Politechnika Wrocławska
W y d z i a Å‚ M e c h a n i c z n y
W y d z i a Å‚ M e c h a n i c z n y
Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji
Kierunek studiów: Mechatronika
Mechatronika
Studia I-stopnia, rok I, sem. 2, rok akad. 2008/09
Materiały do wykładu  Wstęp do mechatroniki
Wstęp do mechatroniki
Przykłady systemów mechatronicznych: urządzenia
codziennego u\
ytku i samochody
Dr in\
. Zbigniew Smalec (p. 3.19 B-4)
Część 6 (1  49)
Wrocław, 2009
1. Automat do kart przejazdu
1. Automat do kart przejazdu
Wybór
Wrzucenie Wydanie
Wyświetlenie
karty pieniędzy karty/ reszty
ceny
2. Bankomat
2. Bankomat
Wydanie
WÅ‚o\
enie
Sprawdzenie Wprowa- Sprawdze- Wybór Sprawdzenie
karty/ pie-
karty EC nie PIN kwoty limitu dziennego
karty dzenie PIN
niędzy
3. Kamera cyfrowa
3. Kamera cyfrowa
Autofocus/
ZapamiÄ™-
Wybór Sondowa- Kompry-
Pozycjonowa- Naciśnięcie
automatyka
tanie
motywu nie obrazu mowanie
nie celownika wyzwalacza
oświetlenia
4. Pralka automatyczna
4. Pralka automatyczna
Wybór
WÅ‚o\
enie Napełnienie Automatyczny przebieg programu prania
programu
prania proszkiem wstępnego, pranie, płukanie, wirowanie, itd. ...
5. Kserograf
5. Kserograf
WÅ‚o\
enie Wybór opcji Naciśnięcie Sondowanie Korekcja oświetlenia/ Powiększenie/
oryginału kopiowania na start
oryginału kontrastu zmniejszenie
Przeniesienie obrazu Przeniesienie Wyprowadzenie
Utrwalanie
na walec tonera obrazu na papier kopii
6. Automat do gier
6. Automat do gier
Ewentualne
Naciśnię-
Zatrzymanie
WÅ‚o\
enie Uruchomie- Obrót 3
wyprowadzenie
cie stopu
walców
pieniędzy nie gry walców
wygranej
Przebiegi funkcyjne ró\
nych urządzeń codziennego u\
ytku
1
Jednym z powszechnie znanych urządzeń, na
przykładzie którego mo\
na bardzo wyraz
nie pokazać
rozwój od mechanicznego do mechatronicznego
wyrobu, jest aparat fotograficzny (lustrzanka).
Przed 30-40 laty aparat fotograficzny był
urzÄ…dzeniem czystej mechaniki precyzyjnej z optykÄ…,
o ograniczonych mo\
liwościach. Obecnie, oprócz
Sensory dla: Akuatory dla:
soczewek w mechanicznej obudowie, w aparacie sÄ… - autofocus a, - autofocus a,
- oświetlenia obiektu, - otwarcia przysłony,
zawarte prawie wyłącznie składniki mechatroniczne
- czułości filmu. - przesuwania filmu.
pochodzÄ…ce z techniki sterowania i regulacji,
Oprogramowanie m.in. do:
elektroniki cyfrowej i oprogramowania, które dzięki
- integracji funkcji dodatkowych,
ich ścisłemu współdziałaniu mogą realizować
- zapamiętywania nastaw,
znacznie bardziej zło\
one funkcje. Sensory słu\
Ä… do
- przetwarzania sygnałów z sensorów.
określania ostrości, oświetlenia obiektu i czułości
filmu. Sygnały z tych sensorów są przeliczane za
pomocÄ… oprogramowania sterujÄ…cego zawartego w
zintegrowanym mikroprocesorze, które umo\
liwia
ponadto zapamiętanie zdefiniowanych przez
u\
ytkownika nastaw i integracjÄ™ funkcji
dodatkowych. Wyniki tych obliczeń są następnie
przetwarzane przez aktuatory, najczęściej silniki
elektryczne i elektromagnesy, w ustawienie
przysłony i migawki, ostrości i automatyczne
przesuwanie filmu.
Aparat fotograficzny (lustrzanka) jako przykład
systemu mechatronicznego
Celownik
Obudowa
obiektywu
Zwierciadło, które obraca
się do góry, gdy
wykonywane jest zdjęcie
Film
Bateria
Migawka
Przysłona
Silnik
Przesunięcie klatki filmu, sterowanie
powrotem zwierciadła
Silnik
Przycisk migawki z
dwoma poło\
eniami
Element nastawiania migawki
Główny
Silnik
mikro-
kontroler Element nastawiania migawki
Test baterii
Silnik prądu stałego o kształcie
Dalmierz
Å‚ukowym
Napęd
Silnik ultradz
więkowy pozycji Interfejs I/O
Mikro-
Czujnik
obiektywu
kontroler
Dajnik
obiektywu
Driver LCD
Sterowanie napędem
przysłony
Czujnik sterowania lampÄ…
błyskową
PrzyporzÄ…dkowana
Silnik krokowy przysłony
lampa błyskowa
Zewnętrzny
Wyświetlacz
wyświetlacz
celownika
Budowa lustrzanki cyfrowej
2
C1 Obliczana jest wartość Å›rednia C z pomiaru C1 ÷ C4.
÷
÷
÷
C2
Program:
Je\
eli B jest równe A i C minus B jest mniejsze od 0,
B A
to wtedy oświetlenie jest nastawiane na wartość A
Je\
eli B jest równe A i C minus B jest równe 0,
C3
C4
to wtedy oświetlenie jest nastawiane na wartość C.
Czujnik światła lustrzanki
Te informacje są następnie przetwarzane przez mikrokontroler w odpowiednie wartości szybkości zamykania
migawki oraz wartość ustawienia przysłony. Je\
eli aparat pracuje z wybraną wcześniej przez fotografa
szybkością zamykania migawki, to wówczas podawana jest tylko wartość dla przysłony. W podobny sposób
przy wybranej wcześniej przysłonie obliczana jest szybkość zamykania migawki.
Motyw
Dalmierz ma dwa liniowe 48-bitowe pola z
fotodetektorami. Światło z motywu pada przez
obiektyw kamery na to pole. Je\
eli obraz jest
nastawiony ostro, to odległość między obrazami i
Obiektyw
polem detektora ma określoną wartość. Odległość ta
aparatu
odbiega od tego, je\
eli obraz nie jest ostro
nastawiony. Rozmiar tego odchylenia jest
wykorzystywany do wyprowadzenia sygnału błędu,
który jest dostarczany do mikrokontrolera obiektywu i
słu\
y do wyprowadzenia wielkości wyjściowej do
PÅ‚aszczyzna filmu
ustawienia ostrości obiektywu. Do sprzę\
enia
zwrotnego tej nastawy jest wykorzystywany sensor, Ostry obraz
dzięki czemu mikrokontroler  wie , kiedy ostrość
została dobrze ustawiona.
Fotosensory
Pomiar oświetlenia i odległości w lustrzance cyfrowej
Napęd silnika
WÅ‚Ä…cznik Przesuw
układu filmu
Silnik
Naciśnięcie przycisku,
gdy ma być wykonane
Aktuator do
zdjęcie
otwarcia
Magnes
Test baterii
migawki
Aktuator do
Magnes
zamknięcia
WÅ‚Ä…czenie
migawki
Dalmierz Sterowanie
interfejsu
Napęd pozycji
mikroproce-
obiektywu
sorowe
Silnik
Światłomierz
Napęd przysłony
Silnik
Silnik
krokowy
Dajnik dla
pozycji
obiektywu
Wyświetlacz
danych
Program sterownika mikroprocesorowego aparatu składa się z poszczególnych kroków, w których
realizowane są określone rozstrzygnięcia logiczne (na sygnałach binarnych 0/1). W zale\
ności
od stanu sygnałów wejściowych wyprowadzane są stany sygnałów wyjściowych.
Schemat automatycznego aparatu fotograficznego
3
Aparat fotograficzny
Aparat fotograficzny
w1 w2 v1 v2 w3
t2 p3
p1
Ustawienie
spoczynkowe
p0 t1 Skupianie (Focus)
t4
p5
p2 t3 p4
Pomiar oświetlenia
t5
Sterowanie
Wstępne naciśnięcie
Wstępne naciśnięcie
Pełne naciśnięcie
Pełne naciśnięcie
wyzwalacza
wyzwalacza
wyzwalacza
wyzwalacza
Sterowanie automatycznym aparatem fotograficznym
Odkurzacz samoczynnie sonduje
pomieszczenie, nawiguje pomiędzy
wszystkimi meblami, czujniki ultradz
więkowe
rozpoznajÄ… ka\
dÄ… przeszkodÄ™, a on je Å‚atwo
omija.
Kable i krawędzie dywanów nie stanowią
trudności, poniewa\
ka\
de z kół mo\
e siÄ™
pojedynczo zatrzymywać. Zintegrowany układ
tłumienia łagodzi uderzenia.
Odkurzacz zatrzymuje siÄ™ przed schodami
dzięki dodatkowo umieszczonej opasce
magnetycznej na pierwszym stopniu.
Do automatycznego Å‚adowania sam doje\
d\
a
do stacji ładującej. Następnie, je\
eli jest to
konieczne, kontynuuje odkurzanie i wyłącza
się automatycznie po zakończeniu.
W peÅ‚ni automatyczny odkurzacz Trilobite® firmy Electrolux
4
Wielkości wejściowe
Wielkości wejściowe
Dajnik
taktu
Elementy Wielkości
Elementy Wielkości
Program
Proces
wykonawcze Proces wyjściowe
wykonawcze wyjściowe
Poziom wody
Pompa
Sterownik
Sterownik
Temperatura
Zawór
wody
Bęben pralki
Bęben pralki
automatycznej Prędkość
automatycznej
Grzałka
obrotowa bębna
Silnik
Drzwi
zamknięte
SprzÄ™\
enie zwrotne wielkości wyjściowych: poziomu wody,
temperatury wody, prędkości obrotowej bębna i zamkniętych drzwi
Pralka automatyczna z programatorem
elektromechanicznym
Mikrosterownik (mikrokontroler)
Mikrosterownik (mikrokontroler)
Czujnik temperatury
ADC
ADC
Wejście wartości zadanej
Timer
prędkości obrotowej
Wyświetlacz
Port B
Sygnał z modulacją szerokości
impulsów do regulacji prędkości
PWM
obrotowej
A
Ä…cznik drzwi: gdy drzwi sÄ…
Przerwanie
otwarte, to program jest
CPU
przerywany
Czujnik poziomu wody
ROM
Zawór wody gorącej
Zawór wody zimnej
Regulacja pompy wody
Port C
Port C
Blokada drzwi
Sumator
Klawiatura
Kierunek obrotów silnika
Regulator grzania
Często stosowanym w pralkach sterownikiem jest mikrokontroler Motorola M68HC11. Sygnały wejściowe
temperatury wody i prędkości obrotowej są wprowadzane przez przetwornik analogowo-cyfrowy ADC. Port A
dostarcza sygnałów wyjściowych do ró\
nych aktuatorów oraz przyjmuje sygnał wejściowy o poziomie wody. Port
B wyprowadza sygnały do wyświetlacza. Natomiast port C wyprowadza sygnały wyjściowe do wyświetlacza oraz
przyjmuje sygnały wejściowe z klawiatury, za pomocą których określane są ró\
ne programy.
Pralka automatyczna ze sterowaniem mikrokomputerowym
5
EEPROM
Zastosowanie sensorów w artykułach (sprzęcie) gospodarstwa domowego
Wyszczególnienie Wielkości mierzone
Zmywarka Poziom wody s, T
Pralka automatyczna Poziom wody Ciśnienie p1, twardość wody, wilgotność,
ciÄ™\
ar wsadu F, zabrudzenie wody
Odkurzacz
Kuchenka mikrofalowa Wilgotność, masa (cię\
ar) F wsadu
wło\
onego do podgrzania
Waga osobowa, kuchenna F
Piece, maszyny do kawy, suszarki T, F, s
Zastosowanie sensorów w technice ogrzewania, klimatyzacji i ochronie budynków
Wyszczególnienie Wielkości mierzone
Pomiar ilości ciepła z zewnętrznego grzania f, delta T
Kontrola instalacji grzewczej Ciąg delta p, spaliny - T, zawartość CO2
Pompa ciepła, kolektor słoneczny T, f
Czujnik obecności gazu (gazy palne, CO) Koncentracja (selektywnie)
Czujka dymu
Ochrona przed włamaniem Ruch
Zastosowanie sensorów w artykułach gospodarstwa
domowego oraz w technice ogrzewania i klimatyzacji
Ewolucję mechatroniczną dobrze ilustruje przykład rozwoju konstrukcji samochodu. Do lat 60. XX
w. jedynym urządzeniem elektronicznym w samochodzie było radio, a wszystkie inne funkcje były
realizowane całkowicie mechanicznie lub elektrycznie (np. rozrusznik i układ ładowania
akumulatora). Poza zderzakami i elementami konstrukcji nadwozia nie było tak\
e \
adnych
 inteligentnych systemów bezpieczeństwa do ochrony pasa\
erów podczas wypadku. Pasy przy
siedzeniach, wprowadzone na początku lat 60. XX w., miały na celu poprawienie bezpieczeństwa
pasa\
era i działały całkowicie mechanicznie. Wszystkie systemy silnika były sterowane przez
kierowcę i/lub inne mechaniczne układy sterowania. Do sterowania zapłonem u\
ywany był
rozdzielacz mechaniczny, a sterowaną zmienną była chwila zapłonu. Mechanicznie sterowany
proces zapłonu nie był optymalny z punktu widzenia sprawności spalania i zu\
ycia paliwa.
Modelowanie procesu spalania pokazało, \
e dla uzyskania wzrostu sprawności spalania i
zmniejszenia zu\
ycia paliwa konieczna jest optymalna chwila (początek) zapłonu. Ta chwila zale\
y
od obciÄ…\
enia silnika, jego szybkości (prędkości obrotowej) i innych mierzalnych wielkości. Dlatego
te\
elektroniczny układ zapłonowy był jednym z pierwszych systemów mechatronicznych, które
zostały wprowadzone do samochodów pod koniec lat 70. XX w. Układ ten składa się z sensora
poło\
enia wału korbowego, sensora pozycji wałka krzywkowego, sensora przepływu powietrza,
sensora pozycji przepustnicy, sensora zmiany pozycji przepustnicy oraz specjalistycznego
mikrokontrolera, określającego chwilę zapłonu. Pierwsze wdro\
enia elektronicznego zapłonu
zawierały tylko sensor Hall a do dokładnego wykrywania pozycji wałka rozdzielacza. Natomiast
kolejne wdro\
enia całkowicie wyeliminowały rozdzielacz i bezpośrednio sterowały zapłonem za
pomocÄ… mikroprocesora.
System przeciwdziałający blokowaniu kół podczas hamowania (ABS) został równie\
wprowadzony
pod koniec lat 70. XX w. System ABS wykrywa zablokowanie jednego z kół i poprzez modulowanie
ciśnienia hydraulicznego w układzie hamulcowym, powoduje zminimalizowanie lub wyeliminowanie
poślizgu koła i dzięki temu utrzymanie przyczepności niezbędnej do skręcania samochodem.
Rozwój konstrukcji samochodu jako
systemu mechatronicznego
6
W połowie lat 90. XX w. został wprowadzony system sterowania trakcją (niem. ASR, ang. TCS).
W systemie ASR po wykryciu poślizgu kół napędzanych podczas przyspieszania następuje
modulacja mocy doprowadzanej do  buksującego koła. Takie działanie powoduje, \
e pojazd
przyspiesza z maksymalnym przyspieszeniem mo\
liwym dla określonych warunków podło\
a i
pojazdu (nacisk koła na podło\
e). Natomiast sterowanie dynamikÄ… pojazdu (niem. ESP, ang.
VDC) wprowadzono pod koniec lat 90. XX w. ESP działa podobnie do ASR z dodaniem sensora
tempa obrotu samochodu dokoła osi pionowej i sensora przyspieszenia poprzecznego. Zamiary
kierowcy określane są przez pozycję koła kierownicy i porównanie tej pozycji z rzeczywistym
kierunkiem ruchu samochodu. Następnie system ESP uruchamia sterowanie dostarczaniem
momentu napędowego do kół, sterowanie prędkością pojazdu i minimalizuje ró\
nicę między
kierunkiem skrętu kierownicy i kierunkiem ruchu pojazdu. W niektórych przypadkach do uzyskania
po\
ądanego sterowania (zmniejszania prędkości samochodu) jest równocześnie u\
ywany ABS.
W obecnie produkowanych samochodach do implementacji ró\
nych systemów sterowania stosuje
siÄ™ 8-, 16- lub 32-bitowe jednostki centralne CPU (ang. Central Procesor Unit). Mikrokontroler ma
na płytce pamięć (EEPROM/EPROM), wejścia analogowe i cyfrowe, przetworniki analogowo-
cyfrowe, modulację szerokości impulsu (PWM), funkcje timer a, takie jak zliczanie zdarzeń i
pomiar szerokości impulsu, priorytetowane wejścia, a czasami tak\
e przetwarzanie sygnałów
cyfrowych. I tak 32-bitowego procesora u\
ywa siÄ™ do zarzÄ…dzania silnikiem, sterowania skrzyniÄ…
biegów i poduszkami bezpieczeństwa; 16-bitowego procesora w ABS, ASR i VDC, tablicy
przyrządów i klimatyzacji; a 8-bitowego do sterowania siedzeniami, lusterkami i szybami. Obecnie
w samochodzie wy\
szej klasy jest od 30 do 60 mikrokontrolerów. Oczekuje się, \
e dalszy rozwój
będzie następował w kierunku modularnego systemu z podsystemami mechatronicznymi typu
 plug-and-play . Mechatronika stała się zatem koniecznością dla zró\
nicowania produktu jakim
jest samochód, a poniewa\
podstawy silnika spalinowego opracowano ju\
ponad sto lat temu, to
ró\
nice w konstrukcji silnika przestały być czynnikiem ró\
nicujÄ…cym samochody.
Systemy mechatroniczne w samochodach
W latach 70. XX w. japońscy producenci samochodów opanowali rynek samochodowy USA przez
oferowanie małych samochodów o wysokiej jakości i niskim zu\
yciu paliwa. Jakość pojazdu była
czynnikiem ró\
nicującym produkt przez lata 80. Natomiast w latach 90. XX w. konsumenci zaczęli
wymagać jakości i niezawodności od wszystkich wytwórców samochodów. Obecnie w tym
tradycyjnie mechanicznym systemie czynnikiem ró\
nicującym samochody stały się cechy
mechatroniczne. Ten proces ró\
nicowania jest przyspieszany przez coraz tańszą elektronikę,
wzrost zapotrzebowania rynku na innowacyjne produkty o cechach  inteligentnych i przez dÄ…\
enie
do redukcji kosztów wytwarzania istniejących produktów przez przeprojektowanie wbudowanych
elementów mechatronicznych. Przy niewielkim wzroście produkcji (2-3%) wytwórcy samochodów
poszukają cech  high-tech , które będą odró\
niać ich samochody od innych. I tak np. rynek
elektroniki motoryzacyjnej w Ameryce Północnej pod koniec lat 90. XX w. wynosił ok. 20 mld
dolarów, a w 2004 r. osiągnął wartość 28 mld dolarów. Nowe zastosowania systemów
mechatronicznych w świecie samochodowym to samochody półautonomiczne i w pełni
autonomiczne, poszerzenie bezpieczeństwa, redukcja emisji spalin,  inteligentne sterowanie
prędkością na trasie i eliminujący hydraulikę elektromechaniczny system hamowania (ang. brake by
wire). Inne obszary rozwojowe to mechatroniczne podejście do projektowania w bezprzewodowym
połączeniu samochodów z siecią stacji i w komunikacji pojazd-pojazd. Największym potencjalnym
obszarem rozwojowym wydaje się być telematyka, która łączy razem magnetofon, telefon
komórkowy, nawigację, połączenie z internetem, e-mail i rozpoznawanie głosu. Oczekuje się, \
e na
początku XXI w. zastosowanie elektroniki w samochodach będzie wzrastać o 6% rocznie, a
funkcjonalność elektroniki w tym czasie podwoi się. Technologią umo\
liwiającą tani rozwój sensorów
i aktuatorów dla zastosowań mechatronicznych jest mikroelektromechanika (MEMS). Ju\
obecnie w
samochodach jest wiele urządzeń MEMS. Są to sensory i aktuatory poduszek bezpieczeństwa, czy
sensory do mierzenia ciśnienia w kolektorze ssącym. Integrowanie na tym samym chipie
silikonowym urządzeń MEMS z obwodami CMOS do kondycjonowania sygnału jest kolejnym
przykładem nowej technologii, która polepszy produkt mechatroniczny jakim jest samochód.
Systemy mechatroniczne w samochodach
7
W ostatnim okresie zastosowanie w samochodach znajduje radar. Jego fale o milimetrowej
długości wykrywają w czasie rzeczywistym poło\
enie obiektu (innych pojazdów) w otoczeniu,
odległość do przeszkody i jej prędkość. Technika ta oferuje mo\
liwość sterowania odległością
między pojazdem a przeszkodą (inny pojazd) przez zintegrowanie sensora z systemem
sterowania prędkością na trasie i z ABS. System ABS i system sterowania prędkością są
wzajemnie powiązane w celu osiągnięcia tych nowych mo\
liwości. Jednym z logicznych
rozszerzeń zdolności do omijania przeszkód jest kierowanie półautonomiczne przy małej
prędkości, kiedy to pojazd utrzymuje stałą odległość od pojazdu przed nim jadącym podczas
jazdy w korku ulicznym.
Przewiduje siÄ™, \
e w perspektywie 20 lat rozwój mechatroniki doprowadzi do pojazdów w pełni
autonomicznych. Obecnie wiele ośrodków prowadzi badania nad rozwojem samochodu
półautonomicznego z reaktywnym planowaniem toru jazdy przez uaktualnianie modelu ruchu za
pomocÄ… GPS i automatyzacjÄ… procesu zatrzymywanie/ ruszanie. Proponowana sensoryka i
system sterowania dla takiego pojazdu zawierają zró\
nicowane systemy pozycjonowania
globalnego (DGPS), przetwarzanie obrazu w czasie rzeczywistym i dynamiczne planowanie toru
jazdy.
Innym ciekawym przykładem ewolucji mechatronicznej mo\
e być rozwój konstrukcji hamulca
samochodowego. Skuteczne urządzenia hamulcowe od początków rozwoju konstrukcji
samochodu osobowego w 1885 r. nale\
Ä… do najwa\
niejszych urządzeń bezpieczeństwa w
samochodzie. Muszą być one odporne na uszkodzenia i być w stanie stabilnie zatrzymać
pojazd na najkrótszej drodze we wszystkich warunkach jazdy. Hamulec samochodowy mo\
e
być dobrym przykładem historii sukcesu rozwoju systemu od czysto mechanicznego do
mechatronicznego. Niezmieniona pozostała przy tym podstawowa zasada działania 
przetworzenie energii ruchu w ciepło przez tarcie między dwoma ciałami.
Systemy mechatroniczne w samochodach
W samochodzie z 1885 r. hamulec taśmowy z przekładnią pasową był uruchamiany ręcznie za
pomocÄ… dz
wigni. Kolejne etapy rozwoju hamulca polegały wyłącznie na poprawieniu mechaniki lub
hydrauliki i były motywowane wzrostem mocy, bezpieczeństwa i niezawodności. Granica czysto
mechanicznie realizowanych systemów hamulcowych została osiągnięta wtedy, gdy konstruktorzy
zaczęli wymagać bardziej zło\
onych zadań regulacyjnych oraz większego przetwarzania informacji.
Wprowadzenie funkcji zapobiegającej blokowaniu kół podczas hamowania (ABS) w 1978 r. było
mo\
liwe przez uzupełnienie funkcji mechanicznych funkcjami elektronicznymi: elektroniczne
sensory, przetwarzanie informacji (mikroprocesor) oraz elektronicznie uruchamiane hydrauliczne
zawory przełączające, które jako urządzenia wykonawcze (aktuatory), sterują ciśnieniem
hamowania. Dopiero dzięki integracji sensorów, sterownika i aktuatorów zapewniona została
całkowita funkcjonalność ABS. Kolejną innowacją w 2001 r. było rozdzielenie połączenia
hydraulicznego między pedałem hamulca a hamulcami kół w hamulcu elektrohydraulicznym. Znane
do tej pory naciskanie pedału hamulca zastąpiono jednostką uruchamiającą, zło\
onÄ… z czujnika
poło\
enia (wciśnięcia) pedału i sensorów do rejestracji \
yczenia kierowcy. Sygnały tej jednostki i
innych sensorów są przenoszone na drodze elektrycznej (ang. by wire) do regulatora w sterowniku.
W jądrze hamulca elektrohydraulicznego interdyscyplinarne przestrzenne współdziałanie budowy
maszyn, elektrotechniki i techniki informacyjnej pokazuje swoje największe zalety. Mikrokomputer,
oprogramowanie, sensory, zawory elektrohydrauliczne i pompa elektryczna pracujÄ… razem i
umo\
liwiają całkowicie nowe, bardzo dynamiczne zarządzanie hamulcem.
Natomiast w hamulcu elektromechanicznym z 2006 r, idzie siÄ™ jeszcze dalej, gdy\
rezygnuje siÄ™ z
cylindra i przewodów hydraulicznych, zastępując je kablami elektrycznymi. Zastosowanie elektroniki
zmniejsza nakłady na obsługę i oznacza rezygnację z neutralizowania płynu hamulcowego.
Sensory pedału hamulca określają, jak silnie kierowca chce zahamować. Sterownik przetwarza
odebrane sygnały i oblicza dla ka\
dego koła siłę, z jaką klocki powinny zostać dociśnięte do tarczy
hamulcowej.
Od hamulca mechanicznego do elektrohydraulicznego
i elektromechanicznego
8
Moduły hamulcowe koła składają się z: sterownika elektrycznego, silnika elektrycznego i przekładni
wytwarzającej siły docisku w gniez
dzie hamulca. Hamulec elektromechaniczny reaguje bardzo
szybko i przez to skraca drogę hamowania. Elektroniczny pedał hamulca, jego wygodne,
ergonomiczne usytuowanie i minimalne siły nacisku umo\
liwiają skrócenie o 0,5 s czasu podczas
uruchomienia hamowania, co skraca drogę hamowania ze 100 km/h o około 20%. Wyłącznie
elektryczne przekazywanie sygnału sprawia, \
e moduł pedału mo\
na przesunąć bli\
ej ściany
podwozia, czego nie mo\
na zrobić w hamulcu hydrauliczno-mechanicznym lub elektrohydraulicznym.
Dzięki temu uzyskuje się więcej miejsca wewnątrz pojazdu i mniejsze ryzyko nara\
enia w przestrzeni
nóg.
Rozwój konstrukcji urządzeń hamulcowych pojazdów w ostatnich 120 latach jest wyrazem przemiany
od systemu mechanicznego do systemu mechatronicznego. Wymagania dotyczące mniejszej zwłoki
lub rosnącej funkcjonalności, bezpieczeństwa, komfortu, ekonomiczności i lepszej zgodności ze
środowiskiem, przy równocześnie coraz krótszych cyklach produkcji, warunkują wysoki stopień
integracji na płaszczyz
nie systemowej i czyniÄ… mechatronikÄ™ coraz bardziej znaczÄ…cym czynnikiem
przyszłych innowacji, szczególnie z punktu widzenia konkurencyjności produktów na rynku.
Przyszłe systemy mechatroniczne w samochodach przewidują m.in. niezaparowującą szybę opartą
na sensorach temperatury i sterowaniu klimatem, samoczynne równoległe parkowanie,
wspomaganie parkowania tyłem, pomoc podczas zmiany pasa jezdni, elektroniczny bezpłynowy
układ hamulcowy (ang. brake-by-wire) oraz zastąpienie systemów hydraulicznych serwosystemami
elektromechanicznymi. Poniewa\
rośnie liczba samochodów, to nieuniknione są tak\
e coraz bardziej
rygorystyczne standardy emisji gazów. Produkty mechatroniczne z du\
ym prawdopodobieństwem
będą przyczyniać się do sprostania wyzwaniom sterowania emisją gazów i sprawnością silnika przez
zapewnianie istotnej redukcji wydzielania CO, NO i HC oraz wzrost sprawności pojazdu. Oczywiście,
\
e samochód z 30-60 mikrokontrolerami, 100 silnikami elektrycznymi, du\
ą liczbą sensorów i
tysiącami linii kodu oprogramowania słusznie uwa\
a siÄ™ za system mechatroniczny.
Hamulec elektromechaniczny i mechatronika
w samochodach
W klasycznej mechanice rozpatrywany jest następujący problem: jaki ruch wykona ciało, je\
eli działa
na nie siła, a jego ruch podlega ograniczeniom? Takie sformułowanie problemu prowadzi do analizy.
W projektowaniu systemów mechatronicznych stawia się odwrotnie sformułowane pytanie, a mianowicie:
jakie siły i momenty muszą działać na ciało, aby wykonało ono określony ruch? Nale\
y przy tym
realizować wydłu\
one przemieszczanie równie\
przy występujących zakłóceniach. Przez odwrócenie
sformułowania pytania występuje problem syntezy. Jego techniczne rozwiązanie wymaga m.in. członów
pomiarowych, regulacyjnych i wykonawczych, tzn. oprócz zespołów mechanicznych muszą wystąpić
sensory, sterowniki (regulatory), człony wykonawcze (aktuatory) oraz przetwarzanie informacji.
Istotna cecha systemów mechatronicznych polega na tym, \
e ich własności w wysokim stopniu są
określone przez elementy niematerialne, tzn. oprogramowanie. Przetwarzanie danych procesu odbywa
siÄ™ przez specjalnie wykonane do pracy w czasie rzeczywistym mikrokontrolery (mikrosterowniki).
Zawierają one niezbędne do tego celu funkcje takie jak pamięć danych, pamięć programu, przetwornik
A/C, porty I/O, zarzÄ…dzanie przerwaniami i w zale\
ności od stopnia rozbudowy mogą realizować zadania
regulacji, nadzorowania i optymalizacji.
W dotychczasowym rozwoju elektroniki samochodowej w jednej centralnej jednostce sterujÄ…cej,
szczególnie ze względu na minimalizację kosztów, były integrowane funkcje elektryczne takie jak
sterowanie światłami, zabezpieczenie przed kradzie\
Ä…, centralne blokowanie drzwi, funkcje zwiÄ…zane z
komfortem. Ponadto występuje wiele aktuatorów i sensorów, które ze względów bezpieczeństwa i
kompatybilności elektromagnetycznej, okablowania muszą być zdalnie sterowane lub oceniane.
Przykładami tego są silniki podnoszenia szyb, silniki chłodzenia, ustawianie reflektorów, czujniki do
zarządzania silnikiem, zamki elektryczne itp. Uaktywnianie tego rodzaju  inteligentnych modułów
sensorów i aktuatorów mo\
e się odbywać za pomocą takich interfejsów sieciowych jak np. CAN lub LIN.
Taka strategia  decentralizacji inteligencji , ze względu na ich modułową budowę, ma szereg zalet takich
jak: ułatwienie naprawy i serwisu, zdolność do diagnostyki i zró\
nicowanie wyposa\
enia. DotychczasowÄ…
przestrzenną koncentrację najczęściej oddzielnych elementów funkcyjnych (sensorów, akuatorów i
sterowników) we wspólnej obudowie mo\
na określić jako pierwszy stopień integracji systemu przez
mechatronikÄ™.
Mechatronika i jej zastosowanie w budowie samochodów
9
" Podnoszenie szyb
" ZarzÄ…dzanie silnikiem
" Centralne blokowanie " Układ wtrysku
" Otwierany dach
drzwi paliwa
" Wentylator chłodzenia
" Pamięć ustawienia " Podgrzewanie zamków
w drzwiach
Napęd
foteli Napęd
" Podgrzewanie Komfort
Komfort
siedzeń " Elektroniczne
sterowanie przekładnią
" Ustawianie lusterek
" Podgrzewanie
" Wentylacja wnętrza
katalizatora
" Podgrzewanie szyb " Elektroniczny zapłon
" Wspomaganie kierowania
(EAPS) " Klimatyzacja
" System zapobiegajÄ…cy
" Airbag
blokowaniu (ABS/ESP ...)
Bezpieczeństwo
Bezpieczeństwo
Układy elektroniczne mają
20 ... 30% udział w
" Sterowanie oświetleniem
kosztach samochodu
Systemy mechatroniczne w samochodach
Generator startu:
równoczesne uruchomienie
Aktywny mechanizm jazdy:
rozrusznika i załączenie świateł,
elektromagnetyczne
wyrównywanie momentu,
tłumienie.
funkcja Boost.
Steer-by-wire
Brake-by-wire
Elektromagnetyczny
rozrzÄ…d:
Elektryczna skrzynia
zastÄ…pienie krzywek
biegów:
wałka rozrządu,
Hybrydowy napęd:
bezstopniowe przeło\
enia.
dowolne czasy
praca silnika
sterowania, Elektryczna pompa
spalinowego w
wodna:
optymalnym punkcie,
20-30% zmniejszenie
chłodzenie uzale\
nione
zu\
ycia paliwa.
wysoki moment
od zapotrzebowania.
obrotowy.
Rosnące zastosowanie systemów mechatronicznych
w samochodach
10
Wszystkie zasadnicze innowacje w budowie samochodów w ostatnich dwudziestu latach
nie byłyby mo\
liwe bez zastosowania elektroniki. Pomimo osiągniętego ju\
wysokiego
stopnia rozwoju nadal konieczne jest zwiększanie bezpieczeństwa i niezawodności
samochodów. Podstawową rolę w samochodach, np. w sterowaniu i regulacji silników,
odgrywa mechatronika.
Realizacja takich systemów bezpieczeństwa jak poduszki powietrzne, ABS i ERP nie jest
mo\
liwa bez zastosowania elektroniki. Dopiero zastosowanie elektronicznych systemów
zarzÄ…dzania umo\
liwiło uzyskanie znaczących innowacji w silnikach wysokoprę\
nych i
zwiÄ…zanÄ… z tym istotnÄ… redukcjÄ™ zu\
ycia paliwa i szkodliwych składników gazów.
Natomiast systemy zapewnienia komfortu, takie jak np. nawigacja GPS lub zarzÄ…dzanie
klimatyzacją, są w swojej funkcjonalności silnie uzale\
nione od elektroniki i
oprogramowania.
Zastosowanie układów półprzewodnikowych w samochodach w ostatnich latach uległo
znacznemu wzrostowi.
W przyszłości przewiduje się, \
e:
90% innowacji w samochodach i ich funkcjonalność będzie związanych z mechatroniką,
w 2010 r. ok. 40% wartości dodanej w samochodach będzie związane z mechatroniką,
ju\
obecnie udział elementów elektronicznych w kosztach wytwarzania samochodów
wynosi od 20 do 30%,
nowe rozwiązania i ulepszenia, takie jak np. systemy X-by-wire będą mo\
liwe dopiero
przez zastosowanie mechatroniki,
Mechatronika w samochodach
Bezpieczeństwo:
Sterowanie silnikiem:
1. Radarowa regulacja/ ostrzeganie odległości,
1. Elektroniczna regulacja silnika Diesla,
2. Ustawianie i czyszczenie reflektorów,
2. Regulacja prędkości biegu jałowego,
3. Reflektory z gazowymi lampami wyładowczymi,
3. Regulacja z sondÄ… Lambda (spalanie),
4. Układ Start-Stop, 4. Kontrola ciśnienia w kołach,
5. Elektroniczne sterowanie przekładnią (skrzynią 5. Układ zapobiegający blokowaniu kół podczas hamowania
biegów), (ABS) / regulacja przeciwpoślizgowa napędu (ASR),
6. Cyfrowa elektronika silnika, układy wtrysku 6. Układ diagnostyczny,
paliwa,
7. Sterowanie spryskiwaczem i wycieraczkami,
7. Sterowanie silnikiem (elektroniczny pedał gazu),
8. Zale\
ne od obciÄ…\
enia (przebiegu) wskazywanie okresów
8. Sieć komunikacyjna CAN (ang. Controller Area przeglądu (serwisu),
Network)  integracja urządzeń sterujących.
9. Układy nadzorowania paliwa i zu\
ywających się części,
10. Układy wyzwalania poduszek powietrznych i napinaczy
pasów,
Komunikacja:
11. Zabezpieczenia przed kradzie\
Ä…,
1. Radio,
12. Systemy sterowania dla przedniej i tylnej osi.
2. Komputer pokładowy,
3. Telefon samochodowy,
Komfort:
4. Systemy informacyjne,
1. Regulacja prędkości jazdy,
5. Nowe technologie wskazywania (wyświetlania),
2. Regulacja ogrzewania/ klimatyzacji,
6. Elektroniczne komunikaty głosowe,
3. Ustawianie siedzeń za pomocą pamięci pozycji,
7. Sterowanie funkcjami za pomocą głosu,
4. Centralna blokada,
8. Kablowy system Multiplex.
5. Regulacja podwozia.
Przykład układów mechatronicznych  samochód osobowy
11
Zapewne najbardziej znanym obiektem (systemem) mechatronicznym jest samochód. Składa się on z
wielu mechatronicznych składników do sterowania silnikiem, komunikacji, bezpieczeństwa i komfortu.
Komunikacja: 1 - 8
Sterowanie silnikiem: 1 - 8
Komfort: 1 - 5
Bezpieczeństwo: 1 -12
Przykład układów mechatronicznych - samochód
JednÄ… z wa\
niejszych dziedzin zastosowania sensorów jest elektronika samochodowa. Obejmuje ona takie
obszary jak: technika napędowa, komunikacja, bezpieczeństwo i komfort.
1. Aplikacje w samochodach osobowych
Wyszczególnienie Wielkości mierzone
Regulator mieszanki paliwa, regulator chwili Regulacja silnika, automatyczna p01, p1, p10, f, s, n, T
zapłonu przekładnia (skrzynia biegów)
Regulator siły hamowania ABS p10, n
Bierne urządzenie bezpieczeństwa ("Crash Sensor") Uaktywnianie poduszek powietrznych b
lub napinaczy pasów bezpieczeństwa
Emisja spalin CO, CO2
Diagnoza silnika (kompresja) p10
Elektroniczne tacho n
Kontrola poziomu Benzyna, olej, woda, płyn hamulcowy p01, S, T
Kontrola funkcjonowania Lampy, sprzęgło, hamulce, akumulator p1, T, s
Komputer jazdy  Ekonometr", "Trip Computer" f, n, s
Ogrzewanie/ klimatyzacja T, f
2. Aplikacje w samochodach ciÄ™\
arowych
Wyszczególnienie Wielkości mierzone
Kontrola opon p1, T
Ciśnienie w pneumatycznym układzie hamulcowym p1
(nadzorowanie)
Załadowanie F, s
Rozkład ładunku
Zastosowanie sensorów w samochodach
12
System umo\
liwiający uczenie układów z
CiÄ™\
ar ciała
czujnikami sił-momentów dla siedzeń
samochodowych.
Dwoma wa\
nymi wielkościami (parametrami) dla
wyzwolenia poduszek powietrznych w
samochodach osobowych (ang. Airbag) sÄ… ciÄ™\
ar
ciała i wielkość chronionego człowieka, z których
wynika poło\
enie środka cię\
kości. Dotychczas
wartości tych wielkości były wprowadzane za
pomocą klawiatury foliowej. Jednak taki sposób
uzyskiwania danych jest niedokładny i niezbyt
odpowiedni do zapewnienia niezawodnego
działania układu sterowania poduszek
powietrznych. Zamiast tego stosowane jest
rozwiÄ…zanie z jednym lub kilkoma czujnikami do
pomiaru sił/momentów, które są zintegrowane w
Temperatura
Czujnik siły/ Czujnik siły/
siedzeniu i umo\
liwia pomiar i ocenÄ™ danych.
momentów 1 momentów 2 Zadaniem czujników jest przy tym uwzględnienie
silnie nieliniowego odkształcania polistyrenu w
Sztuczna sieć nuronowa do  uczenia
siedzisku i nieciągłych przebiegów spienionego
układu wyzwalania poduszek
materiału przy ocenie wartości sił/ momentów.
Ta nieliniowa ocena sygnałów pomiarowych musi być realizowana za pomocą odpowiedniej
adaptacyjnej metody kalibracji. ZaletÄ… takiego uczÄ…cego siÄ™ rozwiÄ…zania jest to, \
e tÄ… metodykÄ™
mo\
na zastosować dla ró\
nych siedzeń. Typowe wzorce danych z czujnika dotyczące cię\
aru i
wielkości ciała ró\
nych osób są trenowane i  uczone . Za pomocą takiej metody mo\
na równie\

rozpoznać i sklasyfikować inne obiekty (np. siodełka dla dzieci).
Poduszki powietrzne w samochodach
Rok
1885 Hamulec taśmowy z przyłączoną tarczą
1905 Hamulec no\
nie uruchamiany, działający na napęd
1906 Rozdzielenie jednoobwodowej instalacji hamulca na dwa
1928 Mechaniczny podciśnieniowy układ hamulcowy na 4 koła
1931 Hamulec hydrauliczny
1932 Pierwszy wzmacniacz siły hamowania
1963 Hydrauliczny dwuobwodowy układ hamulcowy
1978
Wprowadzenie funkcji zapobiegajÄ…cej blokowaniu ABS
Elektroniczny rozdział siły hamowania
1986
Regulacja zapobiegająca poślizgom napędu
1995
Wprowadzenie regulacji dynamiki toru jazdy ESP
1996
Asystent hamowania
2001
Hamulec elektrohydrauliczny (wstęp do Brake-by-wire)
2005
Hamulec elektromechaniczny (Brake-by-wire)
Integracja samochodu z jego otoczeniem
(przeszkody na drodze, inne samochody, układy
oświetlenia)
Historyczny rozwój hamulców samochodowych
13
Mechanicznie
Mechanicznie
Mechatronicznie
Mechatronicznie
Stopień
Stopień
mechatronizacji
mechatronizacji
Hamulec elektromechaniczny
Pedał hamulca i pedał jazdy
Pedał hamulca i jednostka
hydrauliczna
Jednostka sterujÄ…ca hamulca
elektrohydraulicznego
Wzmacniacz siły hamowania
Agregat hydrauliczny ABS
Hamulec taśmowy z dołączonymi tarczami
Czas
Czas
1885 2006
Rozwój od hamulca mechanicznego do mechatronicznego
Elektroniczne sterowanie
silnikiem
Automatyczne
zapobieganie blokowaniu
kół podczas hamowania
(ABS)
Regulacja poślizgów w
napędzie (ASR)
Elektroniczna stabilizacja
toru jazdy (ERP)
Poduszki powietrzne
Napinacze pasów
bezpieczeństwa
Tempomat (regulowany
odległością, ... )
System nawigacyjny
Autopilot
Mechatronika w samochodach
14
Napęd Komfort Aktywne Bierne
bezpieczeństwo bezpieczeństwo
" elektroniczna " elektryczne " układ kierowniczy " poduszki
regulacja silnika ustawianie (hydrauliczny/ powietrzne
siedzeń elektryczny)
" zmienna praca " pasy
zaworów " automatyczna " system regulacji bezpieczeństwa
klimatyzacja zapobiegajÄ…cy
" automatyczna " aktywne pasy
poślizgom
przekładnia " bezkluczykowy bezpieczeństwa
system " program stabilizacji
" blokada " system ochrony
zamykania drzwi toru jazdy
mechanizmu pasa\
erów
ró\
nicowego " pomoc podczas " asystent hamowania
" &
parkowania
" regulowane " elektroniczny
przeło\
enie " autonomiczne hamulec parkowania
(sprzęgło Haldex) parkowanie
" adaptacyjne
" ... " system asystenta tłumienie
kierowcy
" aktywna stabilizacja
" & przechyłów
" adaptacyjne
oświetlenie
" ...
Systemy mechatroniczne w pojazdach - przeglÄ…d
Aby rozwiązanie mechatroniczne mogło być zastosowane w samochodzie musi spełniać następujące wymagania:
zapewniać korzyści wynikające z funkcji wzgl. stopnia działania, hałasu i upakowania,
w porównaniu z istniejącym rozwiązaniem nie mo\
e być cię\
sze,
pracować niezawodnie w warunkach panujących w samochodach  szeroki zakres temperatur, drgania, przyspieszenia,
być przynajmniej tak niezawodne jak istniejące ju\
rozwiÄ…zanie,
spełniać wymagania bezpieczeństwa (ang. Crash),
tanie i zwarte upakowanie części elektronicznych w surowych warunkach działania aktuatorów i sensorów,
być przyjazne w obsłudze i serwisie,
podlegać recyklingowi,
nie wymagać większej objętości ni\
istniejÄ…ce ju\
rozwiÄ…zanie oraz
nie powodować \
adnych dodatkowych lub tylko niewiele wy\
sze koszty.
Przewiduje siÄ™, \
e najwa\
niejszymi zmianami technologicznymi w samochodach będą:
 inteligencja specyficzna dla modułów - sensory Pre-Crash, sensory skręcenia dla kół, system wizyjny w szybach, Steer-by-
Wire, sensoryka dla ochrony pieszych,
układy elektryczne/ elektroniczne jako istotny składnik - ich wartość w 2002 r. stanowiła ok. 22% (przeciętnie 2.250 EUR), a w
2010 r. wzrośnie do 35% (przeciętnie 3.870 EUR),
osieciowanie i rozszerzenie funkcji za pomocą oprogramowania - magistrala, system operacyjny i aplikacje muszą być
połączone w sposób  inteligentny ,
modułowa budowa karoserii - "Quartering the Car ("Mosaik ),
alternatywne koncepcje napędu - ogniwa paliwowe będą stosowane, ale dopiero w 2015 r.,
zastosowanie innowacyjnych materiałów - l\
ejszy o 100 kg samochód powoduje redukcję zu\
ycia paliwa o ok. 0.8 l na 100 km,
zmiana technologii wytwarzania - ciągły rozwój technologii wytwarzania, integracja modułów i funkcji, optymalizacje
wychodzące poza produkcję, ciągle rosnąca dokładność.
Wymagania systemów mechatronicznych i skutki ich
zastosowania w samochodach
15
Sterowanie silnikiem spalinowym (bezpośredni wtrysk paliwa)
UrzÄ…dzenie
sterujÄ…ce
Pompa
wysokociśnieniowa
Zawór sterujący
ciśnieniem
Czujnik ciśnienia
Rozdzielacz paliwa
Zawory wtryskowe
y
ródło: Bosch
Przykład systemu mechatronicznego  samochód
Sterowanie silnikiem spalinowym (bezpośredni wtrysk paliwa)
Pompa
Moduł
Zawór
Pojemnik z węglem
wysokociśnieniowa
pedału
wtrysku
Cewka
aktywnym
gazu
Rozdzielacz paliwa zapłonowa
Zawór
odpowietrza-
Zawór sterujący
Czujnik fazy
Pomiar masy powietrza z jÄ…cy przy
ciśnieniem
czujnikiem temperatury tankowaniu
Sonda
lambda
Czujnik
Czujn.
(LSU)
Czujnik
Urządzenie ciśnienia
temp.
przepustni- podciśnie- Czujnik Kataliz.
nia ssania stuków
cy (EGAS) wstępny
Zawór odpro-
Czujnik
wadzania spalin
Czujnik
temperat.
prędkości
obrotowej
Elektroniczne
Kataliz.
urzÄ…dzenie
NOx
sterujÄ…ce
Moduł
Interfejs diagnostyczny
wspomagania
Sonda
Lampka diagnostyczna
Å‚Ä…cznie z pompÄ…
lambda
(LSF)
Blokada jazdy
CAN
y
ródło: Bosch
Przykład systemu mechatronicznego  samochód
16
Sterowanie silnikiem spalinowym (Common Rail)
Pomiar masy powietrza
UrzÄ…dzenie sterujÄ…ce
Pompa wysokociśnieniowa
Akumulator wysoko-
ciśnieniowy (Rail)
In\
ektory
Czujnik prędkości
obrot. wału korb.
Czujnik temperatury silnika
Filtr paliwa
Czujnik pedału gazu
y
ródło: Bosch
Przykład systemu mechatronicznego  samochód
Regulator Ochrona
Przygotowanie
+12V
napięcia przepięciowa
sygnału
Prędkość samochodu
Sterownik dla
Mikroste-
Temperatura silnika
wtryskiwacza
rownik do
Wtryskiwacze paliwa
paliwa
zarzÄ…dzania
Temperatura otoczenia
silnikiem
Poło\
enie przepustnicy
Pojemność zasysania
Sterownik
cewki Cewka zapłonowa
Masa zasysanego
zapłonowej
powietrza
Czujnik spalania
Sterownik
stukowego
elektro- Zawór zwrotny spalin
Czujnik tlenu
magnesu
Czujnik ciśnienia oleju
Sterownik
Człon nastawiający dla
elektro- prędkości biegu
Czujnik paliwa
jałowego
magnesu
Analogowe wielkości
Sterownik
wejściowe ADC
SPI SCI Magistrala danych
magistrali
Analogowe wielkości
DAC
danych
wyjściowe
System zarzÄ…dzania silnikiem spalinowym
17
Filtr paliwa
Pompa paliwa
Zbiornik paliwa Regulator
ciśnienia
+
Rozdzielacz
Wtryskiwacz
Cewka Åšwieca
Dopływ
zapłonowa zapłonowa
powietrza
Czujnik
tlenu
Czujnik
Sensor do
tempera-
Aktuator dla
pomiaru
tury
prędkości
masy
biegu
przepływu
Przełącznik
jałowego
powietrza
poło\
enia
przepustnicy
Elektroni-
czna
Koło
jednostka
sensora
sterujÄ…ca
Czujnik prędkości
obrotowej
System zarzÄ…dzania silnikiem spalinowym
Struktura agregatu hydraulicznego systemu stabilizacji toru jazdy ESP
Obudowa pompy
Zawory elektromagnetyczne
Cewki elektro-
magnesów
Silnik pompy
Elementy pompy
Komory pamięci
Czujnik ciśnienia
UrzÄ…dzenie
sterujÄ…ce
Przykład systemu mechatronicznego  samochód
18
Koncepcja aktywnego zawieszenia
DrÄ…\
ek poprzeczny
Silnik pochylania Pompa
Teleskop
Hamulec
Pompa
DrÄ…\
ek rozciÄ…gania
Silnik pochylania
- ściskania
Wahacz
Piasta koła
Przykład systemu mechatronicznego  samochód
Zastosowanie układów mechatronicznych w pojazdach powoduje zwiększenie komfortu i
bezpieczeństwa jazdy. Dlatego te\
producenci zarówno samochodów osobowych jak i
ciÄ™\
arowych przestawiają się w coraz większym stopniu na elektrycznie napędzane składniki.
Nale\
ą do nich po pierwsze urządzenia nastawiające min. dla lusterek, urządzeń
klimatyzacyjnych, podnoszenia szyb i ustawiania siedzeń. Po drugie są to systemy
bezpieczeństwa takie jak układ kierowania, elektroniczna regulacja stabilności, system
zapobiegający blokowaniu kół podczas hamowania oraz aktywne zarządzanie pracą silnika. W
przyszłości będą to dalsze składniki mechatroniczne takie jak np. aktywnie pochylane kamery
wideo i radary, samoczynnie zamykające się drzwi i samoczynnie zapinane pasy bezpieczeństwa,
które odcią\
ą kierowcę i będą go wspomagać w bezpiecznej jez
dzie. Jednak wymagane dla
takich systemów napędy elektryczne muszą mieć odpowiednie własności.
I tak dla realizacji takich odpowiedzialnych zadań mechatronicznych nadają się bezszczotkowe
silniki prądu stałego DC (z komutacją elektroniczną). Są one bowiem odporne na zu\
ycie i nie
wymagają obsługi. Jednak w trudnych warunkach panujących w samochodach podlegają one
silnym drganiom. Ponadto muszą być one odporne na działanie wody i pyłu, co wymaga
specjalnych rozwiązań ich budowy ze stopniem ochrony do IP65. Natomiast dla napędów
umieszczanych w komorze silnikowej konieczne są silniki elektryczne DC, które mogą pracować
w temperaturach do 1500C.
I tak obecnie za pomocą sieci komunikacyjnej CAN w samochodach komputer pokładowy steruje
taką funkcją bezpieczeństwa jak np. ABS, a tak\
e zarządza pracą silnika. Natomiast w przyszłości
przewiduje się równie\
zastosowanie elektrycznych hamulców.
Obecnie wiele firm prowadzi prace nad opracowywaniem specjalnych pakietów napędowych
przeznaczonych do realizacji określonych zadań w pojazdach samochodowych. Tak więc w
przyszłości nale\
y oczekiwać wzrostu zastosowań innowacyjnych rozwiązań systemów
mechatronicznych z napędami elektrycznymi.
Zastosowanie silników DC w pojazdach samochodowych
19
Program elektronicznej stabilizacji toru jazdy ESP (niem. Elektronisches Stabilität Programm)
został opracowany przez firmę Bosch.
Układ ESP zapewnia:
odpowiednio sterowane hamowanie poszczególnych kół i ingerencję w zarządzanie
silnikiem w celu zapewnienia stabilizacji toru jazdy samochodu,
otrzymuje niezbędne informacje z czujników w kołach, czujnika poło\
enia pedału gazu oraz
czujnika kąta skręcenia z układu kierowniczego.
Podsterowność Nadsterowność
ESP przyhamowuje wewnętrzne ESP przyhamowuje zewnętrzne
tylne koło przednie koło
System ESP stabilizacji toru jazdy samochodu
Nawigacja inercyjna (bezwładnościowa) opiera się na
pomiarach ruchu do 6 stopni swobody:
Z
Sensory obrotu
Sensory
śyroskopy
przyspieszenia
Ćz
Ć
Ć
Ć
az
ay Ćy
Ć
Ć
Ć
ax
Y
Ćx
Ć
Ć
Ć
X
Nawigacja inercyjna (bezwładnościowa)
20
Przy nadsterowności Przy podsterowności
ingerencja w hamulce ingerencja w hamulce
tylnej osi przedniej osi
Pomiar kąta skręcenia
Pomiar przyspieszenia
Pomiar obrotu
kierownicy i prędkości
poprzecznego
(wokół osi pionowej)
kół
Pomiar
Generowanie odniesienia
charakterystyki toru
charakterystyki toru
jazdy
jazdy
Obliczanie odchylenia
Decyzja o strategii interwencji
Elektroniczna stabilizacja toru jazdy ESP (niem.
Elektronisches Stabilitätsprogramm): bloki systemu
System stabilizacji toru jazdy ESP
Agregat hydrauliczny z
urzÄ…dzeniem sterujÄ…cym
i czujnikiem ciśnienia
Czujniki prędkości obrotowej kół
Czujnik kąta układu kierowniczego
Czujnik zbaczania i
czujnik przyspieszenia
ZarzÄ…dzanie pracÄ… silnika z:
ZarzÄ…dzanie pracÄ… silnika z:
UrzÄ…dz. sterujÄ…cym
Nastawnikiem
przepustnicy
Zaworami wtrysk.
Modułem zapłonu
Czujnikiem pedału gazu
y
ródło: Bosch
Przykład systemu mechatronicznego  samochód
21
Wcześniejszy obwód regulacji: kierowca  samochód - otoczenie
Wcześniejszy obwód regulacji:
Wielkości
Otoczenie
zakłócające
Wielkości zadane
Stan jezdni,
Ruch na drodze
wiatr itp.
Przeszkody
np. światła, kierunkowskaz, światła stopu itp.
Pojazd  obwody
Człony nastawiające
Spostrzeganie
Dajnik sygnałów
(bierne) regulacji
Bio-sensory
Układ
Kierownica
kierowniczy
Zachowania
Hamulec
Pedał hamulca
kierowcy
Pedał gazu Silnik
Dz
wignia biegów
Skrzynia biegów
Spostrzeganie
Bio-sensory
Stany jazdy  wielkości regulowane
Regulator - kierowca
Systemy mechatroniczne w samochodach
Obecny obwód regulacji: kierowca - samochód - otoczenie
Obecny obwód regulacji:
Wielkości
Otoczenie
zakłócające
Wielkości zadane
Stan jezdni,
Ruch na drodze
wiatr itp.
Przeszkody
np. światła, kierunkowskaz, światła stopu itp.
Pojazd  obiekt
Człony nastawiające
Spostrzeganie
Dajnik sygnałów
(aktywne) regulacji
Bio-sensory
Układ
Kierownica
kierowniczy
Zachowania
Pedał hamulca Hamulec
kierowcy
Pedał gazu Silnik
Dz
wignia biegów
Skrzynia biegów
Elektroniczne
Spostrzeganie
regulatory
Bio-sensory
Stany jazdy  wielkości regulowane
Regulator - kierowca
Systemy mechatroniczne w samochodach
22
Obecnie w drzwiach samochodów osobowych stosowane jest konwencjonalne rozwiązanie z centralnym
sterownikiem i odpowiednio rozbudowanym okablowaniem dla sensorów i aktuatorów. Wynikiem tego jest
konieczność stosowania wielu ró\
nych gniazd i wtyków. Prowadzi to do zwiększenia kosztów produkcji i
awarii. Liczba mo\
liwości wystąpienia błędów wzrasta progresywnie z liczbą gniazd wtykowych (złączy).
Dlatego te\
coraz częściej
wprowadzane sÄ… rozwiÄ…zania oparte
na zastosowaniu magistrali (sieci
Rozproszony system
komunikacyjnej).
sterowania w drzwiach
Dla uzyskania mo\
liwości
Lusterko zew- CAN
Lusterko zew-
integracyjnych i diagnostycznych w
nętrzne (LZ)
nętrzne (LZ)
nadrzędnym systemie stosowane są
np. zamki samochodowe z interfejsem
Zamek Zamek
LIN
(CZ) (CZ)
sieciowym. Powoduje to redukcjÄ™
okablowania. Komunikacja odbywa
Podnoszenie
Podnoszenie
siÄ™ za pomocÄ… sieci CAN lub podsieci
szyby (PS)
szyby (PS)
Gateway
Gateway
LIN. Takie rozwiÄ…zanie przynosi
Pulpit obsługi
korzyści zarówno u\
ytkownikom Elementy:
Pulpit obsługi
Przyciski: LZ,
ZL, PS, CZ
Przycisk PS
samochodów (większa
PS, CZ
funkcjonalność) jak i ich producentom
(uproszczenie monta\
u, zmniejszenie
Zamek
Zamek
masy i kosztów, poprawa jakości).
(CZ)
(CZ)
Moduły drzwiowe początkowo
Podnoszenie
Podnoszenie
zawierały tylko podnoszenie szyb
szyby (PS)
szyby (PS)
(silnik i elektronika), a póz
niej równie\

zamek, poduszkę powietrzną, głośnik Pulpit obsługi Pulpit obsługi
Przycisk PS Przycisk PS
i wiÄ…zkÄ™ kabli dla zwiÄ…zanej z nimi
elektroniki.
Przykład rozproszonego sterowania w samochodzie
Koordynacja wszystkich mo\
liwości ingerencji dla oddziaływania na przebieg jazdy.
SWT (niem. Seitenwand
SWT
Torsionssensor)
Smart Batterie
Smart Batterie
ISAD (niem. Integrierter
ISAD
(x-by-wire)
(x-by-wire)
Starter Generator Dämpfer)
Akumulator
Akumulator
ciśnienia
ciśnienia
Inteligentny moduł
Inteligentny moduł
sprÄ™\
yna/tłumik
sprÄ™\
yna/tłumik
Moduł skręcania osi
Moduł skręcania osi
Kompresor
Kompresor
Smart Batterie
Smart Batterie
(Starter)
(Starter)
Potwierdzanie ustawienia hamulców
Potwierdzanie ustawienia hamulców
Centralny moduł obsługi (gaz,
Centralny moduł obsługi (gaz,
hamulec, układ kierowani)
hamulec, układ kierowani)
Informacyjna sieć bezpieczeństwa (ster. czasem)
Informacyjna sieć bezpieczeństwa (ster. czasem)
Pokładowa sieć nadzorowania (42V)
Pokładowa sieć nadzorowania (42V)
Sensor ACC
Pneumatyczna sieć zasilająca
Pneumatyczna sieć zasilająca
Moduł hamowania koła
Zintegrowana regulacja dynamiki jazdy
23
Drzwi kierowcy
Przewody
Układ
sygnałowe
mechaniczny
Obecne rozwiÄ…zanie
Steer-by-Wire
wspomagania (serwo)
układu kierowniczego
Steer-by-Wire  technologia kierowania dla przyszłości?
Przykładem systemu mechatronicznego dla samochodów jest nowe rozwiązanie
układu reflektorów do oświetlania drogi. Oprócz obudowy, reflektora i \
arówek
zawiera on elektronicznie sterowany zespół ustawiania, który automatycznie kieruje
sto\
kiem wiązki światła podczas jazdy na zakrętach. Do tego celu oprogramowanie
sterujące ustawianiem reflektorów musi w sposób ciągły otrzymywać i
wykorzystywać wartości takich parametrów jak: skręcenie układu kierowniczego,
prędkość obrotową kół i odchylenie od prostoliniowego toru jazdy.
Aktywny reflektor samochodowy jako
przykład systemu mechatronicznego
24
Kamera z przodu
Kamera dla
Radar 24 GHz z prawej/
przestrzeni bocznej
lewej oraz radar 77 GHz
Czujnik
i podło\
a
ultradz
więkowy z
z prawej/ lewej
prawej/ lewej
Radar
Kamera IR
24 GHz
Kamera
(Infrarot)
Czujnik
cofania
Kamera
ultadz
wiÄ™-
z prawej/
Radar 77 GHz kowy
lewej
z przodu/ tyłu
Asystent kierowcy: radary, kamery i czujniki do unikania
wypadków
Systemy mechatroniczne w samochodach przyczyniają się do zwiększenia bezpieczeństwa oraz optymalizacji
pracy silnika lub zu\
ycia paliwa. Umo\
liwiają one równie\
nowe usługi, w których wykorzystuje się połączenie
telekomunikacji i informatyki (telematyki), np. zdalnÄ… diagnostykÄ™ w przypadku awarii lub znalezienie
skradzionych pojazdów.
Wa\
nym argumentem za stosowaniem systemów mechatronicznych w samochodach są tak\
e koszty.
Odwzorowanie funkcji w oprogramowaniu jest bowiem znacznie korzystniejsze, ani\
eli opracowanie i
wytworzenie zespołu mechanicznego. Ponadto zastosowanie elektroniki i oprogramowania pozwala na
zaoszczędzenie miejsca i umo\
liwia większe zagęszczenie funkcji. Poniewa\
cykle rozwojowe dla elektroniki i
oprogramowania są krótsze ni\
dla zespołów mechanicznych, to nowe funkcje mo\
na szybciej i jeszcze w
zaawansowanym ju\
stadium rozwoju całego samochodu zaimplementować i tym samym elastycznie
reagować na zapotrzebowanie rynku. Dlatego te\
wszyscy producenci nastawiajÄ… siÄ™ na to, \
e w
samochodach jest coraz więcej techniki komputerowej.
Pewnym problemem w rozwoju systemów mechatronicznych stosowanych w samochodach, oprócz ogólnie
akceptowanego systemu operacyjnego, jest jeszcze brak modułów programowych dla określonych funkcji,
które mogłyby być przenoszone z jednego modelu samochodu na inny. Samo oprogramowanie w modelach
samochodów tych samych producentów ró\
ni się często od siebie w zale\
ności od tego, jakie komponenty i
systemy dostarczył kooperant dla ka\
dorazowych zespołów. Dlatego te\
konieczne jest opracowanie jednolitej
platformy dla rozwoju oprogramowania, która umo\
liwi zdefiniowanie i budowę modułów programowych, które
mogą być wielokrotnie wykorzystywane. Jednak niewątpliwie trudniejszą sprawą ani\
eli standaryzacja
oprogramowania jest lepsze powiązanie ze sobą elementów mechanicznych, elektryczno/ elektronicznych i
oprogramowania. Problemem jest tutaj to, \
e zespoły mechaniczne, składniki elektryczne i elektroniczne oraz
oprogramowanie są opracowywane w ró\
nych działach i organizacjach, które nie pracują według
jednakowych procesów. Cykle innowacyjne i cykle \
ycia opracowanych przez nie komponentów mają ró\
nÄ…
długość, co utrudnia uzyskanie przejrzystego zarządzania wersjami i zmianami. Rozwijający zespoły
mechaniczne, elektryczne i elektroniczne oraz oprogramowanie tworzÄ… i zarzÄ…dzajÄ… swoimi danymi
dotyczącymi wyrobów w ró\
nych systemach IT (ang. Information Technology), pomiędzy którymi często nie
ma nawet interfejsów, aby mo\
na było wymienić informacje dotyczące wersji i zmian.
Problemy w rozwoju systemów mechatronicznych
25