INFLUENŢA CONTROLULUI ELECTRONIC ASUPRA DINAMICITĂŢII ... · 1 universitatea “transilvania”...

1

Universitatea “TRANSILVANIA” din Braşov

FACULTATEA DE INGINERIE MECANICĂ

DEPARTAMENTUL DE AUTOVEHICULE ŞI TRANSPORTURI

INFLUENŢA CONTROLULUI ELECTRONIC ASUPRA

DINAMICITĂŢII AUTOTURISMELOR

INFLUENCE ON THE ELECTRONIC CONTROL

ON DYNAMICS CARS

Rezumatul tezei de doctorat

- Summary of PhD thesis -

Doctorand:

Ing. POPESCU Florentin

Conducător ştiinţific:

Prof.univ.dr.-ing. CÂMPIAN Vasile

Prof. univ. dr.-ing. NAGY Tiberiu

2014

2

MINISTERUL EDUCAŢIEI NAŢIONALE

UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” DIN BRAŞOV

BRAŞOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525

RECTORAT ………………………………………………………………………………………

COMPONENŢA

Comisiei de doctorat

Numită prin ordinul Rectorului Universităţii „Transilvania” din Braşov

Nr. 6842 din 25.09.2014

PREŞEDINTE: Prof. univ. dr. ing. Anghel CHIRU Universitatea “Transilvania” din Braşov

CONDUCĂTOR ŞTIINŢIFIC: Prof.univ.dr.ing. Tiberiu NAGY Universitatea “Transilvania” din Braşov

REFERENŢI: Prof.univ.dr.ing. Minu MITREA

Academia Tehnică Militară din București Prof.univ.dr.ing. Nicolae DUMITRU

Universitatea din Craiova

Prof.univ.dr.ing. Nicolae ISPAS

Universitatea “Transilvania” din Braşov

Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat: marți,

16.12.2014, ora 12.00, sala NP7.

Eventualele aprecieri sau observaţii asupra conţinutului lucrării vă rugăm să le

transmiteţi în timp util, pe adresa [email protected].

Totodată vă invităm să luaţi parte la şedinţa publică de susţinere a tezei de

doctorat.

Vă mulţumim.

3

CUPRINS

Pg.

teză

Pg.

rezumat

INTRODUCERE.................................................................................................. 11 11

1. STADIUL ACTUAL AL SISTEMELOR MECATRONICE CU INFLUENŢĂ ASUPRA DINAMICITĂŢII AUTOTURISMELOR................................................ 21

13

1.1 Controlul electronic al servodirecţiei........................................................ 21 13

1.1.1 Direcţia integrală asistată electronic....................................................... 21 13

1.2 Sisteme dinamice de reglare a rulării........................................................ 23

1.2.1 Sistemul antiblocare (ABS).................................................................... 24 14

1.2.2 Funcţionarea ABS.................................................................................. 26

1.3 Controlul patinării roţilor cu ASR.............................................................. 28

1.4 Controlul dinamic al stabilităţii DSC......................................................... 30 14

1.5 Diagnoza sistemelor electronice…….................……………….…….……. 33

1.5.1 Diagnoza proprie OBD On Board Diagnostic.........………………....…… 34

1.6 Conceptul de sistem informatic IT............................................................. 35 15

1.6.1 Sistemul de timp-real.............................................................................. 36

1.6.2 Parametrii temporali ai secvenţelor de răspuns..................................... 38

1.6.3 Sisteme de timp-real hard, ferme şi soft................................................. 40

1.6.4 Evaluarea necesarului programelor pentru aplicaţiile de timp-real……. 41

1.6.5 Siguranţa şi toleranţa la defecte a sistemelor de timp-real………....….. 42 16

1.7 Controlul ieşirii din domeniul de toleranţă............................................... 45

1.7.1 Detecţia defectului.................................................................................. 46

1.7.2 Mecanisme de revenire din eroare......................................................... 48

1.7.3 Reconstrucţia semnalului....................................................................... 49

1.8 Aplicaţii GPS la autovehicule..................................................................... 50 18

1.8.1 Cercetări anterioare............................................................................... 52 19

1.9 Obiectivele lucrării...................................................................................... 53 20

2. DETERMINAREA CONFIGURAȚIEI SPAȚIALE A TRAIECTORIEI................. 55 22

2.1 Elemente pentru proiectarea drumului..................................................... 55 22

2.2 Exprimarea parametrilor geometrici....………………………..................... 56 22

2.3 Amenajarea în plan orizontal a drumului ……………............................... 57

2.3.1 Aliniamentele........................................................................................... 57 23

2.3.2 Curbe circulare……………………………………….................................. 58 23

2.3.3 Curbe de tranziție.................................................................................... 60 25

2.4 Determinarea traiectoriei autovehiculului cu GPS................................... 69 26

2.4.1 Măsurarea diferenței de fază a purtătoarei............................................. 69 26

4

2.4.2 Metoda liniară pentru determinarea traiectoriei....................................... 72

2.4.3 Metoda neliniară pentru determinarea traiectoriei................................... 79

2.4.4 Diluția preciziei ADOP............................................................................. 81

2.5 Determinarea traiectoriei cu GPS/INS....................................................... 83 27

2.5.1 Expresia girației folosind un singur satelit............................................... 84

2.5.2 Expresia ruliului folosind un singur satelit............................................... 87 28

2.5.3 Determinarea ținutei de drum cu un singur satelit................................... 88 29

3. ANALIZA PERFORMANȚEI............................................................................... 91 30

3.1 Criterii de performanță............................................................................... 91 30

3.2 Precizia determinării traiectoriei................................................................ 92 30

3.3 Modelul matematic...................................................................................... 93 31

3.3.1 Modelul dinamic neliniar.......................................................................... 95

3.4 Localizarea poziției..................................................................................... 96

3.4.1 Localizarea modulelor............................................................................. 96

3.4.2 Odometria................................................................................................ 98 33

3.5 Funcționarea rețelei de senzori ABS…..............................................….... 99 34

3.5.1 Corecția măsurătorilor folosind GPS....................................................... 101

3.5.2 Estimarea vitezei unghiulare limită a roții................................................ 102

3.6 Combinarea semnalelor măsurate............................................................. 103

3.6.1 Modelarea combinării datelor măsurate.........…………..……….……...... 103

3.6.2 Determinarea erorilor transversale.......................................................... 108

3.7 Programul de simulare……..........……………............................................ 110 36

3.7.1 Simulare experimentală........................................................................... 113

3.7.2 Datele simulărilor..................................................................................... 114

3.8 Algoritmul filtrării Kalman.......................................................................... 115 39

3.8.1 Covarianța zgomotului de măsurare R necunoscută.............................. 118

3.8.2 Covarianțele R și Q necunoscute............................................................ 118

3.8.3 Integrarea strânsă a subsistemului INS....…………………..……..……... 119 40

3.8.4 Filtrul principal GPS/INS.......................................................................... 121

3.8.5 Monitorizarea integrității în filtrul principal GPS/INS................................ 126 41

4. MODELUL EXPERIMENTAL AL SISTEMULUI PENTRU DETERMINAREA TRAIECTORIEI CU GPS/INS............................................................................. 127

42

4.1 Traductoare................................................................................................. 128

4.1.1 Traductoare pentru mărimi geometrice.................................................. 128

4.1.2 Senzori pentru turația roții...................................................................... 129

4.1.3 Traductoare inerțiale.............................................................................. 132 43

4.2 Unități de măsurare inerțiale IMU.............................................................. 135 46

4.2.1 Sistemul Xsens........................................................................................ 137 47

4.3 Sisteme de navigație inerțiale INS............................................................. 138 48

4.4 Sisteme mixte de senzori........................................................................... 139

4.4.1 Sisteme combinate INS/GPS............................………………………..… 140

4.5 Configurația aparaturii sistemului de măsură.......................................... 140 49

4.5.1 Aparatura de măsurare………...................................………………….… 141

4.5.2 Aparatura pentru memorarea, arhivarea și prelucrarea datelor.......…… 143

5

4.5.3 Interfața software.................………………………………………………... 148 50

4.6 Amplasarea traductoarelor pe autoturismul de încercat......................... 155 51

4.6.1 Amplasarea liniilor de bază..................................................................... 155 52

4.7 Evaluarea erorilor SMAD……..............………............................................ 157

4.7.1 Erorile giroscoapelor……..................……………………………………… 159

4.7.2 Erorile accelerometrelor.......................................................................... 159

4.7.3 Erorile senzorilor inerțiali MEMS............................................................. 160

4.7.4 Erorile odometriei diferențiale.................................................................. 162

4.7.5 Sensibilitatea și erorile senzorilor de turație............................................ 163 53

4.8 Etalonarea și sincronizarea aparaturii...................................................... 164 54

4.8.1 Etalonarea mecanică...........................…………………………….……… 164

4.8.2 Particularități ale etalonării traductoarelor......................................…….. 165

4.8.3 Sincronizarea senzorilor de turație ABS cu Garmin 18x.................……. 168

4.8.4 Sincronizarea Xsens și Garmin 18x.......……………………………….…. 170 54

4.8.5 Calibrarea întârzierii de fază............…………………………………….… 171

4.9 Analiza efectelor erorilor asupra traiectoriei autovehiculelor................ 172 55

4.9.1 Analiza erorilor aleatorii ale senzorilor.................................................... 172 55

4.9.2 Analiza influenței erorilor sistematice...................................................... 175

4.9.3 Influența erorilor combinate, aleatorii și sistematice................................ 176

...4.9.4 Modelarea erorilor de estimare a frecvenței Doppler cu GPS asistat inerțial.................................................................................................................. 176

4.9.5 Estimarea frecvenței Doppler și a erorii de ceas..................................... 177

4.9.6 Influența prelucrării datelor asupra erorilor.............................................. 178

4.9.7 Rezoluția odometriei diferențiale............................................................. 178

4.10 Program de încercare privind comportarea autoturismului la deplasarea rectilinie și curbilinie..................................................................... 179

4.10.1 Importanța, scopul și clasificarea încercărilor....................................... 179

4.10.2 Programul cercetărilor experimentale................................................... 180

4.10.3 Elaborarea strategiei de încercare........................................................ 182

4.10.4 Cerințe impuse încercărilor................................................................... 183 56

4.10.5 Încercări de stabilitate la deplasarea pe traiectorii circulare.................. 184

4.11 Pregătirea obiectului încercării pentru probele de poligon.................. 185

5. SINTEZA DETERMINĂRII TRAIECTORIEI PE MODELELE ANALITICE ALE SOLUȚIEI PROPUSE......................................................................................... 187

57

5.1 Analiza filtrării datelor obținute prin simulare.......................................... 188 57

5.2 Date reale…............................…….............................................................. 192 60

5.2.1 Analiza filtrării datelor experimentale...................................................... 193

5.3 Estimarea traiectoriei autovehiculului...................................................... 194 61

5.3.1 Rezultate experimentale și analiza lor..................................................... 197 62

5.3.2 Eroare sistematică a receptorului GPS................................................... 200

5.3.3 Semnalul senzorului GPS alterat de zgomot........................................... 200

5.3.4 Semnalul giroscopului care generează eroare sistematică..................... 201

5.3.5 Diagnosticarea giroscopului viciat de zgomot......................................... 201

5.4 Folosirea unui senzor redundant comercial............................................. 202 63

6

5.5 Analiza efectelor erorilor asupra traiectoriei autovehiculelor................ 206 64

5.5.1 Simularea traseului în plan orizontal....................................................... 206 64

5.5.2 Analiza erorilor aleatorii ale senzorilor.................................................... 207

5.5.3 Analiza influenței erorilor sistematice...................................................... 211

5.5.4 Influența erorilor combinate, aleatorii și sistematice................................ 213 65

5.6 Expresia girației folosind un singur satelit............................................... 215 66

CONCLUZII......................................................................................................... 219 70

Contribuţii originale.......................................................................................... 222 73

Concluzii finale.................................................................................................. 224 74

Propuneri pentru viitor…………………………………………………………….. 228 78

BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ……...................................................................... 80

REZUMAT SCURT…………………………………………………………………… 88

ABSTRACT………………………………………………………………………….. 88

CURRICULUM VITAE (limba romana)………………………………………….. 89

CURRICULUM VITAE (limba engleza)…………………………………………… 91

7

CONTENTS

Pg.

PhD

Pg.

summary

INTRODUCTION................................................................................................. 11 11

1. CURRENT STATUS OF MECHATRONIC SYSTEMS INFLUENCING DYNAMICS CARS.............................................................................................. 21

13

1.1 The electronic power steering................................................................... 21 13

1.1.1 Full power assisted steering................................................................... 21 13

1.2 Dynamic runtime control systems............................................................. 23

1.2.1 Antilock brake system (ABS).................................................................. 24 14

1.2.2 ABS Operation....................................................................................... 26

1.3 ASR control wheel spin............................................................................. 28

1.4 DSC Dynamic Stability Control................................................................. 30 14

1.5 Diagnosis of electronic systems….....................….…………………….…. 33

1.5.1 Diagnostic own on Board Diagnostics OBD........…….……...…………… 34

1.6 The concept of information system IT...................................................... 35 15

1.6.1 Real-time System................................................................................... 36

1.6.2 Parameters temporal sequences reply................................................... 38

1.6.3 Hard real-time systems, firm and soft..................................................... 40

1.6.4 Needs assessment programs for real-time applications........................ 41

1.6.5 Safety and fault tolerance of real-time systems..................................... 42 16

1.7 The control output of the tolerance of the longitudinal movement of

the vehicle........................................................................................... 45

1.7.1 Fault detection........................................................................................ 46

1.7.2 Mechanisms of recovery from error........................................................ 48

1.7.3 Signal reconstruction.............................................................................. 49

1.8 GPS applications in vehicles..................................................................... 50 18

1.8.1 Previous researches............................................................................... 52 19

1.9 Objectives thesis........................................................................................ 53 20

2. DETERMINATION SPATIAL CONFIGURATION PATH.................................... 55 22

2.1 Road design elements................................................................................ 55 22

2.2 Expression of geometrical parameters....……..……………….................. 56 22

2.3 Fitting the horizontal plane of the road ……………................................. 57

2.3.1 Alignments.............................................................................................. 57 23

2.3.2 Circular curves….……………………………...…….................................. 58 23

2.3.3 Transition curves..................................................................................... 60 25

2.4 Determination of vehicle trajectory with GPS.......................................... 69 26

2.4.1 The measurement of the phase difference of the carrier........................ 69 26

2.4.2 The linear method for determining the trajectory..................................... 72

2.4.3 Method for determining the non-linear path............................................ 79

8

2.4.4 Dilution of precision adoption ADOP....................................................... 81

2.5 Determination trajectory with GPS / INS................................................... 83 27

2.5.1 Expression to turning using a single satellite.......................................... 84

2.5.2 Expression using a single satellite roll..................................................... 87 28

2.5.3 Determination roadholding with a single satellite ................................... 88 29

3. PERFORMANCE REVIEW................................................................................. 91 30

3.1 Performance criteria...................................................................................... 91 30

3.2 The accuracy of determining the trajectory............................................. 92 30

3.3 The mathematical model............................................................................ 93 31

3.3.1 Nonlinear dynamic model........................................................................ 95

3.4 Locating position........................................................................................ 96

3.4.1 Locating modules.................................................................................... 96

3.4.2 Odometry................................................................................................ 98 33

3.5 ABS sensor network operation…........................................................…... 99 34

3.5.1 Correction using GPS measurements.................................................... 101

3.5.2 Estimated wheel angular speed limit...................................................... 102

3.6 The combination of measured signals...................................................... 103

3.6.1 Modeling combination of measured data...........…………………..…...... 103

3.6.2 Determination of transverse errors......................................................... 108

3.7 The simulation program….................……………....................................... 110 36

3.7.1 Simulation experimental.......................................................................... 113

3.7.2 Data simulations...................................................................................... 114

3.8 Kalman filtering algorithm.......................................................................... 115 39

3.8.1 Measurement noise covariance R unknown........................................... 118

3.8.2 Covariances R and Q unknown.............................................................. 118

3.8.3 The tight integration of INS subsystem....…...……………………………. 119 40

3.8.4 Main filter GPS / INS............................ ................................................ 121

3.8.5 Monitoring the integrity of the main filter GPS / INS......... .................. 126 41

4. EXPERIMENTAL MODEL SYSTEM FOR DETERMINING TRAJECTORY GPS / INS............................................................................................................ 127

42

4.1 Transducers................................................................................................ 128

4.1.1 Transducers for geometrical sizes......................................................... 128

4.1.2 Wheel speed sensors............................................................................. 129

4.1.3 Inertial transducers................................................................................. 132 43

4.2 IMU Inertial Measurement Units................................................................. 135 46

4.2.1 The system Xsens................................................................................... 137 47

4.3 INS Inertial Navigation Systems................................................................ 138 48

4.4 Mixed systems of sensors.......................................................................... 139

4.4.1 Combined Systems INS / GPS..............................………………….…… 140

4.5 Equipment configuration measuring system........................................... 140 49

4.5.1 Measurement equipment .………...................................………………… 141

4.5.2 Apparatus for storing, archiving and processing..........................……… 143

4.5.3 Interface software.................……………………………………………….. 148 50

4.6 Location transducers on the test vehicle................................................. 155 51

9

4.6.1 Location baselines.................................................................................. 155 52

4.7 assessment of errors SMAD……..... ......………........................................ 157

4.7.1 Gyro errors ……................................……………………………………… 159

4.7.2 Errors accelerometers............................................................................. 159

4.7.3 MEMS inertial sensors errors.................................................................. 160

4.7.4 Differential odometry errors..................................................................... 162

4.7.5 The sensitivity and speed sensor errors.................................................. 163 53

4.8 Equipment calibration and synchronization............................................. 164 54

4.8.1 Mechanical Calibration.........................……………………………….…… 164

4.8.2 Features of calibrated transducers..............................................…...….. 165

4.8.3 ABS speed sensor synchronization with Garmin 18x.....................……. 168

4.8.4 Synchronization Xsens and Garmin 18x.…………………………………. 170 54

4.8.5 Calibration phase delay...................……………………………………..… 171

4.9 Analysis of the effects on the trajectory errors vehicles........................ 172 55

4.9.1 Analysis of random errors of sensors...................................................... 172 55

4.9.2 Analysis of systematic errors................................................................... 175

4.9.3 Influence of combined errors, random and systematic............................ 176

...4.9.4 Modeling Doppler frequency estimation errors with Assisted GPS inertial.................................................................................................................. 176

4.9.5 Estimation of Doppler frequency and clock error.................................... 177

4.9.6 Influence of processing on error.............................................................. 178

4.9.7 Differential odometry resolution............................................................... 178

4.10 Program test the behavior of the car when driving straight and curvilinear.......................................................................................................... 179

4.10.1 Importance, scope and classification tests............................................ 179

4.10.2 Experimental research program............................................................ 180

4.10.3 Test strategy development.................................................................... 182

4.10.4 Requirements for testing....................................................................... 183 56

4.10.5 Tests for stability when driving on circular trajectories.......................... 184

4.11 Reparation of test samples polygon object............................................ 185

5. SUMMARY OF DETERMINING TRAJECTORIES ANALYTICAL MODELS OF THE PROPOSED SOLUTIONS.................................................................... 187

57

5.1 Filtration analysis of data obtained through simulation......................... 188 57

5.2 Real data…..............................…….............................................................. 192 60

5.2.1 Analysis of experimental data filtering..................................................... 193

5.3 Vehicle trajectory estimation..................................................................... 194 61

5.3.1 Experimental results and analysis........................................................... 197 62

5.3.2 Systematic error GPS receiver................................................................ 200

5.3.3 GPS sensor signal noise altered ............................................................ 200

5.3.4 Signal generating gyroscope bias........................................................... 201

5.3.5 Diagnosing noise polluted gyroscope...................................................... 201

5.4 Using a commercially redundant sensor.................................................. 202 63

5.5 Analysis of the effects on the trajectory errors vehicles........................ 206 64

5.5.1 Simulation horizontal path....................................................................... 206 64

10

5.5.2 Analysis of random errors of sensors...................................................... 207

5.5.3 Analysis of systematic errors................................................................... 211

5.5.4 Influence of combined errors, random and systematic............................ 213 65

5.6 Expression using a single satellite to turning.......................................... 215 66

CONCLUSIONS.................................................................................................. 219 70

Original contributions................................................................................. 222 73

Contributions final...................................................................................... 224 74

Proposals for the future…….........….……………………………………...…… 228 78

REFERENCES ……................................................................................. 80

BRIEF SUMMARY OF THE THESIS…………………………………………….. 88

ABSTRACT…………………………………………………………………………… 88

CURRICULUM VITAE (romanian and english language)…………………….. 89

11

INTRODUCERE

Automobilul este un produs industrial reprezentativ pentru acest sector, cu implicaţii

deosebite în viaţa oamenilor.

Prin intervenţia controlului deplasării cu viteză economică, durata de conducere între

două destinaţii a scăzut. Sistemul de direcţie, dispozitivele ABS şi controlul tracţiunii au fost

create pentru a reduce solicitarea psiho-fizică a conducătorului auto permiţând acestuia să-

şi canalizeze atenţia spre alte operații necesare conducerii automobilului.

Un alt motiv, pentru automatizarea procesului de conducere, îl constituie siguranţa

autovehiculelor. În 2012 au fost înregistrate aproximativ 6.393.000 de evenimente rutiere

care au condus la 41.000 decese şi la peste 3.000.000 vătămări. Cauzele acestor

evenimente rutier se datoresc unor probleme de fond, dar unele constau în erori tehnice.

Dacă aceste erori sunt eliminate numărul evenimentelor rutiere săvârșite anual, cu

certitudine ar putea fi mai mic.

Prin obiectivele lucrării, influenţa controlului electronic al stabilităţii asupra dinamicii

autovehiculului, impune o problematică complexă ce necesită studii teoretice laborioase, în

baza cărora să poată fi concepute modele dinamice şi matematice pentru sistemul de

direcţie şi autovehicul în ansamblu care să permită analiza traiectoriei autovehiculului în

condiţii simulate pe calculator, pentru ca ulterior să se efectueze cercetarea experimentală,

privind dinamica autoturismului în general şi stabilitate-maniabilitate în special, amănunţită

şi de mare amploare ce trebuie să confirme corectitudinea ipotezelor utilizate şi totodată să

valideze modelul matematic propus.

Se va studia cuplajul GPS/INS la nivelul cel mai strâns, în care buclele de urmărire a

semnalelor recepţionate de o platformă în mişcare GPS utilizează asistenţa inerţială. Acest

nivel de integrare necesită un efort considerabil faţă de cuplajul liber sau cel strâns,

deoarece arhitectura buclelor de urmărire GPS (în special PLL) este diferită de cea din

receptorul clasic. Din acest motiv, un end-user tipic nu are în mod curent flexibilitatea de a

implementa cuplarea cu o unitate GPS standard, deoarece receptoarele existente nu

asigură astfel de caracteristici flexibile.

În prezent sistemele de navigaţie terestră avansate asigură utilizatorului atât

mobilitate cât şi siguranţă prin informaţiile pe care le oferă în timp real referitoare la poziţie,

viteză şi alte informații de natură geografică. Folosirea tehnologiei informaţiei avansată, în

domeniul sistemelor de transport rutier, a condus la realizarea unor dispozitive de navigaţie

12

moderne care asigură şi alte servicii, concept ce se poate integra în sisteme inteligente de

transport ITS şi anume sistemul pentru asistarea conducătorului auto DA – Driver

Assistance, ce contribuie la îmbunătăţirea siguranţei rutiere (controlul vitezei de croazieră,

sistemul de avertizare şi informare asupra punctului de plecare, sisteme de avertizare

privind prezenţa unor obstacole sau curbe periculoase) şi sistemul serviciului mobil şi

informare MSI – Mobile Service and Information (sisteme de navigaţie, alertă şi asistenţă

de urgenţă, plăţi electronice, informare în timp real cu privire la starea condițiilor

Limitele cercetării sunt impuse de cerinţele constructive şi funcţionale, care trebuiesc

îndeplinite de dispozitivele ABS, precum şi de nivelul tehnologic prevăzut pentru fabricaţie.

Având în vedere aceste consideraţii, în lucrare sunt concepute şi prezentate

metodicile de cercetare experimentală a influenţei sistemelor de autodiagnoză asupra

ţinutei de drum a autoturismului, traductoarele şi senzoristica utilizate la cercetarea

experimentală a identificării şi localizării avariilor, şi pentru controlul activ al maniabilităţii şi

stabilităţii autoturismului; sistemul de măsurare şi memorare a semnalelor; amplasarea

traductoarelor pe automobilul de încercat şi programul de încercare pentru studiul

comportamentului autoturismului la deplasarea rectilinie şi curbilinie în diferite condiţii de

funcţionare a reţelei proprii de traductoare, lucrarea fiind structurată în cinci capitole.

13

CAPITOLUL 1

STADIUL ACTUAL AL SISTEMELOR MECATRONICE

CU INFLUENŢĂ ASUPRA DINAMICITĂŢII AUTOTURISMELOR

1.1 Controlul electronic al servodirecţiei

Pentru îmbunătăţirea siguranţei în timpul conducerii automobilului un rol important îl

deţine sistemul de control al direcţiei. Acesta reprezintă unul din principalele sisteme ale

automobilului cu influenţe majore asupra siguranţei circulaţiei, mai ales în condiţiile creşterii

continue a vitezelor de deplasare.

La viteze sub 20 km/h, pentru manevrare, în regim de parcare, efectul servodirecţiei

este maxim iar efortul la volan nu depăşeşte 15 N. Între 20 km/h şi 120 km/h efortul de

rotire a volanului creşte uniform, de la 15 la 32 N, astfel încât la viteze de peste 120 km/h

să depăşească cu puţin valoarea efortului la volan necesar în cazul soluţiei constructive

clasice, fără asistare.

1.1.1 Direcţia integrală asistată electronic

Problema geometriei virajului se pune pentru variantele clasice de automobile numai

în raport cu puntea faţă. Experienţa a demonstrat că o abordare precisă a virajului la viteze

mari poate fi realizată doar cu aportul tuturor roţilor pentru ca autovehiculul să se înscrie pe

traiectorie dorită. Testele efectuate relevă că în afara creşterii capacităţii de manevrare

(reducerea razei de virare) la aceste automobile se reduc rezistenţele la înaintarea şi

puterea consumată la virare (în cazul tracţiunii integrale), deoarece lipseşte circulaţia

puterilor parazite.

Figura 1.3 conturează diagrama blocurilor de control (a) şi configuraţia buclei de

control a direcţiei (b). Viteza unghiulară a roţilor, giraţia şi acceleraţia longitudinală respectiv

transversală, reprezintă intrări ECU ca variabile de stare ale autovehiculului.

Unitatea centrală electronică ECU procesează datele şi modifică puterea motorului,

unghiul de bracare al roţilor (în special la puntea spate) şi presiunea lichidului din sistemul

de frânare în scopul asigurării stabilităţii autovehiculului. Comenzile date de ECU reduc

viteza autovehiculului, controlează alunecarea longitudinală şi transversală a pneurilor pe

14

calea de rulare, blochează diferenţialul

spate şi mecanismul de comandă a roţilor

directoare ale punţii spate în poziția de mers

rectilinie.

1.2.1 Sistemul antiblocare (ABS)

Pentru stabilitatea rulării şi

manevrabilitatea bună a unui autovehicul

este important ca viteza periferică a roţilor

să corespundă aproximativ vitezei de

mişcare a autovehiculului. Numai astfel se

pot executa în siguranţă manevrare asupra

volanului în timpul frânării sau în timpul

demarajului. Stabilitatea şi manevrabilitatea

nu mai sunt asigurate în cazul roţilor blocate

sau care patinează. Sistemele de reglare

dinamice ale rulării vin în sprijinul conducătorului auto prin intervenţii corespunzătoare la

frânare (ABS) respectiv la demaraj (ASR). Sistemele electronice moderne pentru control

reacţionează în aceste situaţii mai rapid şi mai eficient decât operatorul uman (conducătorul

auto.

1.4 Controlul dinamic al stabilităţii DSC

Aceste sisteme au în componență supape

electromagnetice 2/2 cu două poziţii şi două căi. În cele ce

urmează va fi descris sistemul de control dinamic al

stabilităţii de la Teves.

Elementele componente principale ale sistemului

de control dinamic al stabilităţii DSC sunt dispozitivul de

comandă şi unitatea hidraulică. În cadrul sistemului

acestea sunt montate într-o singură unitate compactă,

figura 1.15, însă există și construcții separate.

a

b

Fig. 1.3 Sistemul de control al stabilităţii TOYOTA

Fig. 1.15 Unitate hidraulică DSC cu

dispozitiv de comandă electronic

15

Dispozitivul de comandă primeşte mărimile de intrare, necesare controlului stabilităţii

autovehiculului, de la senzorii de turaţie ai roţilor, senzorul de giraţie, traductorul de

acceleraţie transversală, senzorul de rotire a volanului iar printr-o magistrală de date

informaţii privind funcţionarea motorului.

Starea de avarie DSC este semnalizată prin funcţionarea continuă a ledului de

avertizare, led ce va lumina continuu şi atunci când sistemul este deconectat voluntar de

către conducătorul auto cu ajutorul tastei de la bord. Dacă sistemul funcţionează corect, la

pornirea motorului şi implicit iniţierea autodiagnozei întregului sistem de management

electronic, ledul de avertizare funcţionează timp de două secunde după care se stinge.

1.6 Conceptul de sistem informatic IT

Se poate spune că ştiinţa tehnică şi tehnologiile actuale nu mai pot fi stăpânite fără

utilizarea calculatoarelor. Dacă la apariţia calculatoarelor se avea în vedere utilizarea lor ca

instrumente pentru rezolvarea unor probleme de matematică complexe, astăzi tot mai mult

sunt implicate pentru a reacţiona la unele schimbări petrecute în lumea înconjurătoare astfel

încât aceasta să devină tot mai agreabilă omului. În general, un sistem este o colecţie de

componente sau subsisteme lucrând în paralel, fiecare având o anumită funcţionalitate

destinată să realizeze un obiectiv. Componentele interacţionează între ele prin schimbul de

informaţii, care pot fi de structuri foarte diferite, şi utilizează în comun unele resurse. Dacă

ansamblul de fluxuri şi circuite informaţionale sunt organizate într-o concepţie unitară, se

obţine un sistem informaţional. Atunci când metodele, procedurile şi mijloacele utilizate

pentru colectarea, memorarea, prelucrarea sau transmiterea datelor preponderent

efectuate, fără controlul direct al operatorului uman, se obţine un sistem informatic.

Toate sistemele interacţionează cu mediul în care se află, incluzând şi operatorii

sau utilizatorii umani. Mediul, în această situaţie, este compus dintr-o parte activă şi una

pasivă.

Partea activă a mediului cuprinde operatori care intervin în funcţionarea sistemului,

sau, componente ale unor instalaţii externe sistemului informatic, care solicită

calculatorului să efectueze anumite activităţi.

Partea pasivă a mediului cuprinde utilizatori care sunt interesaţi de serviciile oferite

de calculator, şi dispozitivele instalaţiilor, care informează, la cerere, calculatorul despre

starea acestuia.

16

Calculatorul este conectat la mediu cu ajutorul unor interfeţe. Interfeţele sunt active

dacă pot intervenii în operaţiile curente ale

calculatorului, sau sunt pasive în caz contrar.

Interfeţele active conţin canale numerice sau

analogice care sunt citite de calculator la

solicitarea acestuia.

Structura de principiu, a unui ansamblu calculator-mediu este prezentată în

figura 1.22. Domeniile aplicaţiilor de timp-real se înscrie în această structură.

1.6.5 Siguranţa şi toleranţa la defecte a sistemelor de timp-real

Toleranţa la defecte este legată de sistemele critice sigure şi de sistemele de

încredere. Asigurarea cerinţelor de timp-real este condiţionată de implementarea aplicaţiei

pe un sistem sigur din punct de vedere al resurselor hardware şi software folosite. La

rândul ei, aplicaţia trebuie să fie de încredere, în special în cazul unui sistem de timp real

hard, referitor la respectarea cerinţelor temporale. Toleranţa la defecte se obţine prin

respectarea unui set de măsuri aplicate în etapele de specificare, proiectare, implementare.

Proiectarea sistemelor critice, implică pe lângă respectarea cerinţelor funcţionale şi

cerinţe de siguranţă. Cerinţele funcţionale se referă la acţiunile pe care trebuie să le

efectueze sistemul, presupunând că există, asigurat, un surplus de timp pentru efectuarea

lor. Cerinţele de siguranţă se referă la şabloane de comportament ale sistemului, care sunt

interzise pe motiv că produc pierderi materiale, defectarea sistemului de timp-real punând

în pericol viaţa oamenilor.

Fiabilitatea cuantifică timpul în care un sistem asigură în mod continuu serviciile ce

urmează a fi prestate. Fiabilitatea se aplică numai sistemelor critice la erori, adică acelor

sisteme care nu admit manifestarea unor defecte.

Disponibilitatea determină probabilitatea ca sistemul să finalizeze acţiunea de

realizare a obiectivului propus, până la momentul de timp specificat.

Securitatea caracterizează probabilitatea unui sistem de a fi accesat neautorizat în

scopul extragerii sau citirii informaţiilor şi/sau modificării lor.

Măsurile adoptate pentru îmbunătăţirea siguranţei şi, respectiv, a fiabilităţii sunt

identice în mare parte.

Cerinţele pentru siguranţă sunt:

Identificarea consecinţelor hazardului;

Fig. 1.22 Sistemul tehnic informatic

17

Exprimarea efectului siguranţei în termeni de comportament nedorit al

sistemului;

Stabilirea unei perioade de observare a respectării condiţiilor impuse

siguranţei.

Cerinţele de încredere se refera la:

Consideraţiile de fiabilitate care impun ca defectele să nu se manifeste;

Consideraţiile de disponibilitate care impun ca defectele să fie tolerate în

anumite limite precizate;

Aspectele de securitate a sistemului.

Defectarea unui element al sistemului poate induce sistemul într-o stare de avarie.

Prin urmare, starea de avarie este o situaţie în care ajunge un sistem din cauza unei erori

concretizate într-un defect. Erorile constituie informaţii incorecte care sunt vehiculate în

sistem.

Erorile se împart în funcţie de:

o Natură: intenţionate sau întâmplătoare

o Cauză: fizice sau de proiectare;

o Limite: interne sau externe;

o Origine: de dezvoltare sau de operare;

o Persistenţă: temporare sau permanente.

Defectele se împart după:

Natură: valorice sau temporale;

Percepere: consistente sau inconsistente;

Efect: benigne sau maligne;

Frecvenţă: singulare sau multiple.

Avariile pot fi:

- Interne sau externe;

- Intermitente sau persistente;

- Tranzitorii permanente.

Utilizând noţiunea de traseologie a evenimentelor cunoscută sub numele de istorie

locală defectele pot fi de:

omisiune, dacă istoria locală este capabilă a satisface specificaţiile în cazul în

care s-ar introduce un eveniment nedorit;

timp, dacă istoria locală este satisfăcută din punctul de vedere al ordinii

evenimentelor, dar nu sunt respectate cerinţele temporale;

18

ceas, dacă istoria locală îndeplineşte specificaţiile după schimbarea ordinii a

două sau mai multor evenimente;

cădere, dacă sunt omise toate ieşirile sistemului cerute de specificaţii începând

de la un anumit moment.

Sistemele tolerante la defecte au drept scop detectarea, izolarea şi remedierea

erorilor înainte ca acestea să fie identificate ca defecte ale sistemului. Soluţia proiectării

sistemelor tolerante la defecte o constituie redundanţa.

1.8 Aplicaţii GPS la autovehicule

Implementarea receptoarelor GPS pe autovehicule a stimulat cererea de sisteme

ieftine dar precise pentru navigare asistată, care să poată fi utilizate la urmărirea vehiculelor

şi determinarea traiectoriei în timp real.

Pe piaţă, sistemele de navigaţie cu GPS au devenit produse de largă răspândire

(Garmin StreetPilot, Magellan 750M, etc). De asemenea, automobilele moderne sunt

echipate cu diferite sisteme de control care vin în sprijinul siguranţei şi confortului

pasagerilor. Controlul frânării, controlul stabilităţii longitudinale şi transversale fac parte din

dotarea de înaltă performanţă a autovehiculelor. Sistemele de antiblocare a roţilor ABS şi

controlul navigaţiei sunt două exemple de sisteme de control frecvent întâlnite în ultimul

timp. Controlul stabilităţii transversale foloseşte măsurători de poziţie şi viteză, cât şi

măsurarea ţinutei de drum a autovehiculului, în special măsurarea giraţiei şi ruliului [40].

GPS-ul constituie o tehnică adecvată pentru astfel de aplicaţii de control, deoarece poate

furniza măsurătorile necesare folosind cel puţin două antene. Totuşi, din punct de vedere al

lăţimii de bandă, receptoarele GPS curente nu au rata de actualizare a informaţiei suficient

de rapidă pentru controlul vehiculului iar anumite forme de integrare cu senzori inerţiali sunt

adesea imperative pentru realizarea unei lăţimi de bandă suficient de mare pentru sistem

[23]. Combinarea semnalelor GPS cu cele ale sistemului inerţial INS Xsenz este necesară

pentru îmbunătățirea gradului de încredere şi robusteţea sistemului de siguranţă critic al

automobilului, deoarece există situaţii când propagarea multicale şi estomparea vizibilităţii

către sateliţi în defileele stradale urbane sau montane poate altera performanţele unui GPS.

Variabilele caracteristice ţinutei de drum, pe termen scurt, pot fi obţinute din

integrarea ieşirilor giroscopului, ieşiri care cer iniţializarea şi reactualizarea frecventă a

calibrării în raport cu un sistem de urmărire a ţinutei de drum prin GPS sau de la o referinţă

echivalentă externă.

19

Sisteme de urmărire şi

navigare prin GPS uzuale pot fi

Novatel Beeline cu două antene

[34], Furuno Satellite Compass cu

trei antene, Trimble TANS Vector

cu patru antene. Aceste sisteme,

comerciale, sunt destinate cu

precădere aplicaţiilor agricole [13],

marine [35, 33] şi aerospaţiale

[29]. Având preţul de cumpărare

cuprins între 2.000 - 8.000 Euro, aceste sisteme GPS sunt relativ scumpe pentru dotarea

automobilelor de serie şi în mod sigur nu vizează această piaţă deocamdată.

1.8.1 Cercetări anterioare

Fiind un domeniu cu grad ridicat de ambiguitate, controlul electronic al procesului

de mișcare a autovehiculului și implicit al conducerii s-a extins în mai multe direcţii. Una

dintre direcții fiind axată pe strategii de control al vitezei, urmărind reducerea acesteia

atunci când autovehiculul se apropie de un alt vehicul care circulă în faţa sa.

O altă direcţie de studiu este aceea a estimării parametrilor. Pentru a adapta

strategiile de control la vehiculele aflate deja în exploatare, estimarea trebuie aplicată în

domeniul sensibilizării direcției. La controlul alunecării sau patinării roţii este necesară

estimarea vitezei unghiulare a acesteia.

Primele studii cu privire la utilizarea sistemelor GPS în determinarea ţinutei de drum

s-au întreprins către sfârşitul anilor `70 dar, concretizându-se în realizări practice abia la

începutul anilor `90 [48]. Cercetările din lucrarea [10] se consideră a fi printre primele studii

asupra metodologiei şi capabilităţii de măsurare a ţinutei prin GPS, cu aplicaţie la aeronave

şi vehicule spaţiale. Unele sisteme comerciale, ieftine, destinate pentru determinarea ţinutei

de drum cu GPS au fost analizate în lucrările [22, 6]. După cum se observă, cercetările

prioritare în determinarea ţinutei de drum cu GPS nu s-au axat pe dificultăţile datorate

zgomotelor de fază semnificative, induse de propagarea multicale, de alunecarea frecventă

a perioadei şi de vizibilitatea limitată a satelitului, care pot deteriora robusteţea sistemului în

zonele montane.

Fig.1.29 Teste privind numărul sateliţilor vizibili în trafic montan

20

Metoda asistării sistemului inerţial de navigaţie cu măsurători de poziţie, viteză sau

acceleraţie, obţinute prin radiofrecvenţă, a fost folosită timp de câteva decenii. Utilizarea

GPS-ului în aceste scopuri este doar ultima variantă a unei idei mai vechi. Cercetările

teoretice şi practice asupra integrării GPS/INS îşi au originea imediat după apariţia GPS-

ului, iar publicaţiile despre acest subiect sunt prolifice. Unii autori au realizat cercetări

experimentale folosind senzori inerţiali cu preţ de cost redus punând în evidenţă faptul că

senzorii inerţiali din clasa automobile pot fi utilizaţi pentru obținerea unei precizii mai bune

de 1 [22]. Această idee este deasemenea aplicabilă la un automobil, unde traiectoria poate

fi determinată cu un sistem GPS de urmărire a ţinutei de drum sau prin determinarea

abaterii de la traiectoria dată de o singură antenă când automobilul nu se află în viraj.

Faţă de sistemele cu antene multiple [29] s-a implementat un sistem pentru

determinarea ţinutei de drum GPS/INS cuplat liber, demonstrând avantajele acestui cuplaj.

Rezultatele cuplării GPS/INS se regăsesc în [51] şi [36]. Cuplarea slabă a GPS cu un

sistem Trimble TANS Vector pentru controlul automat al unui vehicul terestru este

prezentată în [13]. Cele mai multe studii privind integrarea GPS/INS au fost realizate pentru

aplicaţii particularizate, cu componente specifice. O tratare grosso-modo a acestui subiect a

fost realizată în lucrarea [31], care ia în considerare proiectarea şi metodele de integrare cu

toate tipurile de IMU.

Trebuie de reţinut că la implementarea acestor tehnologiii, militare de altfel, IMU fac

parte din categoria tactică sau de navigaţie şi sunt relativ scumpe pentru aplicaţiile din

domeniul autovehiculelor. Astfel, fezabilitatea implementării unui sistem cu componente

inerţiale din clasa auto nu a fost abordată suficient anterior.

1.9 Obiectivele lucrării

Deoarece buna funcţionare a sistemelor pentru controlul mişcării autoturismului

presupune, ca odată cu identificarea la acest nivel a unei erori, avertizarea ieşirii lor din

funcţiune asigurând conducătorului auto funcţionarea clasică fără reglare electronică. În

aceste condiţii comportamentul dinamic al autoturismului fiind diferit de comportamentul

dinamic al autoturismului cu reglare electronică rezultând situaţii în care autoturismul

realizează derive laterale însemnate ce pot constitui cauza producerii unui eveniment rutier.

Pentru identificarea abaterilor laterale de la traiectorie, este necesară prezentarea

condiţiilor fundamentale pentru construcţia drumurilor, formarea, manifestarea, identificarea

şi izolarea defectelor, programe de autodiagnoză şi nu în ultimul rând sisteme tehnice,

21

lanţuri de măsurare pentru controlul stabilităţii longitudinale respectiv transversale şi

determinarea traiectoriei parcurse de autoturism în diferitele situaţii posibile de circulație.

În lucrare se va încerca, introducerea unui sistem care îmbină urmărirea traiectoriei

cartografiate împreună cu un sistem de izolare a erorilor, într-un regulator automat hibrid.

Apariţia unor erori în funcţionarea comună ABS-ESP la mişcarea autovehiculului pe

traiectorie impusă, necesită realizarea unei bucle de evitare a riscului.

Obiectivul principal al lucrării este axat pe controlul autovehiculului astfel încât să

poată fi determinată traiectoria acestuia în cazul cu şi fără avarii ale senzorului de turaţie a

roţii. Astfel trebuiesc furnizate informaţii în scopul identificării celor mai potrivite teste pentru

punerea în evidenţă a influenţei dispozitivelor mecatronice asupra stabilităţii transversale a

autovehiculului.

Obiectivul principal al cercetării experimentale constă în stabilirea performanţelor

conlucrării sistemelor ABS-ESP şi în mod deosebit posibilitatea de înlăturare a erorilor

generate de conlucrarea sistemelor ABS-ESP care să prezinte un grad sporit de securitate

privind circulaţia pe drumurile publice a autovehiculelor și totodată dezvoltarea unei

metodologii pentru determinarea elementelor geometrice a unui traseu parcurs în urma

analizei uneori serii de măsurători.

Pentru realizarea acestor obiective se vor urmării:

Analiza posibilităților de folosire a unui sistem de navigație inerțial combinat cu

GPS pentru efectuarea de măsurători care să ofere precizie ridicată.

Conceperea unui sistem de navigație integrat pentru determinarea poziției

autovehiculului în plan orizontal, împreună cu un set de algoritmi de filtrare și

extragerea celor mai reprezentative date care să permită reproducerea grafică

a traseului parcurs de autovehicul.

Identificarea și localizarea defectelor la nivelul senzorilor care concură la

stabilitatea longitudinală și transversală a autovehiculului.

Generarea unui set de reziduuri cu caracteristici direcționale specifice care de

altfel să poată fi folosite pentru interpretarea defectelor senzorilor și/sau

elementelor de execuție.

22

CAPITOLUL 2

DETERMINAREA CONFIGURAŢIEI SPAŢIALE A TRAIECTORIEI

2.1 Elemente pentru proiectarea drumului

Proiectarea drumurilor se realizează în trei etape. Prima etapă face referire la

aspecte de orientare spaţială a traseului şi priveşte în principal determinarea capacităţii

drumului, localizarea şi timpul de execuţie a lucrărilor. A doua etapă implică proiectarea,

funcţie de facilităţi, dimensionarea şi nivelul de performanţă necesare. Etapa a treia în

realizarea unui drum constă în optimizarea costurilor. Standardele de proiectare sunt

clasificate, la rândul lor, în două categorii: geometrice şi structurale. Standardele

geometrice au ca scop obţinerea maximului de siguranţă privind viteza de deplasare şi

capacitarea de transport. Parametrii geometrici de proiectare se folosesc atât pentru

construirea de noi drumuri, cât şi pentru reabilitarea sau modificarea celor existente, în

scopul armonizării acestora cu topografia mediului, şi pentru integrarea drumului în

contextul şi nevoile economice ale regiunii.

2.2 Exprimarea parametrilor geometrici

Caracteristicile geometrice de proiectare sunt distanţa de vizibilitate (spaţiu de

oprire), elementele secţiunii longitudinale şi verticale (racordări în plan orizontal,

supraînălţarea, linii de nivel). Elementele fizice care trebuiesc luate în considerare la

proiectarea geometrică sunt:

- raza curbei;

- lungimea şi parametrii curbei;

- punctele de început şi de sfârşit a diferitelor sectoare de drum;

- supra-înălţarea;

- racordarea verticală;

- unghiul curbei.

Aliniamentele şi declivităţile se bazează pe ipoteza că nu există discontinuităţi ale

curburii (inversare bruscă a curbei).

Proiectarea individuală a fiecărui element este influenţată de variabilele de control

precum caracteristicile autovehiculelor, ale traficului şi cele ale conducătorului auto.

23

Standardele mai clasifică drumurile după numărul sensurilor de deplasare (cu un singur

sens sau cu două), forma terenului şi localizare (rurale sau urbane). Specificaţiile de

toleranţă pentru parametrii geometrici sunt date în metri. Deşi geometria drumului este

spațială, elementele orizontale şi verticale ale acestuia sunt tratate separat, iar ulterior

combinate şi optimizate în etapa de implementare.

2.3.1 Aliniamentele

În trecut, cele mai preferate elemente la proiectarea unui drum au fost aliniamentele.

S-a constatat, însă, că sectoarele de drum drepte, de lungime apreciabilă, pentru drumurile

de clasă A conduc la următoarele dezavantaje:

aprecierea eronată a distanţei şi vitezei vehiculelor care circulă din sens opus

cât şi a celor care se apropie din spate;

stânjenirea vizibilității prin orbire;

favorizarea instalării somnului;

dificultatea amplasării drumului în spațiul înconjurător;

atingerea unor viteze de deplasare excesive.

Datorită acestor factori, este recomandat ca în cazul drumurilor de categorie A,

sectoarele de drum în aliniament să aibă lungimi cât mai mici sau să fie înlocuite prin curbe

cu rază mare.

2.3.2 Curbe circulare

Curbele circulare sunt caracterizate prin rază şi supra-înălţare constante. Gradul de

curbură este definit ca unghiul la centru al corzii de 30.48 m:

30.48 180D

R

(2.2)

Elementele caracteristice, necesare proiectării unei curbe circulare, sunt punctul de

intersecţie V al tangentelor, unghiul la centru al curbei , punctele de tangenţă Ti, Te cu

cele două aliniamente racordate de curbă, raza curbei R şi centrul curbei M, figura 2.2.

Caracteristica razei şi în oricare punct al curbei, unghiul la centru permit determinarea

celorlalţi parametri ai curbei. Unghiul dintre aliniamente , se determină prin măsurători

24

directe pe teren şi este suplimentar unghiului la centru al curbei de racordare. Curbele

sunt de tip simplu, compuse şi inverse.

Raza curbei trebuie astfel adaptată încât parcurgerea ei, cu viteza stabilită în etapa

de proiectare, să nu depăşească două secunde, viteza medie de reacţie convenită pentru

conducătorul auto. Raza curbei depinde de condiţiile tehnice ale drumului precum viteza

impusă la proiectare, supra-înălţarea maximă, coeficientul de frecare transversală şi

configuraţia terenului. Raza minimă a curbei se obține cu ajutorul ecuaţiei,

2

127100

vR

ef

(2.3)

în care v reprezintă viteza dată prin proiect [km/h], e – procentul de supra-înălţare [%] iar f

este coeficientul de frecare care variază în mod normal între 0.15 pentru v = 120 km/h şi

0.33 pentru v = 30 km/h.

Elementele ce definesc geometria în plan a unei

curbe simple care leagă două aliniamente sunt redate în

figura 2.2:

P – punct oarecare de pe curbă;

x – lungimea tangentei de la Ti,e la proiecția lui P

y – distanţa dintre punctul P şi tangenta în Ti,e.

De altfel x şi y descriu coordonate locale ale

sistemului rectangular în care originea o reprezintă punctul

de intrare Ti sau ieşire Te al curbei.

Tangenta T, cuprinsă între vârful de unghi V şi punctele de tangenţă ale curbei cu

aliniamentele (Ti - tangenta de intrare şi Te - tangenta de ieşire), se va calcula cu relaţia:

22

tgRctgRT

(2.4)

- bisectoarea B, cuprinsă între vârful de unghi V şi mijlocul curbei M, este:

1

2sec1

2cos

RecRB

(2.5)

- lungimea curbei de racordare L, cuprinsă între punctul de intrare Ti şi ieşire Te

din curbă, a cărei valoare va fi:

o

RL

180

(2.6)

Fig. 2.2 Elementele geometrice

ale unei curbe simple

25

În afara acestor elemente considerate ca fiind principale, menţionate de altfel și în

piesele desenate ale proiectului, se mai deosebesc:

- lungimea corzii:

2sin2

2cos2

RRTT ei

(2.7)

- abscisa mijlocului curbei:

2sin

2cos

RRDTFT ii

(2.8)

- ordonata mijlocului curbei:

2cos1

2sin1

RRMDFM

(2.9)

2.3.3 Curbe de tranziţie

Asupra autovehiculului care se mişcă pe o traiectorie circulară acţionează

suplimentar, faţă de mişcarea rectilinie, forţa centrifugă Fc a cărei mărime este direct

proporţională cu curbura virajului respectiv. Forţa centrifugă ce acţionează asupra unui

vehicul aflat în mişcare pe o traiectorie circulară cu viteză constantă este dată de:

2

c

m vF

R

(2.10)

în care: m – reprezintă masa vehiculului; v – viteza vehiculului; R – raza curbei.

Prin noţiunea de curbură se înţelege inversa razei curbei /1 .

Apariţia bruscă a forţei centrifuge în punctul de intrare în curbă, mai ales în cazul

circulaţiei cu viteze mari, provoacă acceleraţii

transversale considerabile şi induce ocupanţilor

senzaţia de instabilitate. Întrucât aliniamentul este

caracterizat printr-o rază infinită )(R , iar curba de

racordare, arc de cerc, are o rază finită R ,

instabilitatea transversală provocată de forţa centrifugă

este direct dependentă de modificarea traiectoriei în

punctele de tangenţă, figura 2.3.

Fig. 2.3 Modificarea traiectoriei de la o curbă cu rază infinită la o curbă cu raza

finită

26

Pentru prevenirea instabilităţii este necesar ca forţa centrifugă să crească sau să

descrească treptat, la intrarea respectiv ieşirea din curba de racordare, ceea ce poate fi

realizat numai printr-o variaţie progresivă a curburii de la 0 la /1 .

2.4 Determinarea traiectoriei autovehiculului cu GPS

2.4.1. Măsurarea diferenţei de fază a purtătoarei

În receptorul GPS, mărimea fazei purtătoarei se obţine din PLL. Pentru obiectivele

acestui capitol, se presupune că PLL-ul de pe fiecare canal urmăreşte faza şi frecvenţa

semnalului purtător. Cu alte cuvinte, una dintre componentele PLL-ului, şi anume oscilatorul

controlat numeric NCO (Numerically Cntrolled Ocillator), generează o replică precis

sincronizată a semnalului purtător de la un anumit satelit, semnal translat la frecvenţă mai

joasă în blocul convertor. Frecvenţa acestei replici este reglată de PLL pentru a ajusta

frecvenţa Doppler şi deriva ceasului local. NCO poate astfel furniza în orice moment o

măsură a fazei semnalului purtător translat la frecvenţă mai joasă, exprimat ca o fracţiune

dintr-o perioadă. Cât timp purtătoarea este continuu urmărită, folosind măsurătorile fazei

purtătoarei se poate genera valoarea integrală a fazei purtătoarei, numită faza integrală a

purtătoarei – FIP. Această mărime constă din valoarea fracţiunii de fază, dată de PLL, plus

un număr întreg de perioade care s-au scurs de la iniţializare. Ţinând seama de aceste

componente, valoarea FIP poate fi scrisă sub forma:

tmtt AkAk

fAk 2

, (2.55)

unde tAk - valoarea integrală a lui

FIP pentru antena A şi satelitul k;

tAkf

- valoarea fracţionară a fazei

pentru antena A şi satelitul k;

tmAk - numărul total de perioade de la

iniţializare pentru antena A şi satelitul k.

Deoarece frecvenţa intermediară (IF)

este constantă, valoarea FIP furnizată de

receptor nu include de obicei numărul de

Fig. 2.12 Valoarea integrală a fazei purtătoarei (FIP)

27

perioade datorate componentei IF a purtătoarei translate. Cu această simplificare, o

schimbare în numărul întreg de perioade poate fi atribuită numai deplasării relative a celor

două corpuri, satelit şi receptor (frecvenţa Doppler) şi derivei ceasului local sau a ceasului

de pe satelit. Pentru a observa modificarea valorii FIP, figura 2.12, ilustrează grosso-modo,

unidimensional, modul în care deplasarea relativă dintre satelit și receptor poate fi

măsurată cu FIP.

Valoarea FIP poate fi scrisă şi în funcţie de mărimile fizice care o influenţează [5]:

12

2 ,

Ak

Ak Ak Ak

L A k A

Ak Ak

d tt f T t I t t t t t p t

c

n t t

(2.56)

unde td Ak reprezintă distanţa între antena A şi satelitul k

tT Ak - întârzierea troposferică a fazei între antena A şi satelitul k;

tI Ak - întârzierea ionosferică a fazei între antena A şi satelitul k;

tnAk - ambiguitatea întreagă pentru antena A şi satelitul k;

ttA - eroarea de ceas a receptorului A;

ttk - eroarea de ceas a satelitului k;

tpA - întârzierea pe linia de propagare pentru antena A şi satelitul k;

tAk - zgomotul de fază pentru antena A la urmărirea satelitului k.

2.5 Determinarea traiectoriei cu GPS/INS

În această secţiune vor fi expuse detaliile determinării traiectoriei cu GPS folosind

semnalele unui singur satelit. Acest procedeu abordat în [18], se referă la estimarea

unghiului Euler bazată pe o măsurătoare a diferenţei de fază a purtătoarei, dFIP, la

extremităţile unei linii de bază, pe un singur canal. Metoda determinării traiectoriei cu un

singur satelit GPS se utilizează în zonele unde vizibilitatea mai multor sateliţi este

împiedicată dar semnalele propagate multicale sunt puternice, iar soluţia multi-satelit este

imposibil tehnic de realizat.

28

Realizarea mai multor măsurători dă posibilitatea estimării ţinutei de navigare cu un

singur satelit prin combinarea într-o medie ponderată, formând astfel o estimare compusă.

În acest caz, măsurătorile dFIP nu sunt dependente unele de altele rezultând estimări

robuste, dar mai puţin precise faţă de metoda multi-satelit.

Pentru a beneficia de avantajele celor două metode la determinarea ţinutei de

navigare a autovehiculelor, acestea se vor combina.

Metoda utilizării datelor de la un singur satelit extinde performanţa de calcul a

virajului la un sistem pentru determinarea ţinutei de drum în ansamblu cu GPS. Unghiul de

giraţie este cel mai important unghi de orientare a vehiculului pentru controlul poziţiei în

plan transversal şi pentru navigaţia cu senzori inerţiali INS. Deşi cunoaşterea mişcării de

ruliu şi tangaj este de asemenea importantă pentru navigaţia inerţială, aceste unghiuri sunt

adesea mai puţin ambigue decât giraţia şi pot fi măsurate cu inclinometre, dacă vehiculul

are o mişcare uniformă, sau accelerometre combinate cu măsurarea vitezei prin GPS.

Deoarece un singur canal permite numai măsurarea unei singure necunoscute, metoda

determinării traiectoriei cu un singur satelit trebuie să compenseze valorile unuia dintre

unghiurile de orientare a liniei de bază, prezentate în figura 2.14. Dacă se admite o valoare

mică pentru unghiul de ruliu al autovehiculului, atunci un tangaj zero pentru linia de bază

este o supoziţie rezonabilă în determinarea giraţiei cu un singur satelit. Evident, având o

estimare a ruliului liniei de bază, se poate obţine o măsurătoare mai precisă, a giraţiei, cu

un singur satelit.

Dacă este disponibilă o estimare a giraţiei, atunci măsurarea dFIP poate fi folosită

pentru calculul estimării ruliului liniei de bază folosind un singur satelit.

2.5.2 Expresia ruliului folosind un singur satelit

Secţiunea precedentă concluziona cu o discuţie despre îmbunătăţirea preciziei

estimării giraţiei prin utilizarea unor estimări externe pentru unghiul de ruliu al liniei de bază.

A fost deasemenea menţionat că aceste estimări ar putea fi obţinute de la un sistem INS

cuplat, care va include giroscoape pentru măsurarea vitezei de giraţie şi de ruliu. Când se

folosesc giroscoape din clasa auto, sincronizarea cu măsurătorile GPS ale ţinutei de

navigare trebuie realizată cât mai des posibil, deoarece zgomotul total al giroscoapelor are

ca efect o derivă aleatorie degradând estimările traiectoriei până la câteva grade pe minut.

Din acest motiv, pentru a maximiza disponibilitatea măsurătorilor ruliului cu GPS în

29

perioade de vizibilitate slabă a sateliţilor, este avantajoasă performanţa determinării ruliului

cu un singur satelit.

Unghiul de ruliu al liniei de bază raportat la un singur satelit poate fi exprimat din

ecuaţia (2.122) prin rearanjarea termenilor, presupunând unghiuri de ruliu mici şi

considerând unghiul de bracare de valoare dată. Pentru estimarea ruliului liniei de bază cu

un singur satelit se obţine următoarea expresie:

tCL

tpntttCtCLt

kz

AB

ABABkABkABk

extky

kx

ABABk

ˆˆˆsinˆ

22

. (2.125)

Această relaţie evidenţiază una dintre proprietăţile diluţiei de precizie pentru ruliul

liniei de bază, măsurat cu un singur satelit, şi anume punctul caracteristic al sateliţilor cu

elevaţie zero Ckz = 0, confirmând faptul că sateliţii cu elevaţie înaltă sunt cei mai indicaţi

pentru măsurarea ruliului. O altă caracteristică importantă constă în faptul că şi mărimea

giraţiei afectează precizia estimării ruliului cu un singur satelit. Relaţia de legătură dintre

perturbaţiile măsurătorilor şi perturbaţiile unghiurilor de orientare a liniei de bază (2.123)

poate fi rearanjată pentru a evidenţia precizia estimării ruliului faţă de măsurătorile dFIP şi

faţă de estimările externe ale giraţiei:

2.5.3 Determinarea ţinutei de drum cu un singur satelit

Exprimarea ţinutei de drum cu un singur satelit necesită o strategie diferită pentru

căutarea întregului. Diferenţa esenţială este că în acest caz, căutarea întregului trebuie

realizată fără a lua în considerare măsurătorile de pe alte canale, care pot fi viciate cu

zgomot de fază. Această condiţie elimină lungimea liniei de bază şi măsurătorile reziduale

combinate din testele de eroare a întregului, astfel că, pentru rezolvarea ambiguităţii întregi

este necesară posibilitatea estimării din exterior a poziţiei liniei de bază. Estimarea din

exterior este susţinută şi de faptul că resturile sunt totdeauna zero dacă au fost stabilite cu

procedeu iterativ uni-satelit pentru domeniul unghiurilor de giraţie posibile, în mod analog

se rezolvă şi abordarea multi-satelit. Fără procedeul de test rezidual, nu se poate defini o

funcţie cost care să diferenţieze valorile corecte de cele incorecte ale întregilor. Drept

urmare, determinarea ambiguităţii întregi cu un singur satelit depinde de sistemul tehnic

pentru estimarea externă a traiectoriei ceea ce validează ca fiind avantajoasă prezenţa în

sisteme a unui INS cuplat sau a unei referinţe externe de ţinută.

30

CAPITOLUL 3

ANALIZA PERFORMANŢEI

3.1 Criterii de performanţă

În general algoritmii pentru controlul unui autovehicul au la bază un model

cinematic. Avantajul modelului cinematic, constă în faptul că nu este dependent de unghiul

la volan sau de viteza de deplasare a autovehiculului, deoarece acestea sunt controlate de

canale distincte.

După cum se va arăta, presupunerea că traiectoria poate fi controlată fără a lua în

considerare viteza de deplasare a autovehiculului, este adevărată, dar reciproca nu. Viteza

de deplasare a unui autovehicul cu puntea faţă directoare şi tracţiune pe spate, depinde

foarte mult de sistemul de direcţie. Ca urmare, pentru a controla traiectoria şi implicit

stabilitatea transversală a autovehiculului, trebuie cunoscută dinamica acestuia, cât şi

modul de funcţionare al senzorilor respectiv al elementelor de execuţie ce intervin la

controlul vitezei şi al direcţiei.

3.2 Precizia determinării traiectoriei

În această secţiune se va analiza precizia teoretică maximă a sistemului GPS/INS

utilizat la determinarea traiectoriei.

Mărimea dFIP se obţine din diferenţa a două măsurători necorelate care au

componentele de zgomot echivalente. Dacă se foloseşte un oscilator de referinţă comun şi

făcând diferenţa între valorile fazei purtătoarei la cele două antene se anulează majoritatea

erorilor de fază provenite de la satelit şi de la ceasul local, atâta timp cât ele sunt urmărite

de PLL-uri. Utilizarea sintetizatoarelor de frecvenţă diferite în cele două etaje de intrare RF,

pot forma zgomote semnificative în măsurătorile dFIP ce sunt atribuite instabilităţii ceasului.

Această situaţie va fi aplicată şi sistemului propus de către autor în prezenta teză. Astfel,

varianţa măsurătorilor lui dFIP între două antene poate fi exprimată ca dublul expresiei din

(3.2) prin contorizarea aportului celor două variabile aleatoare, plus un termen care ţine

seama de utilizarea la intrare în RF a două sintetizatoare de frecvenţă diferite.

31

Pentru a crea o corespondenţă între

erorile de măsurare şi erorile de

traiectorie, problema trebuie

simplificată prin reducerea la

coordonate rectangulare. Se poate

observa că perturbaţia din măsurarea

diferenţei de distanţă, este echivalentă

unei erori în măsurătoarea lui dFIP iar

prin combinarea acestei ecuaţii cu

ecuaţia (3.1), obţinem o expresie

pentru acoperirea performanţelor liniei

de bază AB:

2

2

1

2varvar rad

LAB

LABkAB

(3.3)

în care

22

00 2

11

/

2var rad

NSTNS

B

clkkav

k

nABk

(3.4)

unde L1 este lungimea de undă a purtătoarei L1 (L1 = 19 cm) iar 2clk reprezintă

termenul aditiv care ţine seama de cele două sintetizatoare diferite. Figura 3.1 prezintă

variaţia erorii medii pătratice (rms) a traiectoriei în funcţie de lăţimea de bandă a PLL-ului,

pentru diferite lungimi ale liniei de bază respectiv valori ale raportului semnal-zgomot.

Intervalul de mediere/predetecţie este impus la 1 ms (minimul pentru un PLL bazat pe

lungimea codului PRN). Mărimea 2clk este de 0.02 rad2, şi reprezintă estimarea tipică

pentru dublul valorii zgomotului de fază specificat în [54] la proiectarea unui PLL de ordinul

doi bazat numai pe caracteristicile oscilatorului local.

3.3 Modelul matematic

Această secțiune va trata modelul matematic folosit pentru autovehiculul supus

încercărilor experimentale. Modelarea matematică, realizată pentru descrierea traiectoriei

autovehiculului supus încercărilor experimentale este împărţită în două secţiuni principale:

cinematică şi dinamică. Modelele prezentate, arată pe ce se bazează controlerul descris în

lucrare.

Fig. 3.1 Limitele de performanţă pentru precizia traiectoriei

32

Primul pas este acela de a crea un

model cinematic în condiţii neolonice.

Aceste condiţii au la bază ipoteza că roata

rulează fără alunecare.

Autovehiculul supus încercărilor

experimentale este cu direcţie şi tracţiune

pe faţă. Pentru unghiuri de bracare mici,

autoturismul poate fi modelat cu ajutorul

modelului jumătate de autovehicul (bicicletă), după cum se observă în figura 3.2.

Se notează (x, y) poziţia centrului de masă Cg, fiind traiectoria autovehiculului

faţă de axă X, şi unghiul de bracare al roţii. În această situaţie se notează cu (x1, y1)

poziţia punţii din spate şi cu (x2, y2) poziţia punţii din faţă. Astfel:

1 cosx X b

1 siny Y b

1 sinx X b

1cosy Y b

2 cosx X a

2 siny Y a

2 sinx X a

2cosy Y a

Scriind condiţiile neolonice pentru fiecare roată rezultă:

0cossin 11

yx

(3.5)

2 2sin cos 0x y

(3.6)

După înlocuire (x1, y1) şi (x2, yx) în ecuaţiile (3.5) şi (3.6), apare:

. . .

sin( ) cos( ) 0X Y b

(3.7)

. . .

sin( ) cos( ) cos( ) 0X Y a

(3.8)

Definim axa x ca fiind axa longitudinală a vehiculului şi axa y normala la axa x,

figura 3.2, obţinem.

.

.

cos( ) sin( )

sin( ) cos( )

x y

x y

x v v

y v v

În care vx şi vy sunt vitezele centrului de masă după axa x şi y. Substituind acele

definiţii în ecuaţiile (3.7) şi (3.8), rezultă:

Fig. 3.2 Coordonatele generale pentru autovehicul

33

.

yv b

(3.9)

xvL

tan

(3.10)

Astfel, derivatele ecuaţiilor neolonice sunt:

bv...

(3.11)

2)(cos

tan

L

vv

L

xx

(3.12)

Următoarele ecuaţii cinematice sunt determinate pentru mişcarea autovehiculului

fără alunecare transversală la roată:

- deplasare longitudinală

cosxX V (3.13)

- deplasare transversală

sinxY V (3.14)

- mişcare de derivă (alunecare transversală)

L

Vx tan

(3.15)

Ecuaţiile sunt în coordonatele sistemului global X, Y şi figura 3.2. Vx este viteza

de deplasare, iar L este ampatamentul.

3.4.2 Odometria

Odometria presupune măsurarea deplasărilor roţilor cu ajutorul senzorilor de

poziţie/rotație aferenți acestora şi implicit, prin cunoaşterea spaţiilor parcurse şi a direcţiilor

pe care acestea rulează, se poate stabilii poziţia şi traiectoria în raport cu punctul iniţial de

plecare. Este o metodă de măsurare relativă, afectată de erori sistematice şi aleatorii, dar

oferă informaţii utile, de aceea trebuie combinată cu alte metode absolute.

Odometria diferenţială extrapolează incrementele de mişcare prin diferenţiere,

putându-se ulterior estima poziţia şi direcţia. Odometria diferenţială poate fi posibilă doar

prin folosirea unei perechi de module codificatoare dispuse perpendicular pe direcţia de

deplasare a autovehiculului. Se disting două tipuri de odometrie diferenţială şi anume

34

mişcarea sincronă atunci când toate roţile pot fi antrenate sau bracate, respectiv mişcare

diferenţială, soluţie la care numai roţile punţii faţă sau spate pot fi antrenate sau bracate.

3.5 Funcţionarea reţelei de senzori ABS

Calibrarea senzorilor de turaţie ai ABS constă în determinarea parametrilor

necesari pentru a reda distanţele parcurse pornind de la un punct cunoscut. Poziţia

absolută a autovehiculului poate fi obţinută prin integrare discretă funcţie de timp a

deplasării roţii, procedură numită odometrie diferenţială. Activitatea de calibrare se

realizează geometric, parcurgând un traseu cu lungime predefinită, sau numeric cu ajutorul

unor senzori redundanţi şi a unui filtru Kalman. Calibrarea numerică se aplică distinct

fiecărui senzor, rezultând patru factori de conversie, iar pentru experimente şi calcule se

foloseşte incrementul mediu al distanţei parcurse de roata stânga spate.

Incrementul de distanţă parcurs de fiecare roată va fi:

2ss

cv R

PSp r

i P

2dd

cv R

PSp r

i P

(3.25)

în care sSp şi dSp

reprezintă incrementele de distanţă parcurse de roţile stânga

şi dreapta, sP şi dP

sunt diferenţele de impulsuri de la roţile respective pe intervalul de

timp, icv raportul de transmisie din cutia de viteze. Dacă se presupune că raza roţii, raportul

de transmitere din cutia de viteze şi numărul de impulsuri la o rotaţie sunt constante pe

parcursul unui set de măsurători, ecuaţia (3.25) poate fi rescrisă pentru fiecare roată după

cum urmează:

s s s

d d d

Sp P S

Sp P S

(3.26)

unde S reprezintă factorul de conversie pentru distanţă al fiecărui senzor de la roţi.

Distanţa parcursă, de autovehicul la momentul i, este dată de:

1ˆ ˆ ˆ

i i iSp Sp Sp e

(3.27)

în care ˆ

iSp reprezintă incrementul de distanţă ce conţine zgomotul aleatoriu ei

după o distribuţie normală. Din (3.26) şi (3.27) rezultă:

35

, , 1 , , ,

, , 1 , , ,

ˆ ˆ

ˆ ˆ

s i s i s i s i s i

d i d i d i d i d i

Sp Sp P S e

Sp Sp P S e

(3.28)

După dezvoltarea ecuaţiilor obţinem, pentru fiecare roată, următoarele distanţe

parcurse de acestea la momentul i:

, , 1 , , ,ˆ ˆ

ss i ss i ss i ss i ss iSp Sp P S e

, , 1 , , ,ˆ ˆ

sd i sd i sd i sd i sd iSp Sp P S e

, , 1 , , ,ˆ ˆ

fs i fs i fs i fs i fs iSp Sp P S e

, , 1 , , ,ˆ ˆ

fd i fd i fd i fd i fd iSp Sp P S e

(3.29)

Ecuaţia (3.29) poate fi scrisă sub formă matriceală

,

,

,

,1

ˆˆ 0 0 01 0 0 0ˆˆ 0 0 00 1 0 0

ˆ 0 0 0ˆ 0 0 1 0

0 0 0 1 0 0 0ˆ ˆ

RLss ss dss ss

RRsd dsd sd sd

FLfs fs fs dfs

FRfd fd fd difdi i

Sp ed P S

eSp P Sd

P S eSpd

P S ed Sp

(3.30)

Ceea ce reprezintă modelul liniar al factorilor de conversie Sss, Ssd, Sfs, Sfd.

Presupunând că factorii de scală sunt constanţi pe parcursul unei probe, datorită variaţiei

reduse în timp, sistemul poate fi rezolvat cu ajutorul procesului Gauss-Markov de ordinul

unu, scris sub formă matriceală:

,

,

,

,1

1 0 0 0

0 1 0 0

0 0 1 0

0 0 0 1

ss sss ss

sd ssd sd

fs fs fs s

fd fd fd si i

eS S

eS S

S S e

S S e

(3.31)

Combinând (3.30) şi (3.31), rezultă modelul liniar dezvoltat, de forma

iii eBxAx 1 , adică

ˆ ˆ1 0 0 0 0 0 0

ˆ ˆ0 1 0 0 0 0 0

ˆ ˆ0 0 1 0 0 0 0

ˆ ˆ0 0 0 1 0 0 0

0 0 0 0 1 0 0 0

0 0 0 0 0 1 0 0

0 0 0 0 0 0 1 0

0 0 0 0 0 0 0 1

ss ssss

sd sdsd

fsfs fs

fdfd fd

ss ss

sd sd

fs fs

fd fdi

Sp SpP

Sp SpP

PSp Sp

PSp Sp

S S

S S

S S

S S

,

,

,

,

,

,

,

,1

1 0 0 0 0 0 0 0

0 1 0 0 0 0 0 0

0 0 1 0 0 0 0 0

0 0 0 1 0 0 0 0

0 0 0 0 1 0 0 0

0 0 0 0 0 1 0 0

0 0 0 0 0 0 1 0

0 0 0 0 0 0 0 1

ss d

sd d

fs d

fd d

ss s

sd s

fs s

fd si

e

e

e

e

e

e

e

e

(3.32)

36

3.7 Programul de simulare

Programul pentru simularea determinării traiectoriei este realizat în MatLabTM

.

Pentru rularea programului au fost scrise două fişiere cu date privind iniţializarea simulării.

Primul fişier numit constante.m, conţine constantele caracteristice autovehiculului precum

masa acestuia, ampatamentul, numărul de senzori şi constantele pentru ABS şi calea de

rulare. În acest fişier se poate modifica, după caz, viteza de deplasare. Al doilea fişier

traiect.m, conţine datele traseului pe care autovehiculul trebuie să se deplaseze,

poziţionează autovehiculul pe acest traseu şi permite alegerea tipului de regulator automat

dorit a fi implementat.

Pentru generarea traiectoriei fişierul traiect.m apelează subrutina F_path.m, din

pachetul Matlab care poate rula orice funcţie continuă,

invariabilă în timp.

Aceste fişiere derivă din funcţia originală de generare

a traiectoriei, care este presupusă rectilinie pe anumite

segmente iar pe altele circulară. Traiectoria fiind definită în

sistemul original de coordonate (x, y) este o funcţie de forma y

= f(x), iar în cadrul simulărilor, aceasta este descrisă de

funcţia 3y x, figura 3.8.

Programul principal, model.m rulează ecuaţiile de

control şi bucla simulării dinamice pentru parcurgerea

întregului traseu propus.

Calculul derivei, prima etapă a simulării va determina deriva. Folosind informaţiile

de la senzorii de turaţie ai roţilor rezultă deriva relativă ca expresie a traiectoriei p , prin

abaterea relativă d, de la traiectoria impusă.

cos01 Lxx

sin01 Lyy

(3.101)

Calcularea abaterii instantanee, din datele poziţiei autovehiculului 0 0(x ,y ) şi

direcţia de deplasare , coordonatele punţii din faţă sunt:

Cunoscând poziţia centrului punţii faţă respectiv spate, se poate calcula deriva

laterală de la traiectorie.

Fig. 3.8 Traiectoria urmată de vehicul

37

Din figura 3.9 se observă că putem defini

panta segmentului OX’ ca tan( )

. Deoarece vectorii

senzorului sunt poziţionaţi perpendicular pe OX’

panta segmentului OY’ este tan( )

2

, ca urmare

panta şi punctul de pe OY’ sunt cunoscute, ecuaţia

poate fi scrisă sub forma:

mxymxy 11 … (3.102)

Considerând membrul drept din (3.102) ca

fiind traiectoria vehiculului, se poate determina punctul de coordonate 2 2(x ,y ). Ţinând

seama că funcţia traiectoriei a fost generalizată, acest punct este localizat cu ajutorul

bibliotecilor Matlab. Având punctele 1 1(x ,y ) şi 2 2(x ,y )

deriva laterală este calculată ca

vector rezultant, adică:

221

2

21 yyxxe f (3.103)

Semnul erorii depinde de ce parte a traiectoriei se află autovehiculul. Dacă

traiectoria este pe partea dreaptă a vehiculului, eroarea este considerată pozitivă. Aceiaşi

metodă este adevărată pentru determinarea derivei punţii spate es, translatând OY’ în

raport cu 0 0(x ,y ).

Prezentarea erorii discrete, erorile ef şi es, reprezintă distanţele dintre centrul punţii

şi axul drumului. După cum s-a arătat, modelarea are ca scop reproducerea cât mai reală a

deplasării autovehiculului. Poziţia pe carosabil a autovehiculului este controlată de o reţea

de senzori.

De exemplu, dacă automobilul este poziţionat uşor spre stânga, faţă de centrul

traiectoriei impuse (axul drumului), senzorul citeşte:

111001111111

unde zero indică poziţia autovehiculului pe carosabil. Se reţine că deriva de la

traiectoria dorită este reprezentată în format digital, fapt realizat cu ajutorul subrutinei

traduct.m astfel:

array = ones(s,1);

Fig. 3.9. Interpretarea grafică a derivei vehiculului

38

for k =0.5*s: 0.5*s-1

if (d > = k*space) & (d <= (k+1)*space)

array(s/2–k ) = 0;

end

end

În această funcţie, s este numărul de senzori, d este eroarea (ef sau es de mai sus)

şi space reprezintă spaţiul măsurat de senzor. Astfel, deriva este transpusă în distanţă

prin:

error = 0;

num = 0;

val = (s+1)/2;

for k = 1:s

if array(k) == 0

num = num + 1;

error = error + (val–k)*space;

end

end

= 0

error = error/num;

else

error = T_N/2*sign(p);

end

T_N se referă la mărimea reţelei de senzori şi p se referă la eroarea precedentă.

Comanda if de la finalul programului a fost introdusă pentru cazul în care autovehiculul nu

se regăseşte pe carosabil. În această situaţie, se presupune că autovehiculul prezintă

eroarea maximă de poziţionare iar traiectoria descrisă de acesta nu coincide cu cea dorită.

Direcţia de deplasare relativă, cunoscând abaterea laterală a punţii faţă şi spate,

poate fi determinat unghiul direcţiei de deplasare p în raport cu direcţia drumului. Pentru a

realiza acest lucru, în algoritm se presupune că direcţia drumului este rectilinie rezultând:

1 f bp

e etan ( )

l

Pentru rularea programului de simulare, se vor folosi derivele discretizate şi nu cele

momentane.

39

3.8 Algoritmul filtrării Kalman

Filtrul Kalman este, în esenţă, un algoritm recursiv care implementează un

estimator tip predictor-corector. Predictorul se bazează pe un model al sistemului iar

corectorul pe un model al măsurătorilor. Este un filtru optimal, în sensul că minimizează

covarianţa erorii estimate. Este un estimator recursiv, deoarece, pentru a calcula estimarea

stării curente sunt necesare numai estimarea stării din pasul anterior de timp, adică din

starea precedentă, şi măsurătorile curente. Se presupune că vectorul de stare al sistemului

Xk evoluează de la momentul k la k+1, după ecuaţia de stare:

kkkk WXX 1 (3.113)

unde k este matricea de tranziţie a stării, iar Wk zgomotul procesului. Starea

sistemului este observată prin intermediul măsurătorilor Z. Ecuaţia de observaţie leagă

vectorul măsurătorilor Zk de vectorul de stare Xk prin

kkkk VXHZ (3.114)

în care Hk este matricea de observaţie (de măsurare) şi Vk zgomotul de măsurare.

Se presupune că Wk şi Vk sunt secvenţe de zgomot alb şi deasemenea Xk, Wk, şi Vk sunt

vectori necorelaţi mutual.

Filtrul Kalman optimal corespunzător este dat de algoritmul recursiv din

figura 3.10. Vectorul Xk/j indică estimarea optimală a lui X la momentul tk, bazat pe

măsurătorile până la tj. Pk/j este matricea de estimare optimală corespunzătoare erorii când

filtru implementat se potriveşte sistemului real.

Fig. 3.10 Diagrama algoritmului recursiv pentru filtrarea Kalman

40

Astfel fiind date ecuaţia de stare, ecuaţia de observaţie şi caracteristicile statice ale

perturbaţiilor şi zgomotului de măsurare, se poate obţine cea mai bună estimare a

vectorului de stare în urma măsurătorilor efectuate.

Pentru a reduce diferenţa dintre valoarea estimată şi cea măsurată, se însumează

eroarea estimată cu vectorul estimat ponderat prin câştigul filtrului Kalman. Dacă

măsurătorile sunt afectate de zgomot, câştigul filtrului Kalman va fi redus, fără obţinerea

unei corecţii semnificative a estimării. Dacă însă eroarea estimată este obţinută din

măsurători de precizie, câştigul filtrului Kalman este însemnat şi implicit corecţia estimării.

Secvenţa de reînnoire joacă un rol important în algoritmul de filtrare Kalman, cu

precădere în algoritmul adaptiv, fiind considerată indicatorul erorii de estimare.

În aceste condiţii precizia estimării cu ajutorul algoritmului de filtrare Kalman

depinde de fidelitatea modelării sistemului şi de nivelul zgomotului. O modelare imprecisă a

sistemului sau a zgomotului reduce performanţele filtrului Kalman, ca urmare soluţia constă

în utilizarea unui algoritm pentru filtrarea Kalman adaptivă.

Astfel, rezultă două situaţii tipice, independente de starea de cunoaştere a

zgomotului de măsurare ori a zgomotului procesului, adică R necunoscută sau R şi Q

necunoscute.

3.8.3 Integrarea strânsă a subsistemului INS

Aşa cum s-a menţionat, două din caracteristicile specifice acestui model

experimental sunt folosirea simultană a algoritmilor de poziţie multisatelit şi unisatelit într-un

singur subsistem GPS şi integrarea strânsă cu un subsistem inerţial INS.

Fig. 3.12 Fluxul de informaţii între subsistemele modelului experimental pentru determinarea traiectoriei cu GPS/INS

41

Figura 3.12 prezintă schimbul de informaţii între subsistemele GPS și INS. Schema

de principiu prezentată în figură constituie modelul de referinţă pentru funcţionarea selecţiei

ieşirilor din modulele independente ale subsistemului GPS iar filtrarea asigură fuziunea

acestor subsisteme cu cele ale INS.

3.8.5 Monitorizarea integrităţii în filtrul principal GPS/INS

Ultimul nivel pe care se poate face monitorizarea integrităţii este în filtrul principal

GPS/INS şi foloseşte o metodă identică cu cea de la filtrele dFIP. Deoarece presupunerea

unghiurilor mici de înclinaţie asigură cele trei grade de libertate pentru viraje, fiecare unghi

Euler poate fi verificat separat pentru diferenţe mari între măsurătoarea GPS şi starea

prezisă. Acest tip de testare a erorii se bazează pe stabilitatea modulului INS, pe termen

scurt, pentru a identifica erorile accidentale în diagnoza sub sistemului ABS, erori care ar

putea trece nedetectate în sistemul ESP. Valoarea de reînnoire a filtrului primar GPS/INS

este descrisă de ecuaţia (3.147) ca mărimea vectorială din interiorul parantezelor.

Componentele sale sunt:

.ˆ

;ˆ

;ˆ

0,

0,

0,

iiGPSrin

iiGPSrin

iiGPSrin

t

t

t

(3.149)

Aceste valori scalare pot fi apreciate independent pentru a testa dacă o

măsurătoare GPS este utilizată în reactualizarea stării corespunzătoare. Pentru dinamica

unui autovehicul este acceptabilă o mărime de cel mult 5 a reînnoirii unei stări, valorile mai

mari sunt ignorate şi înlocuite cu valori calculate convenţional. Dar, pentru a ajunge la erori

de peste 5, este necesar ca pierderea de semnal GPS să fie de ordinul minutelor, stare

mai puţin probabilă a fi întâlnită la deplasarea autovehiculelor în afara localităţilor.

Ultimul set de verificări garantează că estimarea stării derivei giroscopului rămâne

relativ constantă. Acest test se bazează pe compararea unei derive a estimării de stare cu

valoarea ei medie, care este relativ independentă de zgomotul de bandă largă şi de

ignorarea estimărilor care depăşesc pragul prestabilit.

Mai trebuie remarcat că verificarea reziduurilor reactualizării stării şi operaţiile de

reset sunt independente pentru fiecare grad de libertate.

42

CAPITOLUL 4

MODELUL EXPERIMENTAL AL SISTEMULUI PENTRU

DETERMINAREA TRAIECTORIEI CU GPS/INS

Capitolul se focalizează pe prezentarea componentelor hardware şi software care

permit realizarea sistemului, insistând în partea a doua pe detaliile integrării GPS/INS.

Expunerea începe cu o evaluare a configuraţiilor de linii de bază adecvate pentru

autovehicule şi continuă cu detalii despre selecţia unor componente cu preţ de cost redus,

incluzând receptoarele GPS, senzorii inerţiali şi hardware-ul calculatorului. Costul a fost un

criteriu important pentru selecţia hardware-ului, deoarece s-a dorit ca acest sistem să fie

reprezentativ pentru astfel de echipamente. O secţiune din software acoperă structurile de

date de nivel inferior care trebuie implementate pentru a manevra datele preluate post-

achiziţie prin portul serial de la receptorul GPS şi datele preluate aproape în timp real de la

senzorii inerţiali. Manevrarea adecvată a acestor informaţii ca date de intrare pentru

aplicaţia discutată, este o funcţie cheie care permite folosirea sincronă a datelor de la GPS

şi de la senzorii inerţiali în filtrele GPS/INS.

În rezolvarea problemelor tehnice propuse putem identifica două metode: una

teoretică şi una experimentală. Aceste probleme reclamă aplicarea ambelor metode,

relativa diferenţă dintre ele depinzând de natura problemei. Problemele ce apar la

frontierele cunoaşterii necesită foarte des studii experimentale intense, atât timp cât teorii

adecvate nu sunt încă disponibile. Astfel, teoria şi experimentul coexistă într-un mod

complementar, iar cercetătorul care acceptă acest fapt va fi mult mai eficient în rezolvarea

problemelor, decât cel ce neglijează cele două abordări în ansamblul lor.

4.1.3 Traductoare inerţiale

Traductoarele inerţiale măsoară deplasările unghiulare şi liniare fără a le raporta la

un observator extern şi sunt folosite în cadrul sistemelor de navigaţie oferind informaţii de

referinţă în orientarea autovehiculului.

De obicei denumirea de traductoare inerţiale se referă la giroscoape, pentru

măsurarea mărimilor unghiulare, şi accelerometre pentru măsurarea forţei specifice

(gravitaţia plus acceleraţia corpului). O astfel de unitate de măsurare inerţială IMU completă

43

conţine câte trei dispozitive din fiecare, giroscoape şi accelerometre, pentru a permite

măsurarea după trei axe unghiuri şi acceleraţii.

4.1.3.1 Girometrele

Girometrele măsoară unghiuri şi evoluţia acestora, exprimate în grade (º) respectiv

grad/sec (º/s) sau grad/oră (º/h) raportat la o singură axă. Giroscoapele pot fi împărţite în

mai multe grupe, în raport cu principiul de funcţionare, cum ar fi giroscoape cu masă

rotitoare, optice sau cu vibraţii.

Giroscoapele mecanice funcţionează pe baza rotaţiei cu viteză ridicată a unei mase,

în jurul unei axe ce se poate mişca liberă. Acestea se bazează pe principiul conservării

momentului unghiular şi prezintă următoarele caracteristici:

menţine un moment unghiular constant într-un spaţiu inerţial atât timp cât

giroscopului nu i se aplică un moment din exterior;

modifica direcţia axei senzitive într-un mod bine definit atunci când se aplică din

exterior un moment controlat;

momentul proporţional, cu modificarea rezultată în momentul unghiular al

giroscopului, se va introduce atunci când ansamblul giroscopic îşi modifică

poziţia.

Deşi girometrele cu masă rotitoare s-au dovedit a fi capabile să atingă performanţe

ridicate prin tehnologii complicate, lagăre cu frecare foarte mică, costurile legate de

elementele necesare pentru susţinerea masei rotitoare, a făcut ca folosirea lor în sistemele

de navigare să fie limitată.

Giroscoape optice, sunt de două tipuri: cu inel laser şi cel cu fibră optică. La

giroscopul cu inel laser RLG - Ring Laser Gyros, reflexia razei laser se realizează prin

oglinzi normale, în timp ce la fibra optică FOG - Fibre Optic Gyros, transmiterea şi reflexia

se realizează prin fibră optică. Sensibilitatea la mişcarea de rotaţie a giroscoapelor optice

se bazează pe efectul Sagnac. RLG măsoară modificarea lungimii L funcţie de viteza

unghiulară , raza fasciculului circular laser r şi de viteza luminii c, conform:

24 rL

c

(4.3)

Pe de altă parte, FOG măsoară diferenţa de fază pentru o singură rotaţie, care

creşte direct proporţional cu numărul de rotații într-un con de fibre optice, conform:

44

4 n l r

c

(4.4)

unde reprezintă diferenţa de fază, n – constantă, l – lungimea de undă.

Girometrele cu fibră optică prezintă avantajul faptului că nu conţin elemente în mişcare, şi

faţă de RLG, ele sunt mai simple, cu grad de fiabilitate ridicat, preţ de cost scăzut şi nu au

nevoie de oglinzi. Dintre dezavantaje se poate menţiona faptul că sursa principală de

zgomot este dată de interferenţa dintre lungimea de undă a semnalului şi re-difuzia în

rezonator. Acest fenomen provoacă fluctuaţii la ieşirea semnalului sau o neliniaritate a

acestuia la mişcare unghiulară redusă. Din acest punct de vedere RLG este independent

de sursa de zgomot. În general giroscoapele optice, comparativ cu cele mecanice nu sunt

influenţate de acceleraţia liniară.

Giroscoapele şi accelerometrele folosite într-un INS sunt clasificate în patru

categorii, funcţie de stabilitatea lor pe termen lung: navigaţie, tactică, auto şi larg consum.

Stabilitatea pe termen lung a senzorilor inerţiali poate fi apreciată folosind varianţa

Allan a informaţiei furnizate de dispozitiv. Varianţa Allan este definită ca varianţa unui

număr de secvenţe de aceeaşi lungime de date mediate. Constanta de timp specifică

lungimea secvenţelor de date mediate şi numărul de secvenţe folosite pentru a calcula

varianţa, de la cel puţin două până la numărul de date dintr-o secvenţă completă. Varianţa

Allan este o metodă des utilizată pentru caracterizarea proceselor aleatoare deoarece,

pentru un semnal, stabilitatea pe termen lung şi zgomotul de bandă largă pot fi determinate

dintr-un grafic al varianţei funcţie de .

Diferitele clase de senzori inerţiali sunt caracterizate succint în tabelul 4.3, care

include valorile varianţei Allan 2vA pentru constanta de timp specificată, zgomotul şi preţul.

Aceste detalii au fost obţinute din [31] şi [30], unde este realizată o analiză mai detaliată a

varianţei Allan şi stabilitatea diferitelor tipuri de senzori inerţiali.

Tabelul 4.3 Caracteristicile diferitelor clase de senzori inerţiali

Calitatea senzorului

Giroscoape Accelerometre

Stabilitate

Zgomot (grd/s) Cost/axă (€)

Stabilitate

Zgomot (g) Cost/axă (€) vA vA

(s) (grd/oră) (s) (g)

Navigaţie 3600 0.003 0.0001 6000 3600 2.5E-05 5E-06 5000

Tactică 100 0.35 0.0017 500 60 0.00005 0.0005 500

Auto 100 180 0.05 50 100 0.012 0.01 50

Larg consum 100 360 0.05 25 100 0.024 0.01 3

45

Automobilele moderne sunt de obicei echipate cu senzori inerţiali ieftini, din clasa

auto, folosiţi în diferite subsisteme de control şi siguranţă activă. Aceşti senzori nu prezintă

stabilitate pe termen lung, necesară navigaţiei cu estimarea poziţiei prin calcule simple, şi

de aceea nu sunt utilizaţi în mod independent în acest scop. Totuşi, conectaţi cu GPS,

senzorii din clasa auto sunt utilizaţi în sisteme de navigaţie, deoarece deriva acestora poate

fi corectată ori de câte ori GPS-ul este activ, iar pentru perioadele scurte (de ordinul

secundelor) de blocare a semnalului GPS, deriva poate fi considerată constantă. Având în

vedere diferenţa semnificativă de cost între senzorii auto şi cei tactici sau de navigaţie,

combinaţia GPS cu senzori inerţiali auto este mult mai practică pentru încercări

experimentale în domeniul autovehiculelor decât sistemele de navigaţie inerţială de înaltă

clasă.

4.1.3.2 Senzori inerţiali MEMS

O tehnologie relativ modernă ce revoluţionează construcţia şi performanţa senzorilor

inerţiali o constituie sistemele micro-electro-mecanice MEMS - Micro Electro Mechanical

System, concepute ca un rezonator acţionat electronic şi construit într-un singur corp de

cuarţ (senzori cu cuarţ) sau siliciu. Senzorii MEMS prezintă avantajele unei construcţii

simple cu dimensiuni şi greutate reduse, consum mic de energie şi fiabilitate ridicată, cost

redus de producţie.

Mecanismele fizice ce stau la baza funcţionării senzorilor MEMS sunt

piezorezistenţa, electromagnetismul, piezoelectricitatea, optica, bariera de potenţial şi

capacitatea.

Giroscoape MEMS Toate aceste tipuri de senzori folosesc efectul Coriolis asupra

unui rezonator pentru a determina unghiul de rotaţie. Aceste tipuri de giroscoape se împart

în patru categorii:

Giroscoape cu reglare bifurcată: constau dintr-o pereche de mase care sunt

antrenate să oscileze cu amplitudine egală dar în direcţii opuse.

Giroscoape cu roţi oscilante (vibratorii) constau dintr-o roată antrenată să vibreze în

jurul axei sale de simetrie şi execută în acelaşi timp şi o mişcare de rotaţie rezultând o

înclinare longitudinală (balansare).

Ultimele două categorii sunt giroscoape cu sferă rezonatoare sau cele cu pendul

Foucault.

46

Avantajele acestor categorii de giroscoape sunt date de protecţia mărită la şocuri

mecanice, domeniul larg al temperaturilor de lucru (-40 +85 ºC), erori reduse (în jurul a 1º/h)

şi fiabilitate ridicată. Aceste tipuri de senzori se folosesc cu precădere pentru navigare

maritimă, stabilizarea autovehiculelor, a camerelor de luat vederi, realitate virtuală sau

robotică.

Accelerometrele MEMS au avantaje identice cu giroscoapele MEMS, date de

circuitele integrate, de robusteţe, preţ de cost redus, dimensiuni reduse şi fiabilitate ridicată.

Singurul dezavantaj atât pentru accelerometre cât şi pentru giroscoape, constă în faptul că

realizează nivele de rezoluţie caracteristice senzorilor inerţiali, fiind determinate erori

sistematice de 100 g şi erori de factor de scală de 100 ppm.

Senzori MEMS optici, poartă şi denumirea de sisteme micro-optice-mecatronice

MOEMS - Micro Optical Electromechanical Systems, combină tehnologia de comutaţie

optică, folosită în comunicaţiile de date, cu mecatronica, realizând astfel un domeniu

distinct de utilizare a dispozitivelor MOEMS.

4.2 Unităţi de măsurare inerţiale IMU

Unitatea inerţială de măsurare IMU este compusă dintr-un accelerometru, giroscop,

magnetometru şi un montaj electronic cu microprocesor pentru condiţionarea semnalului şi

circuit de digitizare, figura 4.3. Cei trei senzori sunt astfel montaţi încât axele lor de

măsurare să constituie sisteme ortogonale distincte pentru fiecare dintre ele, rezultând şase

grade de libertate. IMU, prin datele măsurate, oferă informaţii, referitoare la mobilul pe care

este montat, precum acceleraţii, rotaţii şi orientări. Ca urmare aceste informaţii, trebuiesc

prelucrate matematic şi transformate în format util pentru analizele ulterioare cu privire la

poziţie sau comportament dinamic.

În timp ce un sistem de navigaţie complet IMU

conține accelerometre şi giroscoape, un sistem integrat

pentru determinarea traiectoriei este compus numai din

giroscoape deoarece subsistemul GPS poate furniza

măsurători ale traiectoriei pentru trei axe. Dacă viteza

este măsurată de GPS, accelerometrele pot furniza

informaţii despre ruliu şi tangaj către filtrul de navigaţie.

Accelerometrele fac parte din blocul IMU şi ieşirile lor

sunt memorate pentru post-procesarea datelor de navigaţie.

Fig. 4.3 Senzor inerţial Xsens

47

Giroscop

Viteza de girare maximă max în jurul axei de rotaţie (axa z) 100/s

Rezoluţia minimă 0,2/s

Sensibilitatea 18 mV//s

Variaţia sensibilităţii 5

Offset-ul vitezei de virare 2/s

Răspuns dinamic 30 Hz

Zgomot electric (măsurat într-o lăţime de bandă de 100 Hz) 5 mVrms

Radical din varianţa Allan vA = 36 grd/oră, la

Radical din varianţa Allan vA = 2x10-4

g, la

Accelerometru

Acceleraţia maximă 5 g

Sensibilitatea 1000 mV/g

Variaţia sensibilităţii 5

Offset 0 g

Răspuns dinamic 30 Hz

Zgomot electric (măsurat într-o lăţime de bandă de 100 Hz) 5 mVrms

Tabelul 4.4 Specificaţii tehnice pentru senzorul Xsens

Senzorii inerţiali utilizaţi la încercările experimentale sunt de tipul Xsens. Cele mai

importante caracteristici ale acestor senzori sunt redate în tabelul 4.4. Dispozitivele MEMS -

Micro Electro Mechanical System, constau dintr-un accelerometru, giroscop şi

magnetometru încapsulate într-o unitate solidă, uşor ataşabilă construcţiei supuse testelor.

4.2.1 Sistemul Xsens

Este o unitate de măsură inerţială,

cu nouă grade de libertate, dezvoltat de

Xsens, divizia inerţială a concernului BEI

Technologies, figura 4.4. Constă din trei

senzori pentru determinarea rotației

respectiv poziţionării unghiulare pe bază

de cuarţ 11 de tip QRS11 (girometre,

magnetometre) şi trei servo

accelerometre liniare de tip QFA pe bază

de cuarţ, montate în mod corespunzător unele faţă de altele într-un sistem ierarhizat,

Fig. 4.4 Traductor Xsens

48

măsoară acceleraţii de până la ±5g. Parametrii tehnici ai sistemului sunt prezentaţi în

tabelul 4.4. Xsens este conceput pentru industria automobilistică, aerospaţială, marină,

militară şi sesizează acceleraţii liniare şi deplasări unghiulare.

Unitatea de măsură inerţială are incorporat un sistem intern de reglare a tensiunii de

alimentare electronică de condiţionare a semnalului senzorului de temperatură şi

dimensiunile fizice de 40 x 30 x 30 mm. Semnalele de ieşire ale unităţii inerţiale de măsură

sunt sensibile la tensiune, de aceea s-a introdus un alimentator de curent continuu de ±15

V. Giroscoapele sunt capabile să măsoare viteze unghiulare de până la 1200 º/s.

Parametru Canale de

unghi Canale de

accelerometre

Intervalul standard ±200 º/sec 5g Tensiunea de alimentare ±15 V cc ±10%

Variaţia erorii sistematice funcţie de temperatură (peste 22 ºC deviaţia este maximă)

≤1 º/sec peste 22 ºC

≤100 g

Eroarea sistematică ≤2 º/sec ≤1000 g

Zgomot de ieşire ≤0.01 º/sec/

Hz ≤7.0 mV

Tabelul 4.5 Specificaţiile senzorului Xsens

4.3 Sisteme de navigaţie inerţiale INS

Navigarea reprezintă poziţia şi comportamentul dinamic al unui mobil exprimate ca

funcţie de timp. Activitatea sistemului de navigare constă în combinarea informaţiilor de la

diferiţi senzori în scopul obţinerii celor mai bune estimări ale parametrilor nemăsuraţi direct

şi implicit detectarea defectării senzorilor sau eventualelor zgomote. În aplicaţiile terestre,

acest lucru este posibil datorită performanţelor sistemelor GPS de a determina poziţia.

Fig. 4.5 Ansamblul INS format din trei senzori inerţiali montaţi pentru a măsura tridimensional ţinuta de navigare şi acceleraţia

Tangaj Ruliu Girație

Ac

cel

ero

me

tre

49

Un sistem de navigaţie inerţial INS cuprinde una sau mai multe unități inerţiale de

măsurare IMU, alţi senzori, o platformă pe care sunt montaţi, un mecanism de stabilizare şi

un program informatic (soft) pentru a realiza calculele necesare. Astfel sunt folosite ecuaţii

diferenţiale pentru convertirea semnalelor măsurate în estimări ale poziţiei respectiv

comportamentului dinamic pornind de la o stare iniţială cunoscută. Figura 4.5 prezintă

componenţa unui INS pentru estimarea poziţiei şi comportamentului dinamic al unui

autovehicul. Datele măsurate de accelerometre şi giroscoape sunt integrate funcţie de timp

pentru a determina giraţia şi viteza automobilului. În prealabil datele sunt filtrate cu ajutorul

unui filtru Kalman şi corectate pentru obţinerea celor mai bune estimări ale stărilor. Sistemul

INS mai conţine un detector şi un integrator electronic care sesizează acceleraţia, ce

urmează a fi integrată pentru determinarea vitezei vehiculului, iar după o nouă integrare

spațiul parcurs.

4.5. Configuraţia aparaturii sistemului de măsură

Acest sistem combină datele măsurate de senzorii INS cu cele ale GPS, rezultând

un produs pentru scopuri geomatice, sistemul conţinând algoritmi complicaţi şi tehnici de

procesare a semnalelor. Sistemul propus este dezvoltat pentru georeferinţă directă a

senzorilor montaţi pe autoturism, realizând corecţii geometrice şi codificări ale datelor

terestre, fiind conceput pentru soluţii de poziţionare şi orientare terestră a vehiculelor,

respectiv pentru calculul măsurătorilor geometrice a traiectoriei în lipsa unui observator

terestru, şi supraveghere.

Instalaţia de măsură are la bază un sistem complex ce combină datele INS cu cele

de la GPS, după cum se observă în figura 4.7. Sistemul oferă avantajul soluţiei de

Fig. 4.7 Componenţa POS LV

50

poziţionare cu număr redus de sateliţi vizibili, scade timpii de achiziţie şi îmbunătăţeşte

precizia de localizare şi direcţionare. Printre elementele care compun sistemul se regăsesc

dispozitive de măsură a distanţei, un IMU Xsenz şi două receptoare GPS Garmin.

IMU de tip Xsens MTI, este un sistem cu nouă grade de libertate alcătuit din trei

accelerometre, trei giroscoape, trei magnetometre şi un convertor analog/digital

figura 4.4. Receptorul GPS de tip Garmin măsoară viteza, poziţia, distanţa parcursă şi

furnizează PPS pentru scopuri de sincronizare figura 4.8.

Postprocesarea datelor cu ajutorul

unui calculator de putere şi conexiunea cu

subsistemele integrate permite obținerea

informaţiilor despre acceleraţii, viteze şi

devieri unghiulare, direcţionare,

performanţa senzorilor sistemului de

control şi nu în ultimul rând poziţia

geografică (latitudine, longitudine,

altitudine). Procesul de estimare şi control

se realizează folosind un filtru Kalman.

4.5.3 Interfaţa software

Această secţiune prezintă aspectele importante ale soft-ului legate de interfaţarea

echipamentelor hard cu utilizatorul. Ierarhia software este un prim aspect tratat şi specifică

arhitectura de ansamblu a aplicaţiei de sistem pentru ţinuta de drum. Analiza include

subdivizarea în funcţii, care este realizată astfel încât să poată fi uşor de obținut un cod

exportabil spre alte sisteme ce utilizează un alt hardware şi altă interfaţă utilizator.

Secţiunea despre interfaţa software cu GPS-ul detaliază utilizarea unor structuri speciale de

date folosite pentru a primi şi adapta informațiile GPS de la buffere seriale diferite şi datele

inerţiale de la ADC. Obiectivul software-ului de interfaţă cu portul serial constă în

asigurarea unui mediu de stocare şi sincronizare a datelor GPS care sunt citite de la porturi

seriale diferite, permiţând totodată, în cazul întârzierilor datorate întreruperilor sistemului de

operare, acumularea datelor în buffere seriale. Software-ul pentru interfaţa cu IMU asigură

ca datele măsurate de aceasta să fie corect reprezentate pentru estimarea în timp real a

traiectoriei şi memorate până ce vor fi folosite de filtrul GPS/INS. Secţiunea de interfaţă cu

utilizatorul conţine o scurtă descriere a interfeţei grafice folosite în modelul experimental.

Fig. 4.8 Platformă girometrică

51

4.6 Amplasarea traductoarelor pe autoturismul de încercat

Pentru încercări experimentale s-a ales un autoturism din clasa medie. Senzorii

instalaţiei de măsurare au fost montaţi în următoarea soluţie:

- T1 - unghi de bracare roată - 2 buc.

- T2 - pentru măsurarea acceleraţiilor longitudinale şi T7 transversale ale caroseriei

1 buc.

- T3 - Xsens - 1 buc.

- T4 - IMU - 1 buc.

- T5 - unghi volan - 1 buc.

- T6 - Antene GPS - 3 buc.

a b

Fig. 4.20 Amplasarea senzorilor pe autoturism: a - vedere laterală, b - vedere frontală

În figura 4.20 a şi b se prezintă poziţiile de amplasare a senzorilor pe autoturism.

Fig. 4.16 Schema bloc funcţională a unui receptor GPS

52

4.6.1 Amplasarea liniilor de bază

Dispunerea liniilor de bază pe automobil este primul parametru al sistemului care

trebuie luat în considerare. Lungimile liniilor de bază trebuie alese astfel încât să asigure o

bună precizie pentru aplicaţiile de control al autovehiculului şi să permită sistemului

funcţionarea cu suficientă robusteţe (cu probabilitate mică de obţinere a unor întregi

eronaţi).

Constrângerile de instalare a antenelor GPS pe autovehicul pot fi deasemenea un

criteriu de proiectare în configuraţia liniei de bază. Locaţia cea mai potrivită pentru

amplasarea antenelor GPS pe un autovehicul este pavilionul acestuia. Lăţimea tipică a unui

autovehicul este 1.1 – 1.4 m iar lungimea acoperişului este de obicei peste 1.6 m, ceea ce

asigură o suprafaţă suficientă de montare pentru un ansamblu cu trei linii de bază şi

lungimea de 0.5 m.

O altă condiție ce trebuie îndeplinită la plasarea liniilor de bază se referă la diluţia de

precizie a traiectoriei cu un singur satelit. În figura 4.21 sunt prezentate câteva configuraţii

de linii de bază posibile pentru implementat. Cele două configuraţii în triunghi echilateral,

a b

c d

Fig. 4.21 Configuraţii de linii de bază cu trei antene pentru autovehicule

53

figura 4.21 a şi b, sunt echivalente cât şi cele două configuraţii în triunghi dreptunghic,

figura 4.21 c şi d, sunt echivalente. Simetria unei configuraţii în triunghi echilateral poate

face ca anumite aspecte din software să fie mai uşor de implementat, dar configuraţiile în

triunghi dreptunghic vor asigura o precizie ceva mai bună la măsurarea tangajului şi a

ruliului. Datorită construcţiei şi a necesităţii unui montaj simplu şi sigur, se propune pentru

modelul experimental la determinarea traiectoriei autovehiculului, configuraţia din figura

4.21 a cu linii de bază având lungimea de 50 cm.

4.7.5 Sensibilitatea şi erorile senzorilor de turaţie

Senzorii pentru determinarea turaţiei pot fi clasificaţi în două categorii: pasivi sau

activi. Senzorii activi folosesc principiul Hall, convertind mișcarea de rotaţie a roţii în

semnale electrice, acest tip de senzori funcţionând şi la turaţii mici.

Fig. 4.24 Senzor de turaţie pasiv

Pe de altă parte, senzorii pasivi folosesc principiul reluctanţei variabile, în care un

sector danturat al senzorului trece printr-un câmp magnetic cu o viteză suficientă pentru a

genera o undă analogică de joasă tensiune. Figura 4.24 prezintă un senzor de turaţie pasiv,

în care se pot observa conectorul 1 ieșirii semnalului analogic şi proeminenţele (dantura)

senzorului 2 care reflectă rotaţia.

Dacă turaţia roţii se află sub turația limită, senzorii nu generează semnale suficient

de puternice pentru a fi prelucrate de către unitatea electronică de comandă ABS, situație

în care procesorul este programat să ignore aceste semnale. Soft-ul de estimare este astfel

conceput să poată identifica viteza limită.

2 1

54

O altă sursă de erori este dată de calitatea semnalului la trecerea proeminenței

senzorului prin câmpul magnetic sau abaterile de formă a inelului danturat. Cu cât profilul

proeminenţei este mai evident cu atât este mai mare şi rezoluţia.

Semnalele măsurătorilor generate de senzori conţin zgomot ce depinde direct de

locul în care sunt montaţi senzorii.

4.8 Etalonarea şi sincronizarea aparaturii

Precizia procesului de sincronizare a aparaturii de măsurare depinde de viteza şi de

frecvenţa de lucru. O soluţie alternativă constă în determinarea unei viteze optime de

deplasare a autovehiculului în timpul încercărilor experimentale. Sincronizarea între

elemente componente ale sistemului de măsurare se realizează în două etape:

sincronizarea senzorilor ABS cu măsurătorile sistemului Garmin 18x pentru o frecvenţă de

10 Hz şi sincronizarea sistemului Xsens cu sistemul Garmin 18x pentru frecvenţe de 100

Hz.

În vederea realizării unor

măsurări corecte, traductoarelor

trebuiesc însoţite de curba de

etalonare ori de coeficientul de

sensibilitate, determinate în

procesul de fabricare a acestora.

De asemenea, este necesară

verificarea, şi la nevoie corectarea

datelor privind etalonarea, periodic

sau ori de câte ori intervin

incidente la depozitare, transport,

măsurare, situații de

suprasolicitare, expunere la temperaturi ridicate, umiditate excesivă.

4.8.4 Sincronizarea Xsens şi Garmin 18x

Xsens are în componenţă un convertor analog/digital de tip ATM10 16x. Semnalul

analog măsurat de cei şase senzori inerţiali este conectat la canalele de conversie

analog/digital A/D. Atunci când IMU conlucrează cu un GPS sau cu orice alt senzor

Fig. 4.31 Captură de ecran a programului Xsens

55

procesorul de conversie lansează şi recepţionează semnale de interconectare şi de

sincronizare. După cum se vede în figura 4.17 convertorul A/D poate primi opt semnale

diferite în domeniul ±10 V şi cu o frecvenţă maximă de lucru de 100 kHz iar semnalele

individuale vor fi amplificate cu un factor de amplificare. Achiziţia datelor se realizează pe

două nivele şi anume în prima fază, mărimea analogică de ieşire este digitizată cu ajutorul

convertorului A/D conectat la calculator. Apoi variabila digitizată este citită şi scrisă pentru

stocare cu ajutorul programului de achiziţie şi analiză Xsenz, conceput în C++, şi care

lucrează sub mediul WINDOWS. Figura 4.31 prezintă ecranul programului Xsenz care este

folosit la stocarea datelor în timp real şi pentru post procesare.

Programul Xsens generează trei fişiere. Primul, denumit în general de utilizator la

pornirea programului, înregistrează timpul, viteza unghiulară pe direcţia x, y şi z,

acceleraţiile pe cele trei axe de coordonate şi poziția, toate în format binar. O secţiune a

fişierului, după conversia în format ASCII cu virgulă flotantă, este prezentată în mod tabelar

în tabelul 4.9, unde timpul începe mereu la 0.0100 secunde. Al doilea fişier generat în

acelaşi format ASCII se numeşte TIMPOn.OUT, care înregistrează timpul în microsecunde,

odată cu acţionarea butonului de start. Ultimul fişier, cu date eveniment-eronat, al Xsens

conţine timpii impulsurilor generate pentru echipamentul extern, GPS Garmin. Timpul TPC

înregistrat de Xsens în acest fişier este comparat cu datele eveniment înregistrate de

Garmin 18x TGPS de fiecare dată când un puls transmis de Xsens soft este recepţionat

generând un sistem liniar descris de ecuaţia (4.11), ce poate fi rezolvat folosind metoda

celor mai mici patrate.

2

0 1 2GPS PC PC PCT T a a T a T (4.11)

4.9 Analiza efectelor erorilor asupra traiectoriei autovehiculelor 4.9.1 Analiza erorilor aleatorii ale senzorilor Pornind de la caracteristicile erorilor aleatorii, acestea sunt simulate şi introduse apoi

în poziţiile caracteristice ale traiectoriei autovehiculului. Astfel se va analiza influenţa

acestui tip de erori asupra calculelor pentru determinarea elementelor geometrice ale

traseului parcurs. Analiza şi cercetările sunt desfăşurate separat pentru incremente de

distanţă. Erorile simulate pe o anumită distanţă se presupun a fi identice cu erorile aleatorii

ale sistemului ABS pe aceeaşi distanţă şi respectiv erorile generate prin integrarea

accelerometrelor. Erorile simulate ale poziţionării autovehiculului sunt identice cu cele ale

56

devierii giroscoapelor. Se vor analiza, în general, erorile pentru distanţa parcursă dar în

special abaterea laterală a autovehiculului de la traiectoria dorită.

4.10.4 Cerinţe impuse încercărilor

Obiectivitatea, cerinţa ca încercările să fie obiective decurge de la sine, dacă se

are în vedere importanţa definitivării unei soluţii constructive optime sau a cunoaşterii reale

a caracteristicilor şi stării tehnice a unui automobil aflat în exploatare, fără idei

preconcepute şi/sau considerate subiective.

Corectitudinea, nu sunt greu de imaginat consecinţele grave pe care le poate avea

luarea unor decizii de acceptare în fabricaţie şi/sau admiterea în circulaţia pe drumurile

publice a unor autoturisme, ca urmare a rezultatelor unor încercări incorecte. Obţinerea

corectitudinii încercărilor este strâns legată de obiectivitatea desfăşurării acestora.

Repetabilitatea, presupune asigurarea acelor condiţii de încercare, care să permită

ca la un automobil dat, cu o anumită stare tehnică, rezultatele unor încercări repetate şi/sau

efectuate în condiţii similare să nu difere semnificativ, iar aprecierile corespunzătoare să

rămână invariante.

Rapiditatea de efectuare, importanţa obţinerii rapide a rezultatelor unei încercări a

fost deja menţionată, aceasta este uneori atât de presantă, încât riscă să devină un scop în

sine şi să compromită esenţial încercările.

Economicitatea, încercările constituie evident activităţii neproductive, direct

consumatoare de timp, combustibil, materiale, forţă de muncă, iar costul acestora se va

reflecta asupra costului cercetărilor.

La dezvoltarea modelelor, pentru determinarea capacităţii de răspuns a unui sistem

tehnic, sunt luate în considerare o varietate mare de măsurători. Capacitatea

autovehiculului de a realiza o anumită deplasare, accelerare, viteză şi/sau alunecare

laterală ca răspuns la mișcarea sinuoasă, sunt doar câteva din numeroasele criterii pentru

încercări experimental.

57

CAPITOLUL 5

SINTEZA DETERMINĂRII TRAIECTORIEI PE MODELELE

ANALITICE ALE SOLUȚIEI PROPUSE

Locul pentru probele de încercări experimentale a fost astfel ales încât să fie acoperit

sub aria de influenţă a minim cinci sateliţi pe toată lungimea traseului. Pentru măsurarea şi

înregistrarea datelor, testul de parcurs prezentat în figura 5.1 s-a realizat pe DN (E) 13 de

la km 300 + 400m la km 301 + 200 m, poligon Tărlungeni şi platforma parcajului din Poiana

Braşov. Traseul de parcurs efectiv are o lungime de opt sute metri. Echipamentul a fost

testat timp de 20 de minute la frecvenţe de 100 Hz, 10 Hz şi 1 Hz prin sistemul Xsens, ABS

şi GPS Garmin 18x. Datele înregistrate de unitatea inerţială de măsură IMU Xsens sunt

procesate cu ajutorul soft-ului propriu, care permite combinarea acestora cu soluţia

diferenţierilor de fază a poziţiilor GPS.

5.1 Analiza filtrării datelor obţinute prin simulare

Filtrul Kalman este folosit pe scară largă la schemele algoritmilor de control al

traiectoriei GPS/INS.

În valorile acceleraţiilor obţinute prin simulare s-a introdus eroarea sistematică

B = ±0.02 m/s2 şi eroarea factorului de scală de 3.5%. Pentru probele 01n devierea

standard a zgomotului aleatoriu pe spaţiul unui increment rezultat de la senzorii de turaţie

( 0.0185m ) este menţinută constant, în timp ce devierile standard ale zgomotului

aleatoriu din cadrul măsurătorilor simulate ale accelerometrelor sunt de 20.025 m s în

proba 011 și 20.0025m s în proba 012, conform tabelului 1 din anexa 6. Folosind o

dispersie a vectorului iniţial de stări de 0.8 m/s pentru viteză şi de 8.8 m pentru distanţă,

eroarea sistematică estimată a accelerometrului şi eroarea factorului de scală sunt

prezentate în figurile 5.3. Devierea standard a vitezelor estimate şi a incrementelor de

distanţă sunt de 20.01m s şi 0.002m pentru toate probele 01n.

58

a b

c d

Fig. 5.3 Efectele simulării zgomotului la nivelul senzorilor de turaţie şi accelerometrului

a b

c d

Fig. 5.4 Efectele zgomotului simulat al accelerometrului şi al senzorilor de turaţie

a b

59

c d

Fig. 5.5 Efectele zgomotului simulat al accelerometrului şi al ABS în condiţia de viteză limită (proba 011)

Pentru probele 02n, devierea standard generată de zgomotul aleatoriu din

măsurătorile accelerometrului este menţinută constantă 20.025m s , în timp ce

devierile standard pentru distribuţia normală a zgomotului aleatoriu simulat la nivelul

măsurătorilor senzorilor de turaţie sunt adoptate 0.0m în proba 021, cu

0.000185m proba 022 conform tabelului 2 anexa 6.

a b

c d

Fig. 5.6 Efectele zgomotului simulat al accelerometrului şi al ABS în condiţia de viteză limită (proba 021) În mod asemănător, folosind dispersia vectorului iniţial de stări de 0.8 m/s pentru

viteză şi de 8.8 m pentru distanţă, erorile sistematice estimate şi erorile factorului de scală

sunt prezentate în figurile 5.4. Se observă că devierea standard a vitezelor estimate creşte

odată cu creşterea zgomotului senzorului de turaţie ABS al roţii de la 0.00054m s în

proba 021, la 0.00057m s în proba 022.

60

Cunoscând caracteristicile zgomotului aleatoriu, informaţia poate fi incorporată în

modelul filtrului Kalman.

5.2 Date reale

Evoluţia spaţiului şi a vitezei, determinate la o frecvenţă de 100 Hz, pentru o durată

de un minut pe traseul de încercare este prezentată în figurile 5.8 şi 5.9 Pentru prelucrarea

şi reprezentarea grafică a datelor s-au utilizat următoarele utilitare informatice: MatLab,

NextView, Xsens –Soft (MTx), PC DaqAnalyzer.

Figura 5.10 prezintă acceleraţiile longitudinale măsurate de Xsens, semnal

neprelucrat.

5.3 Estimarea traiectoriei autovehiculului

Fig. 5.8 Distanţele cumulate măsurate de Xsens

Fig. 5.9 Viteza măsurată de Garmin 18x GPS

Fig. 5.10 Acceleraţiile măsurate de Xsens pe parcursul încercărilor experimentale

61

Integrarea vitezelor unghiulare de giraţie, măsurate cu ajutorul GPS Garmin 18x,

prezintă erori destul de mari, de până la ± 0.25 º/s, comparativ cu traiectoria reală a

vehiculului măsurată cu grupul girometric al sistemului Xsens. Pentru corecţia semnalelor

se va considera estimarea erorii sistematice ca media măsurătorilor a două giroscoape

atunci când autovehiculul este în repaus, respectiv corecţia influenţei unghiului de tangaj

asupra măsurătorilor efectuate cu sistemul Garmin 18x GPS. Abaterea de la traiectorie,

rezultată ca urmare a măsurării cu Xsens, s-a redus foarte mult, la ±3º, după cum se

observă în figurile 5.13 şi 5.14. Unghiul de girație şi ruliu sunt parametrii importanţi în

estimarea traiectoriei autovehiculului atunci când se folosesc sistemele de măsură cu

girometre.

Fig. 5.13 Orientarea corectată şi cea necorectată (ca urmare a folosirii Garmin 18x şi a unui modul

giroscopic Xsens)

Fig. 5.14 Eroarea de orientare în urma corecţiei giroscopului

Utilizarea unui singur giroscop pentru măsurarea traiectoriei după axa longitudinală a

autovehiculului necesită corectarea erorilor, datorate modificărilor unghiulare ale

acceleraţiei gravitaţionale, cu ajutorul senzorului de înclinare longitudinală încorporat în

modulul Xsens.

a b

Fig. 5.15 Poziţia şi erorile de poziţie (distanţe rezultate din ABS iar poziţia din Garmin 18x GPS)

62

Traiectoria estimată şi incrementul de distanţă obţinute prin integrarea semnalelor

provenite de la senzorii ABS şi accelerometre, contribuie la determinarea poziţiei

autovehiculului. Identificarea erorilor de poziţie a autovehiculului se realizează prin

combinarea semnalelor traiectoriei reale măsurate de sistemul Garmin 18x GPS, cu

incrementul de distanţă estimat, figura 5.15. Deriva maximă de poziţionare este de

aproximativ 0.9 m, atât în plan longitudinal pe direcţia x cât şi în plan transversal pe y, ceea

ce reprezintă o eroare de poziţionare de 0.13% pe întreaga lungime de 700 m a sectorului

de drum destinat încercării experimentale de parcurs.

Incrementele de distanţă reale, măsurate de Garmin 18x GPS, combinate cu datele

traiectoriei măsurate de Xsens generează poziţia autovehiculului. Caracteristica şi erorile

de poziţie sunt prezentate în figura 5.16, unde eroare este de 24 m pe direcţia x şi de 12 m

pe direcţia y.

a b

Fig. 5.16 Poziţia determinată şi erorile de poziţie (orientarea autovehiculului este dată de giroscop Xsens şi distanţa de Garmin 18x GPS)

5.3.1 Rezultate experimentale şi analiza lor

Pentru a cuantifica performanţele de urmărire a algoritmilor propuşi s-au desfăşurat

teste cu receptorul ataşat pe

autoturismul supus încercărilor

experimentale. Semnalele

achiziţionate timp de 70

secunde în condiţii de deplasare

cu dinamică ridicată, au fost

memorate iar pe baza lor s-au

realizat două categorii de

analize: o simulare de prelucrare

Fig. 5.20 Traiectoria simulată a autovehiculului

63

în timp real şi o postprocesare. Pentru evidenţierea performanţelor asigurate de algoritmii

propuşi, sunt prezentate comparativ şi rezultatele obţinute cu bucla Costas clasică.

Testele s-au desfășurat la viteze de deplasare cuprinse între 35-130 km/h cu variaţii

puternice de dinamică în timpul virajelor strâns efectuate. Traiectoria autovehiculului este

prezentată în figura 5.20.

5.4 Folosirea unui senzor redundant comercial

Fig. 5.32 Semnalul unui senzor cu rezoluţie scăzută şi acelaşi semnal filtrat

Fig. 5.33 Semnalul prelucrat al unui senzor cu rezoluţie scăzută faţă de semnalul original

Figura 5.32 prezintă modalitatea de curăţare a semnalului viciat cu zgomot cu

ajutorul unui filtru de tip trece jos. Întârzierea de fază, observată în figura 5.32, conduce la

ideea că semnalul senzorului din sistemul autovehiculului şi cel al senzorului redundant pot

diferii semnificativ, ceea ce va conduce la afectarea în sens negativ a algoritmului de

identificare a defecţiunilor.

Fig. 5.34 Semnalul prelucrat al unui senzor cu rezoluţie scăzută faţă de semnalul estimat de

observator

Fig. 5.35 Semnalul viciat cu zgomot şi cel filtrat cu filtru trece jos

64

În general, filtrul lucrează forate bine atunci când viteza vehiculului se modifică lent.

Figura 5.33 prezintă răspunsul prin diferenţiere numerică a semnalului senzorului cu

rezoluţie scăzută.

Calitatea slabă a semnalului înseamnă că viteza măsurată a vehiculului este cu

zgomot. În figura 5.34 se prezintă estimarea răspunsului obţinut prin filtrarea cu filtrul

Kalman, care se demonstrează a fi foarte bună. Se observă performanţa excelentă în

domeniul tranzitoriu. Acest lucru se întâmplă în potriva amplificării reduse, deoarece

modificările în răspuns sunt determinate în primul rând de variaţia vitezei măsurată direct

cu senzorul redundant. Acesta din urmă curăţă semnalul viciat fără a afecta întârzierea de

fază.

Filtrul Kalman nu prezintă rezultate satisfăcătoare atunci când autovehiculul îşi

modifică viteza mai repede. Figura 5.35 prezintă efectele filtrului trece jos care filtrează

semnalul senzorului cu rezoluţie scăzută. În acest caz semnalul este mult mai clar dar are

şi o întârziere de fază destul de importantă.

5.5 Analiza efectelor erorilor asupra traiectoriei autovehiculelor

5.5.1 Simularea traseului în plan orizontal

Traseul stabilit pentru desfășurarea

testelor de încercări experimentale

cuprinde trei tipuri de elemente

geometrice: sectoare de drum în

aliniament, curbe şi curbe de tranziţie iar

coordonatele drumului se dau în plan

orizontal. Modelul de simulare constă din

două linii drepte, de 300 m respectiv 250

m şi două arce de cerc de rază 550 m

respectiv 500 m, conform figurii 5.46.

Cele două arce de cerc şi

aliniamentele aferente sunt racordate prin

intermediul a trei curbe de tranziţie, în lungime de 50 m fiecare. Variabilele generate x şi y

formează un sistem de coordonate local iar lungimea totală a traseului este de 750 m, cu

puncte de preluare din 10 în 10 metri. Figura 5.47 prezintă coordonatele x şi y funcţie de

Fig. 5.46 Traseul orizontal simulat al drumului

65

lungimea traseului parcurs. Nu se ia în considerare dinamica vehiculului, dar simularea

parcurgerii drumului se face pentru 10 m/s, respectiv 33 m/s timpul de simulare fiind de 70

secunde cu creşterea vitezei din 10 în 10 km/h până la pierderea stabilităţii.

Fig. 5.47 Incrementele x şi y ale traiectoriei Fig. 5.48 Curburile traseului simulat

Fig. 5.49 Efectele erorilor în curbe Fig. 5.50 Erori în determinarea curbelor traiectoriei simulate

Poziţiile caracteristice de pe traseu, fără erori sistematice sau aleatorii, determinate

prin simulare, sunt utilizate la validarea algoritmului de calcul a elementelor geometrice ale

drumului parcurs. Razele de curbură sunt estimate din prima şi a doua derivată a funcţiilor

de interpolare şi apoi analizate în scopul determinării elementelor geometrice privind

aliniamentele, arcele de cerc şi curbele de tranziţie.

5.5.4 Influenţa erorilor combinate, aleatorii şi sistematice

Efectul combinării celor două tipuri de erori asupra măsurării distanţei parcurse

respectiv asupra sectoarelor de drum în curbă, identic cu erorile aleatorii combinate pentru

distanţă şi direcţie, acţionează pe întregul traseu simulat, şi creşte odată cu spaţiul parcurs,

figura 5.66. Asemănător cazurilor anterioare, zgomotul aleatoriu provoacă atât erori de

translaţie cât şi de giraţie.

66

Fig. 5.66 Abaterea traiectoriei circulare datorată combinării erorilor aleatorii şi sistematice

Fig. 5.67 Efectul erorilor aleatorii şi sistematice combinate, asupra mişcării curbilinie

Erorile de virare datorate combinării zgomotului aleatoriu pentru distanţă şi abaterea

de la traiectorie se transpun în următoarele devieri de rază: ± 10.9 m și ± 9.2 m, figura 5.67.

Concluzia este că efectul combinării erorilor este mai important decât dacă cele două tipuri

de erori acţionează separat.

5.6 Expresia giraţiei folosind un singur satelit

b a

Fig. 5.71 Precizia şi ADOP pentru giraţie

a b

Fig. 5.72 Sensibilitatea virajului la unghi de ruliu nenul pentru cazul un singur satelit

Pentru a ilustra efectul lui ADOP asupra preciziei de estimare a virajului,

figura 5.71 a prezintă caracteristica giraţiei măsurată cu un singur satelit normalizat folosind

o linie de bază cu unitatea de lungime de 50 cm. Aşa cum se vede, estimarea giraţiei

67

pentru un singur satelit este utilizată până ce ADOP normalizat depăşeşte valoarea 10,

după care precizia se degradează semnificativ.

Este trasată deasemenea şi estimarea giraţiei în cazul multi-satelit pentru a

evidenţia mai bine eroarea giraţiei în cazul unui singur satelit, figura 5.71 b.

Pentru a demonstra mărimea erorilor datorate unui ruliu nenul, figura 5.72 a prezintă

sensibilitatea giraţiei la unghi de ruliu pentru un viraj fix ABk = 0 cu diferite elevaţii ale

satelitului şi pentru o elevaţie fixă Elk = 45 cu diferite unghiuri de bracare, figura 5.72 b. De

reţinut că valorile absolute sunt trecute alături fiecărei caracteristici. În cazul nostru,

măsurarea giraţiei cu un singur satelit este limitată în situaţiile menţionate, deoarece

majoritatea sateliţilor care probabil sunt vizibili în mediul montan tind să fie localizaţi la

elevaţii ridicate. Totuşi, eroarea unghiului de giraţie datorată unui ruliu nenul poate fi

minimizată dacă este posibilă măsurarea ruliului.

a b Fig. 5.73 Precizia şi ADOP pentru ruliul măsurat

Efectul diluţiei de precizie pentru giraţia măsurată cu un singur satelit datorată

preciziei de măsurare a ruliului este prezentat în figura 5.73 a. Pentru comparaţie, este

prezentat şi unghiul de ruliu multi-satelit, figura 5.73 a, iar ADOP este normalizat pentru

lungimea liniei de bază egală cu unitatea, figura 5.73 b.

a b

Fig. 5.74 Sensibilitatea ruliului cu un singur satelit la erorile de estimare a virajului

Pentru a finaliza comparaţia, figura 5.74 a arată sensibilitatea ruliului cu un singur

satelit la erorile de estimare a girației liniei de bază, pentru o linie de bază fixă ABk = 0 cu

diferite elevaţii a sateliţilor şi pentru o elevaţie fixă Elk = 45 cu diferite viraje ale liniei de

68

a b

c d Fig. 5.75 Estimarea factorilor de conversie a senzorilor ABS pentru roţile faţă

a b

c d Fig. 5.76 Estimarea factorilor de conversie a senzorilor ABS pentru roţile spate

bază figura 5.74 b. Diferenţa dintre aceste două proceduri constă în faptul că sateliţii pot

măsura giraţia şi ruliul astfel încât toţi sateliţii vizibili sunt utili pentru măsurarea a cel puţin

unuia din unghiurile realizate de linia de bază.

69

Rezultatele obţinute la calibrarea ABS, cu ajutorul programului Matlab, sunt

prezentate în figurile 5.75 şi 5.76, şi în mod tabelar din anexa 5 tabelul 2. În urma analizei

observăm că factorul de scală pentru roata stângă spate prezintă cea mai mică deviaţie, de

± 0.00148261 m. Distanţa parcursă, determinată în urma aplicării factorilor de scală, pentru

fiecare roată, este prezentată în figura 5.77. Figurile prezintă eroarea distanţei parcurse

determinată prin comparaţia cu datele măsurate de Garmin 18x, de unde rezultă că

senzorul roţii spate stânga are o stabilitate mai bună, având eroarea medie a incrementului

de distanţă de 0.0000217 m şi o deviere standard de ± 0.023838 m. Acest lucru se poate

explica şi prin faptul că întregul echipament a fost distribuit uniform pe bancheta spate şi

volumul portbagaj, ca urmare senzorul de la roata stângă a fost mai puţin perturbat datorită

diferenţei de greutate dintre punți și roțile aceleași punți. Pornind de la devierea medie

standard a diferenţelor de distanţă estimată din factorii de scală ai senzorilor ABS roţilor

punţii spate, precizia diferenţei de distanţă este de ± 0.02 m.

a b

c d

Fig. 5.77 Erorile ca diferenţe de distanţe ABS şi cele cumulate

70

CONCLUZII

Concurenţa acerbă pentru ocuparea şi menţinerea unui segment de piaţă este

definitorie pentru activitatea de concepţie şi cercetare. Ridicarea nivelului de confort şi

îmbunătăţirea ținutei de drum a autoturismelor sunt criterii foarte importante de apreciere a

produselor, comparativ cu cerinţele pieţei şi realizările concurenţei.

Dintre elementele comportamentului dinamic, stabilitatea-maniabilitatea

autoturismului joacă un rol important care creşte de la an la an. Realizarea unei bune ţinute

de drum implică aplicarea simultană a mai multor soluţii, intervenţii, precauţii astfel că

numărul problemelor ridicate creşte mai rapid decât câştigul de confort realizat. Deşi există

numeroase cercetări teoretice în acest domeniu, totalitatea factorilor de influenţă conduc la

concluzia că aceasta este încă o problemă deschisă de studiu.

Analizând evoluţia în timp a sistemului antiblocare a roţii se poate reţine că prin

perfecţionările permanente aduse acestuia, s-a ajuns în prezent să se realizeze direcţia

adaptivă odată cu introducerea microprocesoarelor care sunt folosite și pentru controlul

respectiv comanda ESP.

Au fost întocmite scheme cinematice pentru mecanismele ce conţin dispozitive

mecatronice, evidenţiindu-se avantajele şi dezavantajele specifice fiecărei soluţii

constructive analizate. Elementele prezentate au fost preluate în urma unui amplu studiu

bibliografic, realizându-se o sistematizare a conceptelor utilizate în studiul

comportamentului dinamic al autoturismelor şi o bază de date care a permis evidenţierea

influenţei ABS asupra ESP.

Funcţionarea autoturismului în condiţii reale de drum este un proces complex în

timpul căruia mai mulţi parametrii care definesc această funcţionare variază în limite largi.

Din acest motiv studiile teoretice au la bază modelarea aproximativă a procesului real, fapt

ce presupune validarea rezultatelor teoretice cu rezultatele experimentale.

Modelele utilizate de diferiţi cercetători sunt prezentate în mod critic cu avantajele şi

dezavantajele lor, cu posibilităţile şi limitele lor, alături de acestea fiind propuse numeroase

elemente originale.

S-a încercat o abordare sistemică şi complexă a problemelor pe care dinamicienii

trebuie să le aibă în vedere. Rezultatele sistematizării cunoştinţelor în domeniu s-au

concretizat în algoritmi care au stat la baza elaborării programelor de calcul.

71

Programele realizate, pe baza modelelor descrise, permit evaluarea influenţelor

diferiţilor parametrii şi efectul unor modificări constructive sau compararea mai multor

configuraţii de reţele de senzori ABS, din punct de vedere al răspunsului sistemului în

regimuri tranzitorii.

Sistemul modelat comportă o liniaritate-pe-porţiuni; în general, sistemele semiactive

secvenţiale, din cauza structurii neliniare şi a controlului comutant sunt însoţite, în

funcţionare, de fenomene instabile şi incomode precum blocări fizice ale mecanismului,

pierderi de semnal sau aspecte fizice cum ar fi cicluri limită, bifurcări ale soluţiilor ori

aspectele matematice.

Aspectele fizice şi aspectele matematice sunt, desigur, interdependente. În

consecinţă, apare drept realist să se enunţe încă o conjectură: fenomenele secundare care

însoţesc întreruperile secvențiale din sistemele GPS sunt cu atât mai puţin susceptibile de

a avea loc fizic, cu cât se anulează mai puţin frecvent funcţia de condiţionare.

Pentru aplicare, în sistemul hardware este necesară prezenţa unui traductor

redundant, la măsurarea vitezei unghiulare a roții, astfel încât metoda să nu se compromită

prin erorile de estimare a vitezei relative. De altfel, în ultima perioadă de timp se constată în

literatura de specialitate a domeniului, dată fiind importanţa conlucrării ESP cu ABS,

preocupări cu privire la dezvoltarea unor estimatori (observatori) adecvaţi acestor scheme

cu algoritmi comutanţi.

În aceste condiții lucrarea deschide un nou orizont de cercetare adică acela al

necesităţii controlării stării de funcţionare a reţelelor de senzori și/sau traductoare.

Astfel este dezvoltat un sistem de autodiagnoză a defecţiunilor, pentru

monitorizarea reţelei de senzori și/sau traductoare, după cum urmează:

Sistemul GPS, sistemul INS (accelerometre şi giroscop de derivă), rețea

traductoare ABS pentru măsurarea vitezei unghiulare a roților, care constituie

sistemul de senzori ai controlului stabilității transversale.

Sistemul de diagnosticare a defectelor conceput pentru monitorizarea stării de

funcţionare a reţelei de senzori este structurat pe modelul relaţiilor dinamice dintre

semnalele senzorilor. S-a folosit un model cu două grade de libertate pentru dinamica

transversală a autovehiculului şi o matrice liniară de inegalităţi. Performanţa sistemului de

diagnostic al dinamicii laterale a fost verificată prin încercări experimentale în condiţii

statice, iar rezultatele demonstrează că sistemul este capabil să detecteze corect şi să

identifice cu acurateţea propusă defectele oricărui senzor din sistemul de control al

stabilității transversale.

72

Monitorizarea stării de funcţionare a GPS a pus reale probleme, deoarece nu au

putut fi realizate modelări în acest caz. S-a propus un sistem fiabil de diagnoză a stării de

funcţionare pentru GPS care se bazează pe:

folosirea unui sistem de comunicaţie redundant bazat pe un al treilea

observator, dar soluţia cea mai avantajoasă a constat în restricţionarea

temporară a traficului în zona desfășurării probelor de încercare experimentală

cu ajutorul organului de resort, Biroul Poliţiei Rutiere Drumuri Naționale;

folosirea unei baze de date geografice pentru identificarea unor repere în cadrul

caracteristicilor geometrice ale platformei căii de rulare;

detectarea avariilor bruşte folosind logica Beireuth şi cunoaşterea

performanţelor dinamice ale autovehiculelor;

conceperea, realizarea și implementarea soluției constructive pentru folosirea

unui senzor ABS redundant ieftin.

S-a evaluat performanţa fiecăreia dintre aceste idei, iar rezultatele încercărilor

experimentale scot în evidenţă faptul că un senzor redundant ieftin împreună cu un filtru

neliniar poate oferi o metodă alternativă fiabilă pentru monitorizarea stării de funcţionare a

GPS. Această metodă s-a observat că este eficientă chiar şi în cazul lipsei sistemului

redundant de comunicare cu un al treilea observator.

Modalitatea de studiu are la bază următoarele considerente:

se dispune de dotare cu tehnică de calcul (calculator numeric de tip PC

puternic, software specializat în elaborarea de programe de calcul);

în timpul procesului de schimbare a direcţiei autoturismului funcţionarea

diferitelor subsistem se intercondiţionează reciproc, peste influenţele externe

aferente fiecăruia suprapunându-se influenţele cauzate de această

interacţiune;

s-au analizat diferite metode de modelare dinamică şi cinematică pentru

determinarea traiectoriei şi influența erorilor generate de senzori asupra

acesteia;

pentru ca abaterile modelării de la fenomenul real să se încadreze în limitele

admisibile trebuiesc stabilite condiţiile de extremum ale simplificării

fenomenului real;

necesitatea analizei modalităţilor de prelucrare matematică a datelor teoretice

şi experimentale referitoare la modelarea procesului de conlucrare ABS-ESP;

73

se urmăreşte efectuarea încercărilor experimentale asupra funcţionării

conlucrării ABS-ESP în vederea validării modelului teoretic.

Contribuţii originale

În lucrare sunt studiate posibilităţile de realizare a unui sistem ieftin pentru

determinarea traiectoriei unui automobil, folosind GPS şi INS, în condiţii de trafic montan

unde pierderile de semnal GPS, alunecarea perioadei respectiv zgomotul de fază sunt

fenomene frecvente, și influența erorilor senzorilor asupra stabilității transversale. Drept

urmare au fost concepute și realizate următoarele elemente cu caracter de originalitate:

Dezvoltarea unor algoritmi pentru determinarea traiectoriei folosind semnalul

de la un singur satelit şi evaluarea performanţelor acestor algoritmi;

Realizarea instalaţiei experimentale pentru sistemul de determinare în timp

real a traiectoriei cu GPS/INS care încorporează algoritmii de mai sus,

integrarea strânsă la nivelul fazei purtătoarei şi asigurarea unei redundanţe

utilizând mai multe linii de bază şi senzori ABS suplimentari;

Analiza metodelor de îmbunătăţire a disponibilităţii şi integrităţii unui sistem

pentru determinarea traiectoriei și poziției autovehiculului bazat pe faza

purtătoarei GPS, destinat să funcţioneze în zone montane;

Dezvoltarea unor tehnici de control pentru proiectarea buclelor de urmărire

GPS cu Doppler asistat folosind ceasul GPS şi parametrii IMU, având în

vedere componente cu preț de cost redus pentru aplicaţii la automobile.

Evaluarea avantajelor unui Doppler asistat, inclusiv imunitate la alunecări

temporare ale perioadei, prin urmărire în buclă deschisă, importantă pentru

aplicaţiile cu faza purtătoarei la autovehicule;

Elaborarea algoritmilor şi a programelor de calcul; și realizarea simulărilor cu

ajutorul calculatorului numeric de tip PC;

Instalaţia şi aparatura pentru măsurarea variabilelor de interes;

Stand pentru măsurarea semnalului viciat de la senzorul redundant ABS;

Conceperea şi realizarea roţii a 5-a pentru măsurarea vitezei de deplasare a

autoturismului;

Modelarea dinamică, cinematică şi matematică, pentru simularea şi

funcţionarea senzorului redundant al dispozitivului ABS;

74

Cercetarea experimentală a influenţei erorilor asupra conlucrării ABS-ESP;

Astfel, s-a prezentat o schemă fundamentală de realizare a controlului, utilizând

produse hard şi soft, din comerţ, pentru implementarea şi evaluarea acestei scheme

avansate de comandă în timp real într-un mediu integrat de modelare-simulare şi testare.

S-a descris combinarea specifică a programelor Matlab/Simulink şi Real-Time

Workshop cu LabVIEW Real-Time şi instrumentarul (Toolkit) pentru interfeţe de simulare.

Această platformă poate fi utilizată pentru dezvoltarea mai multor regulatoare automate de

comandă a sistemelor ABS.

În consecinţă, caracteristicile acestei soluţii au fost verificate în două moduri.:

Primul mod include analiza performanţelor în timp real cu toate particularităţile şi avantajele

unei integrări strânse la nivel de fază a purtătoarei iar al doilea mod demonstrează

conceptul de Doppler asistat ce poate fi verificat prin postprocesare utilizând datele

simulate în combinație cu date reale.

Concluzii finale

Aplicaţiile de navigare şi control al autovehiculelor moderne necesită măsurători ale

ţinutei de drum. Toate aceste aplicaţii presupun detecţia situaţiilor anormale (patinarea,

deraparea şi alunecarea) şi măsurile de prevenire respectiv corecţie. Astfel, reţelele de

senzori implicate în aceste sisteme trebuie să aibă un nivel ridicat de disponibilitate şi

integritate. Asigurarea acestor importante caracteristici de siguranţă este influenţată de

calitatea senzorilor care să îndeplinească cerinţele de precizie şi fiabilitate. În această

lucrare, studiile şi analizele întreprinse constituie o posibilă soluţie pentru realizarea unui

sistem robust şi ieftin de determinare a ţinutei de drum, şi implicit a traiectoriei unui

autovehicul, bazat pe GPS şi senzori inerţiali din clasa auto.

După cum se ştie însă, condiţiile de lucru ale unui autovehicul în trafic montan

compromit semnificativ integritatea şi disponibilitatea semnalului GPS. Studiile şi analizele

din această teză s-au concentrat pe metodele de îmbunătăţire a disponibilităţii şi integrităţii

unui sistem pentru determinare ţinutei de drum bazat pe faza purtătoarei GPS, sistem

destinat să funcţioneze în zone montane

Funcţionarea sistemului GPS în zonele montane se confruntă cu vizibilitatea redusă

către sateliţi şi efectele puternice ale propagării multicale care pot afecta robusteţea

sistemului. Combinarea GPS cu un sistem de navigaţie inerţială INS prezintă robusteţe,

75

bandă mai ridicată şi caracteristici de zgomot mai bune ale sistemului inerţial respectiv

stabilitate pe termen lung a GPS.

În urma cercetărilor experimentale realizate, se desprind o serie de concluzii cu

privire la elementele hardware şi software care intră în componența instalaţiilor

experimentale flexibile, pentru determinarea traiectoriei cu GPS/INS. Astfel pentru

componentele hardware ce formează instalaţia, se pot menţiona următoarele aspecte:

Amplasarea antenelor GPS, se realizează într-un plan orizontal sub forma unui

triunghi echilateral dispuse deasupra autovehiculului, şi o distanţă între antene de

50 cm (linie de bază). Folosirea mai multor linii de bază neparalele îmbunătăţeşte

disponibilitatea determinării ţinutei de drum cu un singur satelit GPS, deoarece

sateliţii care au o valoare mare a diluţiei de precizie pentru o linie de bază, pot

avea o valoare redusă pentru altă linie de bază.

Receptoarele GPS utilizate fac parte din familia OEM4 de la NovAtel. OEM4-2G

sunt receptoare GPS de înaltă performanţă, capabile să recepţioneze şi să

urmărească ambele purtătoare, pentru 12/24 sateliţi. Aceste receptoare se

bazează pe o tehnologie nouă pentru corelator şi un procesor pe 32 biţi şi oferă o

procesare rezistentă la propagarea multicale pentru viteze ridicate de

reactualizare a datelor. Timpii foarte buni de achiziţie şi re-achiziţie recomandă

utilizarea acestora în medii cu dinamică foarte ridicată şi frecvente întreruperi ale

semnalului. Folosind un singur oscilator de referinţă, comun pentru cele trei

receptoare, se evită majoritatea erorilor de fază generate de satelit şi de ceasul

local.

Antenele utilizate sunt de tip MicroPulse model Garmin 18x cu un câştig de 26

dB, folosite în general pentru monitorizarea vehiculelor, dar poate fi implementat

orice alt tip de antenă cu performanţe asemănătoare.

Senzorii incluşi în procedura de combinare GPS cu INS în cazul autovehiculului

de serie supus încercărilor experimentale sunt de tip Xsens şi conţine o unitate

de măsurare inerţială, după trei direcţii perpendiculare fiind amplasată în

apropierea centrului triunghiului format de antenele GPS.

Convertorul analog digital ADC pentru transformarea semnalelor, de la senzorii

inerţiali, în informaţie numerică este dotat cu trei intrări diferenţiale pe 16 biţi şi

linii I/O digitale pentru control și monitorizare externă

Calculatorul utilizat este un laptop cu procesor de 1800 MHz, cu suficientă viteză

CPU pentru procesarea în timp real a tuturor procedurilor implicate în

76

determinarea traiectoriei precum: rutinele de determinare a traiectoriei cu GPS la

10Hz (inclusiv căutarea completă a ambiguităţii întregi), rutina de întrerupere

pentru ADC la 100Hz, citirea datelor de la porturile seriale fără pierdere de

informaţie datorită umplerii buffer-ului, şi afişarea unei interfeţe grafice care să

permită utilizatorului verificarea stării programului de monitorizare şi utilizarea

traiectoriei vehiculului.

Trebuie subliniat că un criteriu important pentru adoptarea hardware-ului a fost preţul

de cost al componentelor folosite la reprezentarea caracteristicilor geometrice ale drumului.

Soft-ul pentru determinarea traiectoriei şi interfaţarea elementelor hardware sunt

programate în limbajul C şi executate dintr-o singură aplicaţie utilizator în sistemul de

operare Windows 2000. Trebuie subliniate următoarele particularităţi:

Codul specific sistemului de operare (software-ul pentru ADC şi funcţiile care

utilizează platforma API) este separat de codul executabil, pentru a asigura

modificări minime la transferul aplicaţiei pe alt calculator, cu alt SO;

Porturile seriale la care sunt cuplate receptoarele GPS, trebuie să permită

extragerea permanentă a datelor din bufferele în care acestea au fost stocate;

Sarcina software-ului pentru interfaţarea IMU este să depoziteze, datele

inerţiale, neprelucrate, aşa cum vin de la ADC într-un buffer şi să le transmită

către filtrul GPS/INS când sunt cerute pentru reactualizarea traiectoriei;

Stabilirea unei soluţii prin combinarea datelor, pentru traiectorie, presupune ca

datele furnizate de receptorul GPS şi cele de la senzorii inerţiali INS să fie

sincronizate între ele înainte de a fi aplicate filtrului GPS/INS. Sincronizarea

temporală a celor două tipuri de date constituie o necesitate fundamentală

pentru generarea unei soluţii mixte GPS/INS corecte.

Caracteristica acestui sistem constă în folosirea concomitentă a măsurătorilor de

ţinută multisatelit şi cele cu un singur satelit într-un subsistem GPS şi integrarea strânsă cu

un subsistem inerţial.

În ceea ce priveşte integrarea subsistemului INS, se pot sublinia următoarele

aspecte:

o Utilizarea unui singur filtru optimal, care să proceseze informaţiile întregului

sistem, nu se justifică deoarece oferă avantaje limitate şi este mult mai dificil de

implementat;

o A fost adoptată o arhitectură de filtrare locală GPS/INS, divizată în două nivele şi

anume nivel de canal şi nivel de ansamblu.

77

o Filtrarea diferenţei de fază şi detecţia erorii realizate la nivel de canal asigură

continuitatea măsurătorilor în perioadele în care sunt erori mari de fază pentru

semnalul primit de la un singur satelit.

o La nivel de ansamblu, Filtrul principal GPS/INS realizează sincronizarea

măsurătorilor senzorilor inerţiali cu măsurătorile GPS şi furnizează în acelaşi timp

o estimare a traiectoriei ca ieşire transmisă subsistemul GPS.

Monitorizarea integrităţii se referă la verificarea măsurătorilor şi a punctelor

caracteristice de pe traseu pentru a asigura disponibilitatea continuă şi robusteţea

sistemului de determinare a traiectoriei. Acest proces se derulează pentru toate nivelele

sistemului.

În legătură cu monitorizarea integrităţii măsurătorilor, se poate concluziona că:

Performanţa monitorizării integrităţii se realizează la nivel de canal în scopul

detectării zgomotelor de fază excesive şi a alunecărilor de perioadă pe anumite

canale GPS.

Următorul nivel de verificare este la nivelul unei singure linii de bază, în care sunt

folosite relaţiile comune tuturor canalelor, cum ar fi termenii: asimetria liniei şi

corecţia asimetriei liniei. Constrângerile geometrice sunt deasemenea aplicabile

la nivelul unei singure linii de bază.

Nivelul cel mai ridicat de monitorizare a integrităţii în subsistemul GPS presupune

redundanţa mai multor linii de bază, în care relaţiile vectoriale dintre liniile de

bază sunt folosite pentru a verifica diferitele relaţii dintre parametrii unei singure

linii de bază, incluzând asimetria liniei şi ambiguităţile întregi. Nivelul final de

monitorizare a integrităţii are loc în filtrul principal GPS/INS şi elimină soluţiile

slabe pentru traiectoria GPS din estimările traiectoriei filtrate. Deasemenea,

ultimul set de verificări garantează că estimarea derivei giroscopului rămâne

relativ constantă.

Principalele idei desprinse în urma acestei lucrări pot fi concentrate în următoarele:

În condiţii specifice de trafic montan, numărul canalelor măsurate, cu faza

purtătoarei GPS, poate să scadă adesea sub trei, datorită blocajelor de semnal

sau zgomotului de fază, făcând imposibilă determinarea ambiguităţii întregi. Cu

mai puţin de patru canale măsurate bune, metodele uzuale pentru determinarea

traiectoriei cu GPS devin inutilizabile pe perioade lungi de timp. Combinarea cu un

sistem inerţial poate îmbunătăţi disponibilitatea pentru perioadele scurte de

pierdere a semnalului GPS, dar folosirea senzorilor inerţiali din clasa auto

78

limitează intervalele acceptate datorită erorilor mari care se acumulează în

momentele în care sunt vizibile numai unu sau doi sateliţi;

Integrarea sistemului cu senzori inerţiali este utilă nu numai pentru a asigura

continuitatea semnalului GPS, ci şi pentru a asigura robusteţea procesării

măsurătorilor fazei purtătoarei. Pentru a realiza aceasta, în lucrare se propune

utilizarea unei integrări strânse, la nivelul fazei purtătoarei, în care măsurătorile

inerţiale sunt folosite pentru filtrarea şi monitorizarea măsurătorilor primare de

faza purtătoarei GPS. Această metodă permite supravegherea alunecărilor de

perioadă la nivel de canal şi asigură condiţii pentru identificarea şi rejectarea

canalelor cu zgomot de fază excesiv. Pe lângă detecţia erorilor la nivel de canal,

s-au realizat şi algoritmi de monitorizare a integrităţii la nivel de linie de bază,

folosind redundanţa asigurată de linii de bază multiple, pentru a verifica relaţiile

dintre mai multe canale şi o aceeaşi linie de bază ori mai multe linii de bază şi un

singur canal;

Totuşi cuplajul strâns nu constituie un avantaj pentru măsurătorile primare a fazei

purtătoarei GPS, în condiţiile existenţei zgomotului de fază şi alunecărilor

frecvente de perioadă. Situaţiile în care alunecările de perioadă apar simultan cu

zgomot de fază puternic sunt dezavantajoase chiar pentru un sistem cuplat strâns,

deoarece zgomotul de fază poate împiedica determinarea ambiguităţii întregi pe

durata mai multor cicluri succesive. Funcţie de durata acestor dificultăţi, sistemul

inerţial poate acumula erori semnificative, care vor conduce la pierderea

integrităţii.

Propuneri pentru viitor

Pornind de la analiza datelor obținute prin proceduri de modelare-simulare şi a

celor obținute prin măsurare în timpul încercăriilor experimentale, se pot face unele

recomandări și anume: îmbunătăţirea tehnicii se poate realiza prin corelarea incrementelor

de distanţă rezultate de la ABS cu poziţionarea longitudinală a vehiculului rezultată în urma

măsurătorilor GPS. În aplicarea integrării cubice pentru procesul de estimare a curburii,

curbele au fost parametrizate funcţie de timp, trebuind astfel analizată şi cercetată

generarea intervalelor de distanţă care sunt uneori inegale datorită variaţiei vitezei

autovehiculului.

79

Trebuie luată în considerare dezvoltarea unor algoritmi informatici care să facă

posibilă o interfaţare cu unitatea grafică ce o foloseşte utilizatorul.

Extinderea studiilor respectiv cercetărilor experimentale şi pentru stările de avarie

apărute la elementele de execuţie a sistemelor ce concură la siguranţa traficului și nu

numai, precum direcţie, suspensie sau chiar în managementul electronic al motorului și/sau

transmisiei.

Evaluarea calitativă a sistemului pentru detecţia defectărilor în ceea ce priveşte

alertele nefondate sau sensibilitatea excesivă la posibilitatea producerii unei coliziuni,

laterală sau frontală datorată derivei.

Procedura de autodiagnoză chiar dacă identifică o anomalie de funcționare, aceasta

să nu întrerupă funcționarea ESP până în momentul poziționării volanului pentru mers

rectiliniu continuând în acest mod activitatea de stabilizare a autovehiculului până la ieșirea

din viraj.

Lucrare se înscrie în activitatea de cercetare a influenţei controlului electronic

asupra dinamicității autoturismelor, prin modelarea analitică a fenomenului real. Astfel, prin

dezvoltarea noilor modalităţi de studiu, care înglobează rezultatele obţinute până în

prezent, se continuă activitatea devenită tradiţională desfăşurată la Departamentul de

Autovehicule şi Transporturi (Departamentul de cercetare D02 – PRODUSE HIGH-TECH

PENTRU AUTOVEHICULE) din cadrul Universităţii TRANSILVANIA din Braşov.

http://www2.unitbv.ro/LinkClick.aspx?fileticket=iTzrsejkNHI%3d&tabid=1213

http://www2.unitbv.ro/LinkClick.aspx?fileticket=iTzrsejkNHI%3d&tabid=1213

80

BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ

1 Abãitancei D., Marincas D. Fabricarea si repararea autovehiculelor rutiere. EDP Bucuresti 1982

2 Alanoly, J., S. Sankar A new concept in semiactive vibration isolation, Trans. ASME, Journal of Mechanisms, Transmissions and Automation in Design, 109, June, pp. 242-247, 1987.

3 Alban, S. An Inexpensive and Robust GPS/INS Attitude System for Automobiles, Proceedings of the ION GPS-02, Port-land, OR, September 2002.

4 Alexandru P., Manolescu N. Stabilirea schemelor cinematice optime ale mecanisme-lor de directie ale autovehiculelor. Buletinul CONAT, pag.63-71, vol.XIX-A 1977

5 Alexandru P., s.a. Variante cinematico-constructive ale mecanismului de directie cu cremalierã. Buletinul CONAT vol. I pag.319-328 Brasov 1980

6 Alexandru P., Duditã Fl., Jula A., Benche V.

Mecanismele directiei autovehiculelor. Editura Tehnicã Bucuresti 1977

7 Amurãritei Gh., Scheiber E. Analiza numericã. Curs si culegere de probleme. Universitatea Brasov 1983

10 Baumann E. Sensortechnik für Kraft und Drehmoment. Reihe Automatisierungstechnik. VEB Verlag Technik Berlin 1983

11 Belea V., Vartolomei M. Metode algebrice si algoritmi de sintezã optimalã a sistemelor dinamice. Editura Academiei Române Bucuresti 1985

12 Bendat J., Piersol A. Engineering applications of correlation and spectral analysis. John Wiley & Sons, Inc. New York 1980

13 Bernstein H., Joachim B. P.C.-Labor. Markt & Technik Buch-und Software-Verlag Gmbh & CO 2004

17 Beyer W. Industrielle Winkelmesstechnik. Expert-Verlag Gmbh Ehningen bei Böblingen 1989

19 Bodea M., s.a. Aparate electronice pentru mãsurare si control. EDP Bucuresti 1985

26 Buzdugan Gh., s.a. Vibratii mecanice. Editura Tehnicã Bucuresti 1982

27 Carlson, Neal A. Federated Filter for Distributed Navigation and Tracking Applications, Proceedings of the ION 58th Annual Meeting, Albuquerque, NM, June 2002.

28 Câmpian O., s.a. Posibilitãti de filtrare a oscilatiilor torsionale în trans-misia autovehiculelor. E.S.F.A. Bucuresti 1991

29 Câmpian O., Şoica A.O. Incercarea si omologarea Autovehiculelor, Editura Universitatii Transilvania din Brasov, Editura acreditata CNCSIS, Brasov, 2004, ISBN 973-735-306-0

30 Câmpian O., Ciolan Gh. Dinamica autovehiculelor, vol I, Editura Universităţii Transilvania Braşov, 1999.

31 Câmpian V., s.a. Aparat spatiu-vitezã-timp. Universitatea din Brasov 1976

32 Câmpian V., s.a. Automobile. Universitatea din Brasov 1989

33 Câmpian V., s.a. Cercetãri privind solicitãrile dinamice din transmisiile

81

autovehiculelor. Contract nr. 18 Universitatea Transilvania Brasov 1991

34 Chiru A., Marincas D. Tehnologii speciale de fabricare si reparare a autovehiculelor. Universitatea Transilvania Brasov 1991

38 Cohen, C.E. Attitude Determination Using GPS, Ph.D. Thesis, Department of Aeronautics and Astronautics, Stanford University, 1992

39 Cojocaru V. V., Fl. Popescu, D. C. Thierheimer, D. Ola, W. W. Thierheimer

Research on optimizing of automatic ABS regulator, Bulgarian Journal for Engineering Design, 3 November 2009, pag. 47 - 49, ISSN 1313 - 7530, Heron Press, Sofia, Bulgaria

40 Corduneanu, A. Matematici Speciale, vol. II, vol. III, Universitatea Tehnica Gh. Asachi, Iasi 1977.

41 Clinciu M., D.C. Thierheimer, Fl. Popescu, V. Cojocaru, W.W. Thierheimer

Possibilities for pollution reducing from mobile sources, Mechanics and Machine Elements, vol 4, Aprilie 2010, pag. 94 - 99, ISSN 1313 - 7530, Heron Press, Sofia, Bulgaria

42 Dancea I., Ivan M., Kremer St.

Metode de optimizare. Editura Dacia Cluj 1976

43 Deutsch I. Rezistenta materialelor. EDP Bucuresti 1976

44 Dieter S. Kraftfahrzeug Electronik. Verlag Technik Berlin 1991

45 Dincã F., Teodosiu C. Vibratii neliniare si aleatoare. Editura Academiei Române Bucuresti 1979

46 Drãghici I., Ivan M., Kremer St., Lãcãtus V., Macarie V., Petrescu M.

Suspensii si amortizoare. Editura Tehnicã Bucuresti 1970

47 Dumaine, Michael. High Precision Attitude Using Low Cost GPS Receivers, Proceedings of the ION GPS-96, Kansas City, MO, September 1996.

48 Enge, Per, and Pratap Misra.

Global Positioning System: Signals, Measurments, and Performance, Ganga-Jamuna Press, 2001.

54 Floegel E. Forth Handbuch. Grundlagen, Einfürung, Beispiele. Hofacker Holzkirchen 1982

55 Ford, Tom. Beeline RT20 A Compact, Medium Precision Positioning System with an Atitude, Proceedings of ION GPS-97, Kansas City, MO, September 1997.

56 Ford, Tom. Magnetic Beeline: Satellite Derived Attitude for Marine Navigation, Proceedings of ION-GPS-98, Nashville, TN, September 1998.

57 Franklin, G.F., J.D. Powell, M. Workman.

Digital Control of Dynamic Systems, Addison Wesley Longman Inc., 3rd Edition, Menlo Park, CA, 1998.

58 Frãtilã Gh. Calculul si constructia automobilelor. EDP Bucuresti 1977

59 Furuno Electric CO. Ltd. Product Specifications for Satellite Compass, Model SC-120. 2002. <http://www.furuno.co.jp/english/sc/sc120.html

60 Gautier, J.D. Gps/INS Generalized Evaluation Tool (GIGET) for the Design and Testing of Integrated Navigation System, Department of Aeronautics and Astronautics, Ph.D. Thesis, Stanford University, 2003.

82

61 Gautschi G.H. Piesoelektrische Messtechnik und neuere Entwicklungen in der Mehrkomponenten Kraft- und Momentmessung. Birkhäuserverlag Basel 1972

67 Ghiulai C., Vasiliu C. Dinamica autovehiculelor. EDP Bucuresti 1975

68 Grave H.F. Mãsurarea electricã a mãrimilor neelectrice. Editura Tehnicã Bucuresti 1966

69 Grăjdaru M.; Câmpian V.; Thierheimer W

Studiu privind influenţa sistemului de direcţie asupra siguranţei circulaţiei. Editura Cellina, Craiova, 2006, ISSN (10) – 973-87995-4-6; ISSN (13) – 978-973-87995-4-7;

70 Grewald, Mohinder S., Angus P., Andrews.

Kalman Filtering: Theory and Practice Using Matlab, John Wiley & Sons Inc., New York, 2001.

76 Hayward, R.C., J.D. Powell. Real Time Calibration of Antenna Phase Errors for Ul-tra-Short Baseline Attitude Systems, Proceedings of the ION GPS-98, Nashville, TN, September 1998.

77 Hayward, R.C., A. Marchick, J.D. Powell.

Single Baseline GPS Based Attitude Heading Refer-ence System (AHRS) for Aircraft Applications, Proceed-ings of the American Control Conference, San Diego, CA, June 1999.

78 Hegarty, Christopher J. Analytical Derivation of Maximum Tolerable In-Band Interference Levels for Aviation Applications of GNSS, Journal of the Institute of Navigation, Vol. 44, No. 1, Spring 1997, pp. 25-34.

79 Hilohi C., Untaru M., Druta Gh.

Metode si mijloace de încercare a automobilelor. Editura Tehnicã 1982

80 Hock A. Hochfrequenzmesstechnik, Teil 1 + Teil 2. Expert-Verlag Gmbh Ehningen bei Böblingen

81 Hofmann D. Handbuch Messtechnik und Qualitätssicherung. VEB Verlag Technik Berlin 1994

89 Kummer H.W., Meyer W.E. Verbesserter Kraftschluss zwischen Reifen und Fahrbahn-Ergebnisse einer neuen Reibungstheorie. ATZ 69, pag. 245-251; 382-386. 1967

90 Lang G.F. Understanding Vibration Measurements. Nicolet Scien-tific Corporation Application Note 9, 1975

91 Laniv V.I. Rostogolirea unui pneu de automobil. Onti 1937

92 Laschet A., Engelmann P. System indentification using computer simulation meth-ods. 91037 EAEC pag. 188-194 Strasbourg 1991

93 Leuciuc D., s.a. Suspension Oscilation Influences upon Dynamic Be-haviour of Other Automobiles Sub Parts. 945084 Tehnical Papers FISITA 1994

94 Leuciuc D., Costache G. Mathematical Models for Suspension and Driveline Study. International Conference of Automobiles for Stu-dent’s and Young Engineers Bucuresti 1992

95 Limann O. Sensible Sensoren. Franzis-Verlag München 1981

96 Lîsov M.I. Mecanismele de directie ale automobilelor. Masghiz 1950

103 Merz L. Grundkurs der Messtechnik, Das elektrische Messen nichtelektrischer Grössen. R. Oldenburg-Verlag München 1980

104 Milliken W.F.,Whitcomb W., Research in Automobile Stability and Control and in

83

Segel L. Tyre Performance. The Institution of Mechanical Engi-neers. London 1956

105 Milliken W.F., Milliken D.L. Race car vehicle dynamics. SAE MA 01923 Danvers 1995

106 Mitschke M. Dynamik de Kraftfahrzeug. Antrieb und Bremsung. Springer-Verlag Heidelberg Berlin 1982

107 Mitschke M., Fehlauer J. Einfluss der Radaufhängungskinematik auf des Fahrverhalten. Deutsches Kraftfahr- und Strassenverkehrstechnik nr. 231 pag. 5-38 1973

108 Mitschke M. Dynamik der Kraftfahrzeuge. Fahrverhalten. Springer-Verlag Heidelberg 1990

109 Nagy T. Exploatarea autovehiculelor. Universitatea din Brasov 1973

110 Nagy T., Sãlãjan C. Exploatarea si tehnica transportului auto. EDP Bucuresti 1982

111 Negoitã C., Ivan M. Aparate electronice pentru mãsurarea mãrimilor geometrice. Editura Tehnicã Bucuresti 1970

113 Negrus E., s.a. Sistem cu traductor fotoelectric si afisare numericã pentru mãsurarea deplasãrilor mari. Bul. Conf. nat. de automobile si tractoare. Brasov 1980

114 Negrus E., Soare I.,BejanN., Tãnase F.

Încercarea autovehiculelor. EDP Bucuresti 1982

115 Negrus E. Mãsurarea fortelor din pata de contact dintre pneu si cale în conditii de rulare. Revista Transporturilor nr. 7-8 1983

116 Negrus E.,Soare I., Tãnase F.

Cercetarea experimentalã a autovehiculelor. Institutul Politehnic Bucuresti 1982

117 Nicolae A. Unele contributii la optimizarea rãspunsului dinamic al suspensiei de autoturisme. Univ. Politehnicã Bucuresti 1993

118 Nurhadi I., s.a. Computer simulation of vehicle performance. The Sixth International Pacific Conference on Automotive Engi-neering vol.II Seoul 1991

122 Oţăt V., Thierheimer W.W., Bolcu D., Simniceanu L.

Dinamica Autovehiculelor, Editura Universitaria Craiova, 2005

123 Oţăt V. Loreta Simniceanu, Marian Grăjdaru

Dinamica Autovehiculelor – Îndrumar de laborator, Editura Universitaria Craiova, 2006

124 Oţăt V. Consideraţii teoretice privind răspunsul dinamic al vibraţiilor elementelor de caroserie , Universitatea din Piteşti, Buletin Ştiinţific nr. 14 Seria Autovehicule Rutiere ISSN 1453-1100, 2004

125 Oţăt V. Model matematic, de tip variant în timp, destinat studiului oscilaţiilor verticale ale ansamblului pneu-suspensie, Universitatea din Piteşti, Buletin Ştiinţific nr. 14 Seria Autovehicule Rutiere ISSN 1453-1100, 2004

126 Pacejka H.B. Lateral dynamics of road vehicles. International Journal of Vehicle System Dynamics 1986

127 Peres Gh., s.a. Model dinamic generalizat pentru studiul solicitãrilor din transmisia autovehiculelor de tipul 8X8. Sesiunea

84

stiintificã a Academiei Militare Bucuresti 1984

128 Peres Gh., s.a. Studiul vibratiilor la autoturisme echipate cu suspensie tip McPherson. E.S.F.A. Bucuresti 1991

129 Petersen A. Magnetoresistive Sensoren im Kfz. Anwendungen: Positions-, Winkel- und Strommessung Elektronik 34 pag.99-102 München 1985

130 Petersen R.E. Big book of auto repair. Kalton C. Lahue Los Angeles 1980

131 Pevzner I.M. Încercarea stabilitãtii unui automobil. Masghiz 1946

132 Pevzner I.M. Teoria stabilitãtii automobilelor. Masghiz 1947

133 Potincu Gh., Hara V., Tabacu I.

Automobile. EDP Bucuresti 1980

134 Preda I., Ailenei N. Methode zur digitalen erfassung und registrierung des weges, der geschwindichkeit und der beschleunigung mit hilfe des messrades. CONAT Brasov 1985

139 Pop E., s.a. Tehnici moderne de mãsurare. Editura Facla Timisoara 1983

140 Popescu, Fl., Campian, V., Ţane, N., Thierheimer, C.D., Thierheimer, W.W.

Possibility of technical systems selfdiagnosis, Ediţia a doua cu participare internaţională SMAT 2008, Vol. I, pag. 155-159, ISBN 978-606-510-253-8, 23-25 Octombrie 2008, Craiova

141 Popescu, Fl., Campian, V., Thierheimer, C.D., Oţăt, V., Thierheimer, W.W

Study about automotive rollover dynamics, Ediţia a doua cu participare internaţională SMAT 2008, Vol. I, pag. 159-164, ISBN 978-606-510-253-8, 23-25 Octombrie 2008, Craiova

142 Popescu, Fl., Campian, V., Ţane, N., Thierheimer, C.D., Thierheimer, W.W.

Possibility of technical systems selfdiagnosis, Ediţia a doua cu participare internaţională SMAT 2008, Vol. I, pag. 155-159, ISBN 978-606-510-253-8, 23-25 Octombrie 2008, Craiova

143 Popescu, Fl., Campian, V., Thierheimer, C.D., Oţăt, V., Thierheimer, W.W

Study about automotive rollover dynamics, Ediţia a doua cu participare internaţională SMAT 2008, Vol. I, pag. 159-164, ISBN 978-606-510-253-8, 23-25 Octombrie 2008, Craiova

144 Radu N.Gh., s.a. Rezistenta materialelor. Lucrãri de laborator. Universitatea din Brasov 1988

147 Reimpell J., Stoll H. Fahrwerktechnik: Stoss- und Schwingungsdämpfer. Vogel-Buchverlag Würzburg 1989

148 Reiniger G. Drehwinkelmessung mit Magnetfeldsensoren. Electronik 35 , 23 pag.129-136. 1986

149 Richter W. Grundlagen der elektrischen Messtechnik. VEB Verlag Technik Berlin 1985

150 Rotenberg R.V. Oscilatiile automobilelor si proiectarea suspensiei. Industria automobilului nr.10 1947

151 Rotenberg R.V. Teoria suspensiei automobilului. Masghiz 1951

152 Ruge I. Sensorik und Mikroelektronik. VDE-Verlag NTG 1986

153 Ryu, J., E. Rossetter, J.C. Gerdes.

Vehicle Sideslip and Roll Parameter Estimation using GPS, Proceedings of the International Symposium on Advanced Vehicle Control, Hiroshima, Japan, September 2002.

85

154 Scheiber E., Lixãndroiu D. MathCAD, prezentare si probleme rezolvate. Editura Tehnicã Bucuresti 1994

155 Seitz N. Actiunea fortelor în suprafata de contact a pneurilor care ruleazã repede. U.D.I. 1968

156 Seitz N., s.a. Sistem cu microprocesor pentru controlul si comanda optimã a schimbãrii treptelor de viteze la cutia de viteze tip 16S cu care este echipat autotractorul DAC 16.360 FSL. Contract nr.63 Universitatea Transilvania Brasov 1990

157 Shampine L.F.,Gordon M.K.

Computer solution of ordinary differential solutions. The initial value problem. Freeman W.H. San Francisco 1975

158 Soare I. Instalatii si utilaje pentru încercarea automobilelor si tractoarelor. Institutul Politehnic Brasov 1969

159 Sperling D. Kraftfahrzeug-Elektronik. Verlag Technik Gmbh Berlin 1991

160 Spilker, L. Digital Communications by Satellite, Prentice Hall Inc., New Jersey, 1997.

137 Stammers, C.W., T. Sireteanu

Vibration control of machines by use of semiactive dry friction damping, Journal of Sound and Vibration, 209, nr. 4, pp. 671-684, 1998.

161 Stengel, Robert F. Optimal Control and Estimation, Dover Publications Inc., New York, New York, 1994.

162 Stoicescu A. Dinamica autovehiculelor, vol. 1 si 3, Institutul Politehnic Bucuresti 1980 - 1986

163 Stuart R.D. Introducere în analiza Fourier cu aplicatii în tehnicã. Editura Tehnicà Bucuresti 1971

165 Sutton, E., Calibration of Differential Phase Map Compensation Using Single Axis Rotation, Proceedings of the ION GPS-98, Nashville, TN, September 1998.

166 Tabacu I., s.a. Dinamica autovehiculelor. Îndrumar de proiectare. Institutul de Învãtãmânt Superior Pitesti 1990

168 Tãnase G., s.a. Modulatorul magnetic lucrând ca traductor de unghi. ATM 7/1966

169 Thierheimer D., Clinciu M., Cojocaru V., Popescu F., Thierheimer W.

Possibilities Regarding Electro Hydraulic Controlling of Suspension with Direction, National Conference on Recent Advances in Electrical & Electronics Engineering RAEEE-09, 23-24 December, 2009, pag. 333-335, ISBN 978-93-80043-62-3, Excel India Publishers, New Delhi

Possibilities Regarding Electro Hydraulic Controlling of Suspension with Direction, National Conference on Recent Advances in Electrical & Electronics Engineering RAEEE-09, 23-24 December, 2009, pag. 333-335, ISBN 978-93-80043-62-3, Excel India Publishers, New Delhi

170 Thierheimer W., Peres Gh., Câmpian V., Câmpian O.

Unele aspecte privind influenta barei stabilizatoare a puntii fatã asupra deplasãrii în curbã a autoturismelor. CAR `97 Pitesti

171 Thierheimer W. Sisteme tehnice din agricultură şi industria alimentară: Iniţiere şi fundamente teoretice, Editura Univerisităţii Transilvania Braşov, ISBN 973-8124-76-X, Braşov, 2001

172 Thierheimer W. Cercetarea corelării suspensiei cu direcţia la autoturismele antrenate pe faţă, Editura Universităţii

86

”Transilvania”, ISBN 973-635-420-2, Braşov, 2004

173 Thierheimer W. W., M. Clinciu, C. Ştefăniţă, L. Gaceu, D. Ola, O. Câmpian, F. Popescu, D. Thierhiemer

Improvement of Control for the Stabilty and Maniability through Optimization of the Adaptive Steering-Suspension System, în 3rd WSEAS International Conference on Manufacturing Engineering, Quality and Production Systems, April 11-13 2011, ISBN: 978-960-474-294-3, pp. 173-176, Included in ISI/SCI Web of Science and Web of Knowledge, Recent Researches in Manufacturing Engineering

174 Thierheimer W. W., N. Tane. R. Gruia, L. Gaceu, D. Thierhiemer, D. Ola, M. Clinciu V., Cojocaru

Reducing Environmental Pollution from Mobile Sources, în Environmental Engineering and Management Journal, December 2010, vol. 9, No. 12 ISSN: 1582-9596, pp. 1681-1684, Publishing House ECOZONE of the OAIMDD, Iași, Romania

175 Thomas R. MC - 32 SYSTEM. Bedienungsanleitung. BMC Dr. SCHETTER

176 Tiron M. Teoria erorilor de mãsurare si metoda celor mai mici patrate. Editura Tehnicã Bucuresti 1972

177 Tiron M. Prelucrarea statisticã si informationalã a datelor de mãsurare. Editura Tehnicã Bucuresti 1976

178 Tome, Phillip. IntegratingnMultiple GPS Receivers With a Low Cost IMU For Aircraft Attitude Determination, Proceedings of Ion NTM-99, San Diego, CA, January 1999.

179 Untaru M., s.a. Automobile. EDP Bucuresti 1975

180 Untaru M., s.a. Constructia si calculul automobilelor. Editura Tehnicã Bucuresti 1974

181 Untaru M., s.a. Dinamica autovehiculelor pe roti. EDP Bucuresti 1981

182 Untaru M., s.a. Calculul si constructia autovehiculelor. EDP Bucuresti 1982

183 Untaru M., s.a. Metode si mijloace de încercare a automobilelor. Editura Tehnicã Bucuresti 1982

184 Van Graas, F., A. Soloviev. Precise Velocity Estimation Using A Stand-Alone GPS Receiver, Proceedings of the ION NTM-03, Anaheim, CA, January 2003.

185 Vãduva I. Modele de simulare cu calculatorul. Editura Tehnicã Bucuresti 1977

186 VDI Berichte 877 Unebenheiten von schienen und Strasse als Schwingungsursache. VDI Verlag Düsseldorf 1991

187 VDI Berichte 885 Abgas- und Gereuschemisionen von Nutzfahrzeugen. VDI-Verlag Düsseldorf 1991

188 Venhovens P.J.Th. Optimal Control Of Vehicle Suspensions, Thesis, Delft University Of Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Marine Technology, 1993.

189 Warneke H., Schweizer M. Sensoren für die Fertigugstechnik. Physik-Verlag Weinheim 1984

190 Witlof B., Junge K. Wissenspeicher Lasertechnik. VEB Fachbuchverlag Leipzig 1989

191 Zamfira C.S. Prelucrarea semnalelor, Editura Universitatii Transilvania din Brasov, Editura acreditata CNCSIS, Brasov, 2003, ISBN 973-635-256-0.

87

192 Zimelev G.V. Încercãrile de laborator ale automobilelor. Gostransizdat 1931

193 Zomotor A. Horizontalbewegung von Automobilen. Fahrverhalten, Messmethoden und Versuchsergebnisse. CISM-Course. Udine 1981

194 * * * Colectia de reviste R.I.A (Revista inginerului de automobile) 1991 - 1995

195 * * * Colectia de reviste Stiintã si tehnicã 1990

196 * * * Colectia de STAS-uri referitoare la constructia de automobile

197 * * * Optoelectronics Designer’s Catalog HEWLETT-PACKARD 1984

198 * * * Programs for digital signal processing. The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., John Wiley & Sons New York 1979

199 * * * Bruel & Kjaer. Catalog rezumat. 1986-1987

200 * * * Diagnostic Vibration Meter. M 1502 Robotron

201 * * * STAS 6926/13-89 Verificarea calitãtii suspensiei

202 * * * Colectiile de reviste Revista inginerilor de automobile RIA 1992 - 2005

203 * * * Colectiile de reviste Automobiltechnische Zeitschrift ATZ 1990 - 2004

204 * * * Documentatie tehnicã

Hanoywell


Kistler


Hottinger-Baldwin


BLH-Electronics

208 * * * Documentatie teh-nicã

Micro-Epsilon

209 * * * Documentatie teh-nicã

Novotechnik


IEMI Bucuresti

88

INFLUENŢA CONTROLULUI ELECTRONIC ASUPRA DINAMICITĂŢII AUTOTURISMELOR

REZUMAT Deoarece buna funcţionare a sistemelor pentru controlul mişcării autoturismului

presupune, ca odată cu identificarea la acest nivel a unei erori, avertizarea ieşirii lor din funcţiune iar sistemul tehnic trebuind însă să asigure conducătorului auto funcţionarea clasică fără reglare electronică. În aceste condiţii comportamentul dinamic al autoturismului fiind diferit de comportamentul dinamic al autoturismului cu reglare rezultând situaţii în care autoturismul realizează derive laterale însemnate ce pot constitui cauza producerii unui eveniment rutier.

Traiectoria este definită ca abilitatea unui mobil de a se mișca pe o curbă apriori cunoscută, fără ca viteza să fie impusă. Se va încerca, introducerea unui sistem tehnic care îmbină urmărirea traiectoriei cartografiate împreună cu un sistem de izolare a erorilor, într-un regulator automat hibrid. Apariţia unor erori în funcţionarea comună ABS-ESP la mişcarea autovehiculului pe traiectorie impusă, necesită realizarea unei bucle de control-comandă automate pentru izolarea și evitarea a riscului.

O direcţie de studiu este aceea a estimării parametrilor de interes. Pentru a adapta strategiile de control la vehiculele aflate deja în exploatare, estimarea trebuie aplicată în domeniul sensibilizării direcției. La controlul alunecării sau patinării roţii este necesară estimarea vitezei unghiulare a acesteia.

Automobilele moderne sunt echipate cu diferite sisteme de control care vin în sprijinul siguranţei şi confortului pasagerilor.

Obiectivul principal al lucrării este axat pe controlul autovehiculului astfel încât să poată fi determinată traiectoria acestuia în cazul cu şi fără avarii ale senzorului de turaţie a roţii.

INFLUENCE ON THE ELECTRONIC CONTROL ON DYNAMICS CARS ABSTRACT

Because the normal functioning of the motion control systems for a Vehicle involves, that at a certain point of error identification, the driver, must be warned about their incapability of functioning, but nevertheless ensure a good and safe drive without the electronic inputpart. Under these conditions the dynamic behavior will be different as in the dynamic behavior with an electronic input, resulting in situations where the car can achieve significant lateral drift that may be the cause of a road event.

The trajectory is defined as the ability of a body to move in a predefined curve, without the speed to be imposed. It will be attempted to implement a technical system which combines mapped trajectory tracking with an isolated free error system, in a automated hibrid regulator. An error that appears in the comon function of the ABS-ESP while the car is moving on the predefined trajectory requires achieving a automated control-command loop to isolate and avoid risks.

One direction of the study is to estimate the parameters that we are interested in. To adjust control strategies to vehicles already in operation, the estimation must be done in the steering domain/field. To control the wheel slip or skid it is necessary to estimate the angular speed.

Modern cars are equipped with various control systems that support the safety and comfort of passengers.

The main objective of the work is focused on the control of the vehicle so that it can be shown if the trajectory can be determined with and without to the wheel speed sensor damages.

The main objective of the work is focused on the control of the vehicle so that it can be determined if the path with and without damage to the wheel speed sensor.

89

Curriculum vitae Europass

Informaţii personale

Nume / Prenume Florentin POPESCU

Adresa Craiova, Dolj, Romania

Telefon +40 744616931

E-mail [email protected]

Cetăţenia Romana

Data naşterii 16/02/1965

Sex M

Experienţa profesională

Perioada 1996 Iulie - prezent

Funcţia sau postul ocupat Inginer

Principalele activităţi şi responsabilităţi

Laborator E.T.D.A.

Numele şi adresa angajatorului

Universitatea din Craiova, Facultatea de Mecanică

Perioada 1984 August – 1992 Februarie

Funcţia sau postul ocupat Electrician

Numele şi adresa angajatorului

I.J.G.C.L. Dolj , E.C.R.A.L. Craiova

Educaţie şi formare

Perioada 2005 – 2014

Calificarea / diploma obţinută

doctorand

Numele şi tipul instituţiei de învăţământ

Universitatea Transilvania din Brașov

Perioada 1994 – 1996


Inginer diplomat


Universitatea din Craiova, Facultatea de Mecanică, Autovehicule Rutiere

Perioada 1984 - 1991


Inginer

Domenii principale studiate / competenţe dobândite

Electromecanică

mailto:[email protected]

90


Universitatea din Craiova, Facultatea de Electromecanică

Aptitudini şi competenţe personale

2013 Certificat de absolvire a cursului ”Dezvoltarea și implementarea unui sistem de monitorizare, îmbunătățire continuă și evaluare a calității ăn învățământul superior deschis și la distanță pe baza indicatorilor de performanță și standardelor internaționale de calitate,” Universitatea Spiru Haret

Personal skills and competences

Limba(i) maternă(e) română

Limba(i) străină(e) cunoscute

Autoevaluare Comprehensiune Vorbit Scris

Nivel european (*) Abilităţi de ascultare

Abilităţi de citire

Interacţiune Exprimare

Engleză B1 B1 B1 B1 B1

Franceză B2 B2 B1 B1 B2

(*) Cadrului european de referinţă pentru limbi

Competenţe şi aptitudini tehnice

Atestat RSL IP – I.S.C.I.R. Romania, Certificat de atestare, inspector ITP, cls. 2,3 – Registrul Auto Roman RA, inclusiv GPL, 2014

Competenţe şi cunoştinţe de utilizare a calculatorului

Microsoft word, Excel, Power Point, Calcule numerice, Matlab, Fortrab, Proiectare Autocad, Catia

Permis de conducere B,C

91

Europass Curriculum Vitae

Personal information

Surname(s) / First name(s) Florentin POPESCU

Address(es) Craiova, Dolj, Romania

Telephone(s) +40 744616931

E-mail [email protected]

Nationality Romana

Date of birth 16/02/1965

Gender M

Work experience

Dates 1996 Iuly - today

Occupation or position held

Engineer

Main activities and responsibilities

Laboratory E.T.D.A.

Name and address of employer

Craiova University, Faculty of Mechanical Engineering

Dates 1984 August – 1992 February

Occupation or position held

Electrician

Name and address of employer

I.J.G.C.L. Dolj , E.C.R.A.L. Craiova

Education and training

Dates 2005 – 2014

Title of qualification awarded

Ph.D Student

Name and type of organisation providing education and training

Transilvania University of Brasov

Dates 1994 – 1996


Engineer


Craiova University, Faculty of Mechanical Engineering, Motor Vehicles

Dates 1984 - 1991


Engineer Electro mechanic

mailto:[email protected]

92


Craiova University, Electro –mechanic Faculty

Personal skills and competences

2013 Graduation Degree, „Development and implementation of a monitoring system, continuous improvement and evaluation of of the open higher education quality as well for distance based on the performance indicators and international quality standards” –Spiru Haret University

Mother tongue(s) romanian

Other language(s)

Self-assessment Understanding Speaking Writing

European level (*) Listening Reading Spoken interaction

Spoken production

English B1 B1 B1 B1 B1

French B2 B2 B1 B1 B2

(*) Common European Framework of Reference for Languages

Technical skills and competences

2012 Degree RSL IP - I.S.C.I.R. Romania 2014 Degree, Inspector ITP, cls.2,3 – Registrul Auto Roman RAR, Including GPL

Computer skills and competences

A very good understanding of all the basic software (Microsoft Word, Excel, PowerPoint, Numerical Calculus: Matlab (basic user) Fortran -Engineering graphics: Autocad, Catia

Driving licence B, C

INFLUENŢA CONTROLULUI ELECTRONIC ASUPRA DINAMICITĂŢII ... · 1 universitatea “transilvania”...

Documents

Transcript of INFLUENŢA CONTROLULUI ELECTRONIC ASUPRA DINAMICITĂŢII ... · 1 universitatea “transilvania”...