Stabilizace řízení automobilu

Elektronické stabilizační systémy výrazně přispívají díky zvýšení jízdní stability k bezpečnosti v automobilové dopravě. Informace o jejich přesné funkci jsou dostupné jen omezeně a veřejnost zná pouze jejich nejzákladnější principy. Student Martin Ptáček z Gymnázia kpt. Jaroše v Brně získal za model stabilizace řízení vozidla v letošní soutěži vědeckých a technických projektů středoškolské mládeže Expo Science Amavet první cenu. Současně získal právo reprezentovat ČR na světové soutěži středoškoláků I‑SWEEEP 2015 v USA. O své práci nám napsal článek.

Cílem mého projektu bylo zjistit, zda je možné za použití středoškolských znalostí informatiky, fyziky a matematiky vyvinout stabilizační systém automobilu. Dalším cílem mé práce bylo ověřit principy funkce zmíněných systémů na modelu automobilu, který bylo nutné pro tyto účely výrazně upravit.

Účel stabilizačních systémů

Stabilizačních systémů je mnoho, základní myšlenku však mají stejnou. Pomocí senzorů musí sledovat aktuální stav vozidla, neustále ho analyzovat a rozhodovat, zda je třeba automaticky zasáhnout do ovládání. Mezi základní patří systém ABS (Anti‑lock Braking System), ASR (Anti‑Skid Regulation) a ESP (Electronic Stability Program). ABS je systém, díky němuž se intenzivně brzděná kola nezablokují a neztrácí tedy možnost bočního vedení. ASR pracuje na podobném principu, ovšem v opačném směru tak, že omezuje prokluz hnaných kol. ESP běžně zahrnuje předešlé systémy a přidává stabilizaci v zatáčkách, která brzděním vhodných kol reguluje přetáčivý/nedotáčivý smyk vozidla.

Jako základ modelové platformy jsem použil modelářský podvozek měřítka 1/10. 

Nejprve základní úpravy

První úpravou byla instalace nezávislých brzd, které jsem navrhl a podle vlastního návrhu sestrojil. Jde o mechanické kotoučové brzdy ovládané modelářskými servomotory (obr. 1).

Další nezbytností jsou otáčkoměry jednotlivých kol. Kvůli konstrukci modelu bylo nutné použít optické závory. V kotouči jsem rovnoměrně rozmístil pět otvorů. Při rotaci se určuje časová prodleva mezi dvěma sousedními otvory, a tedy i rychlost otáčení kotouče. Tyto otáčkoměry jsou v základu velmi nepřesné, což způsobují šumy na přechodech kotouč‑díra (obr. 2). Tento nedostatek jsem odstranil softwarovou filtrací.

Jako řídicí jednotku jsem použil mikrokontrolér Arduino DUE, který spojuje všechny informační i řídicí systémy platformy.

Následoval vývoj stabilizačních systémů

Po těchto úpravách a vytvoření základního řídicího softwaru jsem mohl začít vyvíjet vlastní stabilizační systémy. Realizace se dočkal systém ASR, který omezuje prokluz hnaných kol. V základu porovnává rychlosti otáčení kol hnaných motorem a nehnaných kol. Pokud se při akceleraci začnou hnaná kola otáčet výrazně rychleji, dojde k automatickému omezení momentu motoru (obr. 3).

Při práci na tomto projektu jsem si uvědomil, kolik složitých systémů je zabudováno v dnes běžném automobilu. Tím spíš mě těší, že se mi podařilo některé z těchto systémů ve zjednodušené verzi vyvinout a na modelové platformě úspěšně odzkoušet. Za další přínos považuji pochopení a vysvětlení funkce stabilizačních systémů.

V dalším vývoji své práce předpokládám zabudování systémů jako protiblokovací systém ABS a Elektronický stabilizační program ESP. V současné době probíhají práce na systému online sběru jízdních dat z modelu do počítače pomocí bezdrátových modulů xBee.

Videa

http://www.youtube.com/watch?v=LwRelytOVzI
http://goo.gl/74HaQO