خودروها چگونه هوشمند مي شوند؟

با افزايش تعداد خودروها و به تبع آن افزايش تصادفات و نيز تمايل مشتريان به استفاده از سامانه هاي پيشرفته تر و راحت تر و اين که عصر حاضر عصر اطلاعات نام گذاري شده و نيز با توجه به گسترش استفاده از رايانه ها در بيشتر امور، استفاده از سامانه هاي مکاترونيکي نيز به عنوان نمونه اي از اين امر در حال گسترش است. صنعت خودرو، به عنوان صنعتي پررونق و پرمشتري، زمينه بسيار مناسبي را براي استفاده از سامانه هاي مکاترونيکي فراهم مي کند، تا هم رضايت مشتري فراهم شده و هم امنيت و آسايش بيشتري براي سرنشينان ايجاد شود. در اين مقاله به کاربردهاي مکاترونيک در خودروها مي پردازيم.

مکاترونيک چيست؟
 

واژه مکاترونيک اولين مرتبه در دهه 1970 ‏توسط شرکت "ياساکاوا الکتريک "به کار برده شد و منظور از آن سامانه اي است که تلفيقي از سامانه هاي مکانيکي، الکترونيکي و رايانه اي باشد.
‏در ديدگاه علم مکاترونيک، خودرو به عنوان سامان هاي که سهم بخش مکانيکي در آن زياد است مورد توجه قرار مي گيرد و هدف مکاترونيک اين است که تا جايي که امکان دارد از سهم بخش مکانيکي کاسته و آن را بر عهده بخش هاي الکترونيکي و رايانه اي بگذارد و البته در بين دو بخش الکترونيک و رايانه نيز همين حالت وجود دارد که سعي بر اين است که در اينجا نيز سهم قسمت هاي الکترونيکي کم شده و بخش هاي رايانه اي سهم بيشتري را در کار کرد سامانه دارا باشد. براي درک اين مفهوم مي توان شکل صفحه 64 ‏را مورد توجه قرار داد.

‏فلسفه اين امر که از سهم بخش مکانيکي کاسته شده و به سهم قسمت هاي الکترونيکي و رايانه اي اضافه مي شود اين است که انعطاف پذيري سامانه افزايش يافته و سامانه بتواند با موقعيت ها و شرايط گوناگون خود را سازگار کند و ديگر اين که اين قابليت را دارا شود که بتوان حافظه، هوشمندي و قابليت تصميم گيري را بر آن افزود.
‏سير تکامل مکاترونيک را مي توان در خودرو مشاهده کرد. تا دهه 1960 ‏تنها سامانه الکترونيکي که روي خودروها نصب مي شد، راديو بود و تمام عمليات ديگر در خودرو با روش هاي کاملا مکانيکي يا الکتريکي انجام مي گرفت. مانند استاتر يا سامانه شارژ باتري. در مدل هاي قديمي خودروها هيچ گونه سامانه ايمني هوشمندي وجود نداشت و تنها سامانه ايمني به کار رفته سپر خودرو بود که در زمان تصادف از سرنشينان محافظت مي کرد. کمربند ايمني در اوايل دهه 1960 ‏به بازار عرضه شد که ميزان ايمني سرنشينان را تا حدي افزايش مي داد که سامانه عملکرد آنها نيز کاملا مکانيکي بود. تمام بخش هاي خودرو نيز توسط راننده و از طريق سامانه هاي کاملا مکانيکي کنترل مي شدند. به عنوان نمونه، قبل از ظهور حسگرها و ميکروکنترلرها يک سامانه مکانيکي براي توزيع الکتريسيته براي جرقه زدن در زمان معيني که مخلوط بنزين و هوا در سيلندرها در حالت کاملا فشرده قرار داشت، استفاده مي شد (سامانه مکانيکي دلکو و چکش برق) که زمان بندي احتراق متغير کنترلي مدنظر بود. اين فرايند مکانيکي که کنترل زمان بندي احتراق را برعهده داشت، از لحاظ ميزان سوخت مصرفي بهينه نبود. مدل کردن فرايند احتراق در موتور خودرو نشان داد که براي افزايش بازدهي موتور و کاهش ميزان سوخت مصرفي، زماني بهينه وجود دارد که بايد در آن زمان عمل جرقه زدن انجام گيرد. اين زمان بندي به عواملي نظير بار (وزن خودرو)، سرعت و ديگر کميت هاي قابل اندازه گيري وابسته است.
سامانه جرقه زدن الکترونيکي يکي از اولين سامانه هاي مکاترونيکي خودروها ست که در اواخر دهه 1970 ‏به بازار معرفي شد. سامانه جرقه زن الکترونيکي از يک حسگر تشخيص موقعيت ميل لنگ، حسگر تشخيص وضعيت ميل بادامک، حسگر تشخيص ميزان جريان هواي ورودي، حسگر تشخيص وضعيت دريچه کنترل سوخت و ميکروکنترلري که زمان ايجاد جرقه را تعيين مي کند، تشکيل شده است.
سامانه ترمز ABS ‏را مي توان نوعي سامانه مکاترونيکي در نظر گرفت که امروزه روي خودروها نصب مي شود. استفاده از سامانه هاي مکاترونيکي در خودرو هاي بيشتر جنبه ايمني دارد که به چند نمونه از آن در اينجا اشاره مي کنيم:
1- سامانه جلوگيري از خوابيدن راننده در حال رانندگي: اين سامانه مجهز به يک دوربين و يک سامانه پردازش تصوير براي تحت نظر داشتن چشم هاي راننده است. وقتي که راننده به خواب رود و چشم هايش بسته شود، اين سامانه شروع به هشدار دادن کرده تا راننده را بيدار کند و به طور همزمان ترمزها را به کار انداخته تا سرعت خودرو کاهش يابد و از بروز خطر جلوگيري مي کند.
2- سامانه تشخيص موانع در اطراف خودرو در حال حرکت: يک رادار در خودرو نصب مي شود که فاصله خودرو تا موانع و خودرو هاي اطراف را اندازه گيري مي کند و با توجه به سرعت خودرو وقتي فاصله از مانع مقدار معيني کمتر شود خود به خود سرعت را کم کرده و در صورت لزوم خودرو را متوقف مي کند.
3- سامانه هاي تشخيص عيوب خودرو: اين سامانه ها مجهز به حسگرهايي هستند که عوامل گوناگوني را از جمله ميزان روغن موتور، سالم بودن سامانه ترمزها، بسته بودن درب ها در حال حرکت، بسته شدن کمربند ايمني و... بررسي کرده و در صورت لزوم به راننده اخطار مي دهند.

‏4- سامانه ايمني کيسه هوا که در صورت بروز تصادف حسگرهاي مخصوص آن را تشخيص داده و با سرعت زياد آن را باز مي کند تا از آسيب ديدگي راننده و سرنشينان جلوگيري شود.
‏5- سامانه هاي جلوگيري از سرخوردن و چپ شدن خودرو در سرپيچ ها و مسيرهاي لغزنده: پايداري خودرو در شرايط سخت حرکتي، از جمله هنگام حرکت در پيچ يا سطوح لغزنده يکي از مهم ترين ارکان براي حفظ سلامت سرنشينان مي باشد. بسياري از رانندگان درکي از مفاهيم رانندگي نداشته و در شرايط فوق با توجه به چسبندگي کم خودرو به سطح جاده نمي توانند خودرو را کنترل کنند. در هنگام حرکت خودرو در پيچ هاي تيز، خودرو ممکن است دچار کم دور زني يا بيش دورزني شود. در حالت اول خودرو از مسير خود خارج شده و به سمت بيرون پيچ مي رود و در حالت دوم به سمت داخل پيچ حرکت مي کند. در اين حالت سامانه کنترل الکتريکي ESP وظيفه اقدامات اصلاحي را به عهده خواهد داشت. در حالت اول با ترمز کردن چرخ جلو سمت بيرون پيچ و در حالت دوم با ترمز کردن چرخ عقب داخل پيچ باعث افزايش پايداري خودرو مي شود. در اين سامانه حسگر سرعت خودرو، حسگر زاويه غربيلک فرمان، حسگر فشار ترمز و سوئيچ چراخ ترمز اطلاعات را به سامانه کنترل الکترونيکي ازسال مي کنند و اين سامانه نيز با کاهش سرعت خودرو و فعال سازي سامانه ترمز، چرخ مورد نظر را ترمز مي کند. اين سامانه تلفيقي از مکاترونيک و سامانه هيدروليک است. واحد هيدروليک داراي شيرهاي برقي و پمپ هيدروليک است که از واحد کنترل الکتريکي اين سامانه فرمان مي گيرند. واحد کنترل الکترونيکي اين سامانه واحد ترمز ضد قفل را هنگام
ترمزگيري کنترل مي کند.
‏از ديگر کاربردهاي سامانه هاي مکاترونيکي در خودروها مي توان به سامانه هايي که به رانندگي راحت تر کمک مي کند اشاره کرد.
‏از جمله اين سامانه ها مي توان به:
1- سامانه پارک خودکار
2- سامانه اي که به رانندگي در مسيرهاي باريک کمک مي کند
3- سامانه راننده خودکار
‏4- سامانه مخصوص رانندگي در شب يا در هواي مه آلود که ديد کافي براي راننده وجود ندارد. اشاره کرد.
‏سامانه هاي مکاترونيکي ديگري نيز در خودروها وجود دارد که معروف به سامانه هاي رانندگي با سيم (Drive by wire) هستند. منظور از سامانه رانندگي با سيم اين است که بخش هاي مکانيکي که در خودرو نقش انتقال نيرو يا حرکت را بر عهده دارند با قسمت هاي الکترونيکي و مکاترونيکي جايگزين شوند. به طور مثال مي توان به سامانه فرمان خودرو اشاره کرد که به محور چرخ هاي جلو متصل بوده و جهت حرکت خودرو را تعيين مي کند. در سامانه کاملا مکانيکي غريبک با ميل فرمان به محور چرخ هاي جلو متصل است، اما در سامانه مکاترونيکي ميل فرمان حذف شده و به جاي آن حسگرهايي در غربيلک نصب شده اند که ميزان چرخش آن را به راست يا چپ را حس مي کنند و سپس از طريق سيم اين اطلاعات به ميکروکنترلر ارسال شده و ميکروکنترلر به محرک هاي الکتريکي که در محل محور چرخ ها نصب شده اند فرمان مي دهد که به اندازه زاويه مشخصي که متناسب با ميزان چرخش غربيلک توسط راننده است، محور چرخ ها را به راست يا چپ حرکت دهند. نظير اين سامانه را مي توان براي ترمز يا ديگر بخش هاي خودرو نيز به کار برد.

معايب سامانه هاي مکاترونيکي
 

‏سامانه هاي مکاترونيکي با همه مزايايي که دارند داراي اين عيب نيز هستند که معمولا قابليت اطمينان در آنها پايين است و اين امر در موارداي که عدم کارايي اين سامانه ها منجر به خسارت جبران ناپذيري شود، مانند زماني که جان انسان ها در ميان باشد بسيار اهميت مي يابد. به طور مثال در سامانه Drive by wire که در بالا مطرح شد اگر بر حسب اتفاق، زماني فرمان مکاترونيکي از کار بيفتند ممکن است خسارت جبران ناپذيري به وجود آيد. در حالي که قابليت اطمينان در سامانه هاي مکانيکي به نسبت از سامانه هاي مکاترونيکي بالاتر است. اين مسئله از اينجا ناشي مي شود که بنا به تعريف قابليت اطمينان همواره عددي کوچک تر از يک است و قابليت اطمينان براي يک سامانه برابر حاصلضرب قابليت اطمينان تک تک زير سامانه هاست و معمولا سامانه هاي مکاترونيکي به نسبت سامانه هاي مکانيکي از اجزا و زير سامانه هاي بيشتري تشکيل شده اند و اين باعث مي شود که قابليت اطمينان کل سامانه کاهش يابد. به طور مثال دو سامانه را در نظر بگيريد که يکي از 4 ‏زير سامانه و ديگري از 3 ‏زير سامانه تشکيل شده باشند و در حالتي خوش بينانه فرض مي کنيم که قابليت اطمينان براي زير سامانه هاي هر دو سامانه برابر 95% ‏باشد و به محاسبه قابليت اطمينان دو سامانه مي پردازيم:
For System 1:
0.95*0.95*0.95*0.95*=0.81
For System 2:
0.95*0.95*0.95*0.95*0.95=0.77
‏براي رفع اين مشکل و جلوگيري از پيشامد خسارات احتمالي در موارد مهمي مانند خودرو که جان انسان ها در ميان است، معمولا يک سامانه مکانيکي به طور موازي با سامانه مکاترونيکي بسته مي شود که اگر زماني سامانه مکاترونيکي از کار افتاد سامانه مکانيکي جايگزين سريعا وارد عمل شود و از بروز خسارت جلوگيري کند.
‏بايد گفت که يک خودرو با تعداد 30 ‏تا 60 ‏عدد ميکروکنترلر، بيش از 100عدد موتور الکتريکي، نزديک به تعداد بسيار زيادي از حسگرها و سيم بندي و هزاران خط کد نرم افزاري را به سختي مي توان يک سامانه مکانيکي صرف دانست.
منبع: دانشمند ش 572