Автомобильные навигационные системы

Автомобильная навигационная система (АНС) предназначена: для выполнения функций навигации, штурманского сопровожде­ния, а также мобильного поиска объекта, присутствующего в базе данных программы. Система основывается на технологии GPS и возможностях современных компьютеров. GPS (Global Positioning Systems, кодовое название - NAVSTAR) - Система Глобального Позиционирования (позиционирование - метод определения коор­динат объекта в трехмерном пространстве с использованием спут­никовых систем) - является спутниковой и работает под управле­нием Министерства Обороны США. Система является глобальной, всепогодной и обеспечивает возможность получения точных коор­динат и времени 24 часа в сутки. Система глобального позициони­рования создавалась в 1978 г. для военных ведомств, у которых всегда была необходимость в точном, простом и быстром опреде­лении своих координат. Подобная система была создана и для оте­чественных вооруженных сил под названием ГЛОНАСС.

Система Глобального Позиционирования имеет две составляю­щие части - космическую и наземную.

Космическая часть системы состоит из двадцати четырех ис­кусственных спутников, которые делают оборот вокруг Земли за 12 часов на высоте около 17 ООО км. На каждой из шести орбит распо­ложены четыре спутника. Эта спутниковая группировка предназна­чена для генерации опорных радиосигналов (кодов), воспринимае­мых GPS-приемниками. Орбиты равномерно распределены над Землей и наклонены на 55 градусов относительно экватора. Способ радиообмена между спутниками и GPS-приемником состоит в том, что все спутники вещают одновременно на одной и той же частоте. Для того чтобы GPS-приемник мог определить, от какого спутника исходит данная информация, бортовые передатчики посылают в составе своего сигнала стандартный идентификационный код, ко­торый сравнивается с кодами, находящимися в памяти приемника. Чтобы определить координаты на плоскости (широту и долготу) достаточно сигналов от трех спутников, а для определения высоты (или глубины) которая, вычисляется с большей погрешностью, чем координаты на земной поверхности, необходим одновременный прием сигналов от четырех спутников. Очевидно, что чем больше спутников приемник имеет возможность опросить и чем больше разнесены эти спутники на небесной полусфере, тем более точны­ми будут его показания. Из любой точки планеты одновременно можно принимать до 12 сигналов от разных спутников. Такой под­ход не только упрощает схему GPS-приемника, но и, несмотря на малый уровень радиосигналов, позволяет использовать в них мало­габаритные приемные антенны.

Наземной частью системы являются приемники. GPS-приемники предназначены для определения координат своего местоположе­ния на планете: широта, долгота и высота, и обладают практически одинаковой точностью позиционирования - плюс-минус десять метров. Координаты вычисляются для места на поверхности Земли по измерениям расстояний от группы спутников (если их положение в космосе известно). Эта точность определяется спутниковым сиг­налом и условиями «видимости» спутников. Расстояние до спутни­ков определяется по измерениям времени прохождения радиосиг­нала от космического аппарата до приемника, умноженным на ско­рость света. Для того чтобы определить время распространения сигнала, необходимо знать, когда он покинул спутник. Для этого на спутнике и в приемнике одновременно генерируется одинаковый Псевдослучайный Код. Каждый спутник передает два радиосигна­ла: на частоте £.7 = 1575,42 МГц и L2 = 1227,60 МГц. Сигнал L1 имеет два дальномерных кода с псевдослучайным шумом: «точ­ный» может быть зашифрован для военных целей, «грубый» код не зашифрован. Большинство гражданских пользователей используют «грубый» код при работе с навигационной системой. Приемник про­веряет входящий сигнал со спутника и определяет когда он генери­ровал такой же код. Полученная разница, умноженная на скорость света, дает искомое расстояние. Использование кода позволяет приемнику определить временную задержку в любое время.

Структурная схема автомобильной навигационной системы представлена на рис. 5.26.

К основным востребованным возможностям АНС можно отне­сти следующее:

- отслеживание местонахождения автомобиля на фоне карты, которая может быть представлена в различных масштабах;

- голосовое сопровождение движения по маршруту с озвучивани­ем названия дорог, улиц и площадей по ходу движения автомобиля;

- формирование оптимального маршрута по различным крите­риям (время в пути, расстояние, тип дороги);

- возможность режима ручной прокладки маршрута без оптими­зации;

- появления визуальной команды перед маневром автомобиля в виде картинки на экране;

- в случае отклонения от заданного маршрута, система должна выдавать предупреждение и автоматически производить перерас­чет маршрута;

- запись протокола движения автомобиля и его воспроизведение;

- осуществление подсчета пройденного по маршруту пути;

- поиск объектов в картографической базе данных по их адресу или названию на всей карте или на заданном расстоянии от теку­щего положения автомобиля.

Существуют различные варианты автомобильных навигационных систем. Одни представляют собой устройство, которое монтируется в автомобиле в удобном для водителя месте, другие интегрированы с автомобильными магнитолами.

Рис. 5.26. Структурная схема автомобильной навигационной системы

 

Иногда навигаторы встраивают в автомобиль в ходе VIP-тюнинга, а некоторые модели выходят с завода с установленными GPS- приемниками. Сами системы отличаются размером экрана, управле­нием, возможностью подгружать карты новых регионов и некоторыми другими параметрами.

Все большую популярность получают АНС на базе карманных и планшетных компьютеров. На такой компьютер устанавливается программное обеспечение, подключается GPS-приемник. В компь­ютер можно загружать карты и видеть на них положение приемника, двигаться по проложенному маршруту с голосовыми подсказками и т. п. Преимущество карманного компьютера - это его маленький размер и вес, а планшетный компьютер очень удобен благодаря большим размерам экрана, и при этом система имеет все возмож­ности персонального компьютера.

 

ПАНЕЛИ ПРИБОРОВ

Водитель получает информацию о режиме движения и техниче­ском состоянии автомобиля с помощью контрольно-измерительных приборов и индикаторов, размещенных на панели приборов.

Панель приборов современного легкового автомобиля содержит от 3...6 стрелочных приборов и 5-7 световых индикаторов, разме­щение которых основывается на следующих принципах:

- группировка в центре панели средств отображения информа­ции, связанных с безопасностью дорожного движения;

- размещение приборов и индикаторов тем ближе к центру па­нели, чем выше частота обращения к ним водителя;

- группировка в единые блоки функционально связанных прибо­ров и индикаторов.

В качестве примера рассмотрим конструкцию панели приборов автомобиля ВАЗ-2108 (рис. 5.27). В центральной зоне панели рас­положен спидометр 13 с одометром и счетчиком суточного пробега.

В правой части сгруппированы контрольно-измерительные при­боры: указатель температуры охлаждающей жидкости 9, вольтметр 10, эконометр 12 и указатель уровня топлива 11.

Рис. 5.27. Панель приборов автомобиля ВАЗ-2108: Л

1 - контрольная лампа уровня тормозной жидкости; 2 - то же давления ^f

масла; 3 - табло STOP; 4- контрольная лампа указателей поворота;

5- то же наружного освещения; б - то же заднего противотуманного фо­наря; 7- то же дальнего света фар; 8 - то же обогрева заднего стекла; 9- указатель температуры охлаждающей жидкости; 10 - вольтметр; 7 7- указатель уровня топлива; 12 -эконометр; 13 -спидометр; 14 -контроль­ная лампа стояночного тормоза; 75-то же разряда аккумуляторной бата­реи; 16 -то же воздушной заслонки карбюратора; 77-контрольная лампа аварийной сигнализации

 

Левая зона занята индикаторами, сигнализирующими о включении наружного освеще­ния 5, заднего противотуманного фонаря 6, дальнего света фар 7, указателей поворота 4, обогрева заднего стекла 8, аварийной сиг­нализации 77, разряда аккумуляторной батареи 75 и вытянутой ру­коятки воздушной заслонки 16. В центре зоны индикаторов распо­ложено табло STOP 3, которое загорается совместно с соответст­вующим индикатором в следующих случаях:

- недостаточное давление в системе смазки двигателя (индикатор 2);

- уровень тормозной жидкости в бачке ниже «Min» (индикатор 7);

- поднят рычаг стояночного тормоза (индикатор 14).

Развитие и внедрение в автомобилестроение электроники дало

возможность конструкторам и дизайнерам создать электронную па­нель приборов, в которой вместо привычных электромеханических приборов устанавливаются электронные информационные устрой­ства и индикаторы. Электронные индикаторы, кроме функций, вы­полняемых электромеханическими приборами, способны предос­тавлять водителю информацию в цифровой, графической и текствой формах. С помощью электронных устройств возможны синтез человеческой речи, индикация показателей, для определения кото­рых требуются сложные вычисления, анализ целесообразности передачи информации водителю.

Электромеханические приборы, как правило, предназначены для отображения только одного параметра, так как при использова­нии нескольких шкал ухудшается возможность считывания с них показаний. Кроме того, они имеют значительные габаритные раз­меры, что делает сложным их размещение на панели приборов. Электронные индикаторы при меньших размерах могут информи­ровать о значениях не одного, а нескольких параметров, переда­вать разнообразные сообщения и поэтому позволяют резко увели­чить информативность панели при тех же габаритах.

Необходимо также отметить, что электронные информационные устройства предоставляют водителю более достоверные данные. Это связано как с повышением точности приборов, так и с цифро­вым представлением информации.

Использование электронных индикаторов открывает широкие возможности для художественного конструирования панели прибо­ров с учетом требований эргономики и инженерной психологии, так как позволяет варьировать цветом, формой и яркостью свечения индикаторов. Например, электронная панель приборов, разработан­ная для автомобиля ВАЗ-2109 (рис. 5.28), предназначена для изме­рения, контроля и отображения информации о скорости движения автомобиля, частоте вращения коленчатого вала двигателя, общем пробеге, уровне топлива в баке, температуре охлаждающей жидко­сти, а также для выдачи аварийных и предупредительных сигналов.

Информация в систему поступает от следующих датчиков, вы­ключателей и устройств автомобиля:

I - датчика уровня и резерва топлива;

2- датчика температуры охлаждающей жидкости;

3- датчика аварийного давления масла;

4 - датчика уровня тормозной жидкости;

5 - датчика уровня масла;

6- датчика уровня охлаждающей жидкости;

7- датчика уровня омывающей жидкости;

8 - датчика износа тормозных накладок;

9- датчика скорости автомобиля;

10- прерывателя указателей поворотов;

11 - реле контроля исправности ламп;

12 - реле пристегнутости ремней безопасности

 

 

Панель приборов включает в себя плату вакуум­но-люминесцентных индикаторов (ВЛИ), плату аварийных и преду­предительных сигнализаторов на светоизлучающих диодах (СИД), а также электромеханический счетчик полного пробега и ламповые индикаторы включения дальнего света, габаритных огней, сигналов поворота и холодного пуска двигателя.

Четыре вакуумно-люминесцентных индикатора зеленого цвета свечения отображают информацию о скорости движения автомо­биля, частоте вращения коленчатого вала двигателя, уровне топ­лива и температуре охлаждающей жидкости.

На индикаторе спидометра отображается информация о скоро­сти движения от 0 до 199 км/ч (либо миль/ч в зависимости от поло-жения переключателя английских/метрических единиц).

На индикаторе тахометра отображается информация о частоте вращения коленчатого вала двигателя в дискретно-аналоговой форме. Шкала тахометра содержит 30 сегментов: один сегмент - 0...500 мин^-1, четыре сегмента - 500...1000 мин^-1 с шагом 100 мин^-1 и 25 сегментов - 1000...7000 мин^-1 с шагом 250 мин^-1.

Информация об уровне топлива и температуре охлаждающей жидкости отображается в дискретно-аналоговой форме. Шкалы со­держат по девять сегментов. Для индикатора уровня топлива ниж­ний сегмент индицирует нулевой уровень, а остальные восемь сег­ментов имеют массу 1/8 объема бака. Для индикатора же темпера­туры охлаждающей жидкости нижний сегмент индицирует темпера­туру менее 60°С, а остальные восемь сегментов имеют массу по 10°С каждый.

Двенадцать сигнализаторов БСК выполнены на светоизлучающих диодах красного и оранжевого цветов свечения (см. подраздел 5.3).

Сигнализирующие лампы включаются путем подачи на соответст­вующий вход устройства напряжения бортовой сети автомобиля. Сиг­нализатор пуска холодного двигателя загорается, когда датчик пуска холодного двигателя подключает его вход к корпусу автомобиля.

В блок цифровой и аналоговой обработки информации входят электронные схемы формирователей информации, защиты и фильтрации (см. рис. 5.28), а также три специализированные большие интегральные схемы (БИС): БИС спидометра, БИС тахо­метра и БИС анализаторов информации.

Схема анализаторов информации представляет собой двухканаль­ный аналого-цифровой преобразователь и предназначена для преоб­разования аналоговых сигналов от датчиков температуры охлаждаю­щей жидкости и уровня топлива в цифровой код. Значения аналоговых сигналов могут изменяться в диапазоне +2,7 В... +4,4 В. Схемы спидо­метра и тахометра формируют сигналы, пропорциональные соот­ветственно скорости движения автомобиля и частоте вращения коленчатого вала двигателя.

Блок обработки информации включает в себя и входной форми­рователь сигнала для электромеханического одометра, выполнен­ный на таймере одометра и формирующий необходимую длитель­ность сигнала одометра (0,1 с).

Для обеспечения оптимальной видимости отображаемой ин­формации в блоке обработки информации предусмотрена схема регулировки яркости. С включением габаритных огней индикаторы панели приборов автоматически переходят на пониженную яркость свечения. Кроме того, имеется регулировка яркости свечения инди­каторов для условий повышенной и пониженной освещенности, учитывающая индивидуальные возможности водителя.

Однако широкое применение электронных информационных устройств и индикаторов ограничивается рядом причин. Прежде всего большинство электронных индикаторов не только дороже электромеханических приборов, но и обладают меньшей надежно­стью, устойчивостью к ударам, вибрациям, температурным воздей­ствиям, имеют недостаточную долговечность. Для обеспечения ра­боты индикаторов некоторых типов требуется дополнительный ис­точник высокого напряжения и т. д. Несмотря на указанные недос­татки, электронные информационные устройства и индикаторы на­ходят все большее применение и являются неотемлемой частью современного автомобиля.

Одним из электронных устройств, нашедших достаточно широ­кое применение на автомобиле, является бортовой компьютер, предназначенный для оказания всесторонней помощи водителю при пользовании автомобилем. Рассмотрим принцип построения и возможности бортового компьютера. Он состоит из универсального блока и блока управления (рис. 5.29), подключенных к системе элек­трооборудования автомобиля. В универсальный блок поступают сиг­налы, характеризующие работу системы регулирования подачи топ­лива, скорость движения автомобиля, уровень топлива в баке, тем­пературу окружающей среды, напряжение аккумуляторной батареи, включение подсветки панели приборов. Универсальный блок управ­ляет работой предупреждающего звукового сигнала, блокировкой зажигания, а при необходимости - дополнительного обогрева.

Связь с компьютером водитель поддерживает с помощью блока управления. Этот блок принимает команды водителя и передает их в универсальный блок, а также осуществляет индикацию результатов работы компьютера на соответствующем элементе поля индикаторов.

С помощью бортового компьютера водитель может получать следующую информацию: средняя скорость движения; средний и мгновенный расход топлива; время суток; температура окружающей среды; расстояние до интересующего пункта; предполагаемое время прибытия; расстояние, которое может проехать автомобиль с имею­щимся в наличии запасом топлива. С помощью звукового сигнала бортовой компьютер предупреждает водителя о превышении мак­симальной скорости и о понижении температуры окружающей сре­ды ниже 3°С и опасности гололеда.

Рис. 5.29. Структурная схема бортового компьютера

 

Бортовой компьютер может также выполнять функции противо­угонного устройства. Водитель выбирает код, состоящий из четырех цифр; если же перед пуском двигателя набрать неправильную комбинацию цифр, двигатель не заведется и будет включен звуко­вой сигнал.

Примером построения электронных панелей приборов может послужить панель приборов экспериментального автомобиля «Мерседес-Бенц Ауто 2000» (рис. 5.30). На панель приборов этого автомобиля выводится максимально возможное количество информации, отражающей безопасность, экономичность, эксплуатационные характеристики и параметры вождения автомобиля без перегрузки и утомления водителя. На приборной панели постоянно представляется информация о скорости движения, количестве топлива в баке, времени, пройденном пути и режиме движения. Остальные 25 параметров появляются на индикаторах по требованию водителя (при нажатии соответствующей клавиши на рулевом колесе) или в автоматическом режиме.

Панель приборов включает три зоны: постоянной информации (центральную); информации о состоянии автомобиля (левую); внешней информации (правую). В зоне постоянной информации расположены спидометр, указатель уровня топлива в баке, часы, одометр и индикатор режима движения. Верхний индикатор зоны состояний автомобиля выполняет функции БСК.. При достижении одним из параметров, контролируемых БСК, критического значения на индикаторе автоматически появляется соответствующий сигнал, который исчезает только после устранения неисправности. Нижний левый индикатор представляет показания контрольных приборов, а также результаты расчета запаса хода, расхода и интервалов обслуживания.

Интервалы обслуживания рассчитываются с учетом пробега автомобиля, расхода топлива, износа тормозных накладок, засоренности воздушных фильтров. Правый верхний индикатор зоны внешней информации является указателем маршрута, в память которого заложена карта-атлас автомобильных дорог Германии. Информация индикатора оказывает помощь водителю в ориентировке и выборе оптимального маршрута. К внешней информации относятся также показания приборов, которым отведено место в правом нижнем углу панели.

Автоматизированный

контроль

• Уровень тормозной жидкости

• Толщина тормозных накладок

• Антиолокировочная система

• Гидропривод тормозов

• Г идроподвеска

• Засоренность воздушного фильтра

• Уровень масла

• Давление масла

• Температура двигателя

• Уровень охлаждающей жидкости

• Контроль заряда

• Контроль исправности ламп сигнальной

аппаратуры

• Уровень омывающей жидкости

• Стояночный тормоз

• Ремень безопасности

• Замки дверей

 

 

Вопросы для самоконтроля

 

1. Какие конструкции контрольно-измерительных приборов применяются на автомобиле?

2. Какими преимуществами обладают логометрические контрольно-измерительные приборы?

3. По какому принципу размещаются контрольно-измерительные приборы и сигнализаторы на панели приборов автомобиля?

4. С какой целью на автомобиле применяется бортовая система контроля?

5. Какие диагностические параметры можно проверять с помощью системы встроенной диагностики?

6. Какую информацию получает водитель с помощью бортового компьютера?

7. Каковы перспективы развития автомобильных информационных систем?

8. Как устроены автомобильные навигационные системы?