в момент окончания сжатия, когда давление в ней достигает наибольшего значения, происходит загорание смеси, и образующиеся при этом газы давят на поршень. Он двигается вниз, проворачивая коленчатый вал. В следующем цикле открывается выпускной клапан, поршень идет вверх, выдавливая остаточные газы. Открытие и закрытие клапанов определяется вращением распределительного вала.

Последовательность подачи искры определяет трамблер, который, вращаясь, последовательно прерывает цепь питания катушек зажигания.
При этом на вторичной обмотке катушки появляется высокое напряжение, которое подается на свечи, вызывая появление искры в цилиндрах.

За подачу бензино-воздушной смеси отвечает карбюратор, который в зависимости от нагрузки двигателя меняет ее состав. Идеальное соотношение воздуха и бензина, поступающего в ДВС, – 14,7 к 1. Это компромисс между мощностью мотора и расходом топлива. Поскольку горение есть химическая реакция между кислородом и бензином, то кислорода должно быть столько, чтобы топливо полностью сгорало. Соотношение больше 14,7 к 1 называется бедной смесью, а меньше 14,7 к 1 – богатой. Например, при запуске холодного двигателя подается богатая смесь, когда автомобиль достигает постоянной скорости – обедненная, а при ускорении в КС вспрыскивается дополнительная порция топлива.

Важен момент подачи искры в КС. Дело в том, что смесь не сгорает мгновенно, поэтому воспламенение должно произойти еще до того, как поршень достигнет ВМТ. Если оно произойдет рано, когда давление к КС не достигнет оптимального значения, горение будет вялым и мощность двигателя упадет, а если поздно, то горение проходит при высокой температуре, что ведет к перегреву двигателя. Этот процесс определяется углом опережения зажигания (УОЗ).

Неправильная работа ДВС вызывает еще и экологическую проблему: если все хорошо, то в выхлопе машины должны быть пары воды Н2О и безвредный углекислый газ СО2. Если работа ДВС нарушена, то в выхлопе будут присутствовать угарный газ СО и оксиды азота NO. Все это крайне ядовитые газы. Например, поскольку на холостых оборотах ДВС работает на переобогащенной смеси, автомобиль выделяет СО, и стоянка в закрытом помещении приводит к сильному отравлению и даже смерти водителя.

Для исключения всего вышесказанного автопроизводителями ведется постоянная работа над совершенствованием параметров ДВС.

Первые электронные устройства управления двигателем

Поскольку механические системы контроля подачи топлива и регулировки времени подачи искры в КС не могли обеспечить оптимальное качество воздушной смеси, с развитием полупроводниковой элементной базы в автомобилестроении начали применяться электронные устройства управления двигателем. Карбюратор был заменен системой форсунок, которые вспрыскивали топливо во впускной коллектор, а позже и непосредственно в КС. Форсунки управлялись электронной схемой.

В первых системах количество бензина, подаваемое во впускной коллектор, зависело от подаваемого воздуха, который определялся положением потенциометра дроссельной заслонки (положение дроссельной заслонки мы меняем, нажимая на педаль газа). Позже в системе появилась обратная связь, состоящая из различных датчиков, контролирующих разные параметры работы двигателя, – датчиков скорости вращения ведущего вала, давления, температуры, кислорода и др. Анализируя показания этих устройств, электронный блок управления (ЭБУ) оптимизирует подачу бензина в двигатель.

Система зажигания

В системе зажигания тоже произошли большие изменения. Вместо трамблера была применена бесконтактная система зажигания. В ней прерывателем питания на катушки зажигания является мощный транзистор, который управляется ЭБУ в зависимости от показания датчиков на двигателе. Изменились и сами катушки. Теперь они работают отдельно на две или четыре свечи. В некоторых моделях автомобилей катушки зажигания установлены непосредственно на свечах, без использования высоковольтных проводов.
Все это дало возможность обеспечить стабильную работу ДВС, увеличить его мощность и экологичность.

Таблица 2. Развитие системы АВС

Тормозная система

Применение электроники позволило усовершенствовать и тормозную систему автомобиля. В нее была встроена антиблокировочная система (АВС). Ее назначение – устранить блокировку колес при торможении. Автомобилистам известно, что если на скорости резко нажать педаль тормоза, то вращение колес останавливается, машина теряет управляемость (уходит на юз). Поскольку после нажатия педали автомобиль еще проходит некоторое расстояние (тормозной путь), то неизвестно, где окажется неуправляемая машина в конце этого пути – хорошо, если не на встречной полосе.

Первые системы АВС начали применяться в начале 1970-х гг. и назывались АВС-1. Но так как они были построены на дискретных элементах (около 1000 в электронном блоке управления), система была ненадежной и массового применения не получила.

Принцип работы АВС заключается в том, что ЭБУ системы анализирует показания датчиков скорости движения автомобиля и угловой скорости вращения колес. При уменьшении скорости вращения колеса при торможении ниже критического предела ЭБУ посылает импульс на клапан, уменьшающий давление в тормозном цилиндре, а когда скорость колес увеличивается до определенного значения, ЭБУ снова активирует систему торможения. Это происходит, пока скорость автомобиля не станет равной 0. Таким образом, при торможении машина продолжает управляться и уменьшается тормозной путь.

Управление другими функциями

Бортовой компьютер управляет работой кондиционера, противоугонной системы, подогрева сидений и другими сервисными функциями.
Вместе с тем постоянно контролируется работа двигателя и других систем автомобиля, и в случае неисправности компьютер рекомендует водителю заехать в сервис.

Программное обеспечение и облачные сервисы

Увеличение функций портативных устройств в области телематики вынуждает разработчиков программного обеспечения электронных устройств автомобиля адаптировать софт к основным операционным системам мобильных устройств – iOS, Android, Windows Phone.

Самыми распространенными приложениями для гаджетов считаются Google Maps, Here, Sygic, Waze, TomTom. Наиболее известные программы-навигаторы в мире – это Navitel Navigator, ПРОГОРОД, Яндекс.Навигатор, 2ГИС, Sygic, СитиГИД. В зависимости от программы пользователь может пользоваться 3Д-картами, информацией о конкретных объектах, функцией дополненной реальности, получать сообщения о загруженности дорог, управлять устройством голосом.

Данные с автомобиля и автомобильных устройств передаются по каналам 3G/4G/WiFi/V2I в защищенный облачный сервис. Используя любое мобильное устройство (на iOS или Android), автомобилист может подключаться к облаку и пользоваться:

• телематическими услугами и сервисами – удаленной диагностикой автомобиля, статистикой расходов на ремонт, расхода топлива и т.д.;
• навигационными и геолокационными сервисами – информацией о маршрутах движения, местах парковок, заправок, данными о препятствиях на пути следования и т.д.;
• информационно-развлекательными сервисами – потоковым аудио и видео, радиоканалами и бесплатным мессенджером;
• данными в облаке – записями с видеорегистратора, аудио- и видеофайлами.

Искусственный интеллект для безопасности и комфорта

Технология искусственного интеллекта, используемая в современных автомобилях, превращает их в самостоятельно мыслящие механизмы.

Они способны получать и обрабатывать информацию о движении других автомобилей рядом, распознавать сигналы светофоров, проводить диагностику систем автомобиля в режиме реального времени, реагировать на препятствия. Искусственный интеллект также заботится о комфорте водителей: регулирует положение и обогрев зеркал и кресел, поддерживает комфортную температуру в салоне и даже следит за состоянием здоровья.

Функции искусственного интеллекта являются важным условиям в конкурентной борьбе между производителями автомобилей. Возможность пользоваться ими уже заложена в прошивку ЭВМ ТС. Производитель предлагает пользователю пакеты услуг, из которых тот выбирает нужные ему.

Интеграция устройств, обеспечивающих доступ к привычным информационно-коммуникационным каналам в автомобиле, стала для автопроизводителей конкурентным преимуществом, которое повышает уровень удовлетворенности и лояльности клиентов, а также дополнительным источником выручки. Автопроизводители предлагают автомобили с подключенными телематическими сервисами, активировать которые пользователи могут через приложение на смартфоне, если сами того захотят.

Ядром системы чаще всего является система экстренного вызова и помощь водителю в случае ДТП или поломки на дороге. Пакетные предложения включают в себя такие функции, как удаленное управление автомобилем, информационно-навигационные, развлекательные и коммуникационные сервисы. Чаще всего автопроизводители предлагают бесплатное использование функций при покупке автомобиля на определенное время, чтобы пользователь обучился им и привык. А наличие предустановленной СИМ-карты дает возможность быстрой активации всех необходимых сервисов и управления ими при помощи приложения в смартфоне.

Крупнейшие российские автопроизводители и ИТ-компании следуют общемировым тенденциям в русле концепций подключенного и – в перспективе – беспилотного автомобиля. Примерами могут служить создание телематической системы LADA Connect для управления многими функциями автомобиля и информационно-развлекательной платформы Яндекс.Авто, испытание беспилотных автомобилей на дорогах общего пользования и другие проекты. Более подробно о развитии информационных технологий на транспорте поговорим в следующей статье.

Опубликовано в журнале "Системы безопасности" №1/2022

Все статьи журнала "Системы безопасности"
доступны для скачивания в iMag >>