ČVUT FAKULTA DOPRAVNÍ Inteligentní dopravní systémy Semestrální práce Systémy na podporu řízení Jiří Janoušek 1 75 2011/2012
Úvod Asistenční systémy řidiče ( systémy na podporu řízení ) jsou již dnes samozřejmostí u každého automobilu, protože výrazně podporují aktivní bezpečnost vozidla a tím i bezpečí řidiče a ostatních účastníků silničního provozu. Jejich zavedení výrazně snížilo počet dopravních nehod. Studie uvádějí, že jejich počet klesl až o 40 %. Některé asistenční systémy jsou rozšířeny ve všech cenových třídách vozidel ( např. ABS ), neboť mají velký vliv na bezpečnost provozu vozidla. Asistenční systémy, které pouze zvyšují jízdní komfort nebo potřebují pro svůj provoz drahé snímače a elektroniku, jsou rozšířeny jen u vozidel střední a vyšší třídy.
Základní rozdělení asistenčních systémů Asistenční systémy řidiče (angl. Driver Assistance Systems DAS) upozorňují řidiče na nebezpečné situace a v naléhavých případech dokonce samostatně zasahují do jízdního manévru, čímž zajišťují větší bezpečnost provozu vozidla. Asistenční systémy lze dělit do dvou skupin: Asistenční systémy pro bezpečnou jízdu vozidla Asistenční systémy podporující řidiče Asistenční systémy pro bezpečnou jízdu vozidla Tyto systémy působí v kritických situacích přímo, aniž by řidič mohl zabránit jejich působení a působí tak, že to řidič případně vůbec nepozná a považuje účinky systémů na chování vozidla za normální. Systémy pro bezpečnou jízdu vozidla musejí pracovat rychle a precizně. Z tohoto důvodu jsou řízena mikropočítači. K těmto systémům se řadí například: Protiblokovací systém ABS Protiprokluzový systém ASR Elektronická stabilizace jízdy ESP Systémy pro automatické nouzové brždění ABN Asistenční systémy podporující řidiče Nepřímé podpůrné systémy, které informují o situaci a upozorňují řidiče na možná nebezpečí. Díky těmto systémům získává řidič větší přehled o dopravní situaci a může tak činit lepší rozhodnutí. Tyto systémy, na rozdíl od asistenčních systémů pro bezpečnou jízdu vozidla nemají kontrolu nad vozidlem a mohou být kdykoliv odpojeny. Řadí se sem například: Adaptivní kontrola vzdálenosti ACC Virtuální zobrazovač HUD Infračervené noční vidění Asistenční systém udržování jízdního pruhu, kontrola mrtvého úhlu Parkovací asistenční systém Aktivní světlomety Systém rozpoznávání dopravních značek
Snímače pro asistenční systémy Asistenční systémy pro svou funkci používají různé snímače. Určité typy snímačů pracují na určité maximální vzdálenosti, ale každý typ má specifický vyzařovací diagram. Což znamená, že daný snímač má schopnost pokrýt pouze část prostoru před a kolem vozidla. Proto se využívá kombinace různých druhů snímačů, aby navzájem doplnily své nedostatky v pokrytí prostoru a společně vytvořily kolem vozidla bezpečnostní pás.pro vozidlové asistenční systémy se používají snímače radarové, infračervené, laserové,ultrazvukové a videokamery. Obrázek 1: Systémy detekce okolí a jejich délkový rozsah Infračervené snímače Infračervenými snímači se snímá: vyzařování IR paprsků z povrchu pozorovaného objektu odražené žáření z povrchu sledovaného objektu, kterému je dodávána energie z vnějšího zdroje ( např. zábleskové lampy, infrazářiče, laser ) Vyzařované nebo odražené infračervené záření povrchu sledovaného objektu se převádí na obrazový signál, který se zobrazuje na monitoru. Obraz na monitoru je složen z mnoha odstínů, z nichž každý znamená určitý teplotní rozsah. U automobilových asistenčních
systémů se infračervené snímače používají k monitorování prostoru před vozidlem za zhoršených podmínek viditelnosti ( tma, mlha, déšť, sněžení ). Infračervené kamery mají také využití při monitorování stavu řidiče. Ultrazvukové snímače Snímače tohoto typu pracují na vyhodnocování ultrazvukového paprsku, který je emitován vysílačem. Hlavním poznatkem, díky kterému se využívá ultrazvuku, je ten, že ultrazvukové vlny se v prostoru odrážejí od předmětů. Zařízení využívající ultrazvuk pro detekci předmětů se nazývá Sonar. Princip práce ultrazvukových snímačů je měření času od vyslání zvukového signálu do příjmu jeho odraženého signálu od objektu. V závislosti na naměřeném čase se vypočítává vzdálenost od objektu. U automobilových asistenčních systémů se ultrazvukových snímačů používá u systémů usnadňujících parkování. Ultrazvukové snímače u těchto systémů zajišťují kontrolu prostoru kolem celého vozidla. Zpracovaná data se buď zobrazují na LCD obrazovce nebo je řidič upozorňován LED diodami a akusticky. Radarové snímače Radar je přístroj, který vyhledává předměty pomocí vysílání velmi krátkých elektromagnetických vln a následném příjmu vln od předmětu odražených. Vzdálenost hledaných předmětů se určuje podle interference vln vysílaných s vlnami odraženými.u asistenčních systémů se používá radaru ke zjišťování a regulaci odstupu jedoucích vozidel. Radary k tomuto určené pracují ve frekvenčním pásmu od 76 do 77 GHz. Laserové snímače Lidar (LIght Detection And Ranging) pracuje na stejném principu jako radar, ale na rozdíl od něj používá laserové paprsky vysílané laserovou diodou. Pulsně vysílané paprsky se odrážejí od vpředu jedoucího vozidla. Doba mezi vysláním a přijetím odraženého paprsku je přímo úměrná vzdálenosti objektu od snímače. Pro možnost dvojrozměrného měření je vysílaný paprsek vychylován rotujícím hranolem, čímž se získá rozsah 360 v jedné rovině. Lidar používá mnohem užší paprsek než radar, což vede k přesnějšímu měření. Lidar má také vyšší rozlišovací schopnost oproti radaru. Lidary, stejně jako radary, pracují na frekvenčním rozsahu od 76 do 77 GHz. Nově se také začínají vyrábět pro práci ve frekvenčním rozsahu kolem 24 GHz. Tyto systémy lze vyrobit levněji, a proto mohou být uplatněny i u vozidel z nižších cenových tříd.
Videosenzory Videokamera zaznamenává obraz okolí vozidla. Objekty zjištěné v okolí vozidla lze rozdělit na jiná vozidla, značení vozovky, dopravní značky. Asistenční systémy, u kterých je využito videosenzoriky, jsou například rozeznání jízdní stopy. Jelikož jsou všechny důležité informace vnímány očima, lze předpokládat, že v budoucnosti budou hrát videosenzory ústřední roli u asistenčních systémů. V zadní části vozidla videosenzorika pomáhá především u parkovacích asistentů. Vybrané typy asistenčních systémů Adaptivní systém pro udržování bezpečného odstupu Systém ACC ( Adaptive Cruise Kontrol ) se stará o stejné funkce jako tempomat, zejména o udržení nastavené rychlosti, navíc ale hlídá prostor před vozidlem a eliminuje možnost srážky s vpředu jedoucím automobilem. Systém kontroluje bezpečnou vzdálenost od vozidla jedoucího vpředu. Tím je především na dlouhých cestách a v hustém provozu výrazně ulehčená práce řidiče. Pomocí akcelerace a decelerace, případně s využitím brzd systém udržuje zvolenou rychlost do té doby, než je potřeba jí snížit. Pokud se před automobilem objeví pomalejší vozidlo, systém nejprve ubere plyn, v případě že brzdění motorem nestačí, automaticky je využito funkcí mechanických brzd. Systém potom udržuje mezi vozidly konstantní vzdálenost. Po tom, co objekt před autem zmizí, dochází ke vrácení na nastavenou rychlost. Vše probíhá bek jakékoli nutnosti reakce řidiče. ACCplus je rozšíření pro provoz v rychlostech pod 30 km/h, kdy se běžný ACC vypíná. Výhoda spočívá v tom, že systém reguluje rychlost až do úplného zastavení. Po tom, co se vůz vpředu opět rozjede, dochází k akceleraci. Uplatnění najde toto vylepšení v dopravních zácpách a při hustém provozu. Obrázek 2: Adaptive cruise control Asistenční systémy pro zmenšení slepého ůhlu Slepý úhel je takový, ve kterém nelze vidět míjející vozidlo. Tento úhel se snažíme různými konstrukčními opatřeními co nejvíce zmenšit. Typickým případem situace, kde se
vyskytuje slepý úhel, je vjíždění na dálnici připojovacím pruhem, kdy řidič musí sledovat situaci před vozidlem a zároveň musí sledovat situaci vedle sebe a za sebou. V současné době se vyvíjejí systémy, které by řidiče informovali o dění kolem vozidla v celé škále 360. Tyto systémy shromažďují a vyhodnocují data ze vstupních zařízení (kamery, radary, laserové senzory), které odesílají do řídící jednotky a ta vytváří virtuální obraz situace kolem vozu. Systém BLIS (Blind Spot Information Support) od firmy Volvo má na vnějších zpětných zrcátkách instalovány kamery, které monitorují prostor podél vozidla a za ním. Pokud se do sledovaného prostoru dostane jiné vozidlo, je o tom řidič informován rozsvícením kontrolky na příslušném zpětném zrcátku. Systém poskytuje informace i o vozidlech vepředu, které řidič právě předjíždí. Obrázek 3: Systém BLIS Asistenční systémy udržování vozidla uprostřed jízdního pruhu Systém varuje řidiče před nechtěným vyjetím z jízdního pruhu ve chvíli, kdy není zapnutý ukazatel směru. Pokud dochází k vybočení, je řidič upozorněn například zvukovými signály, vibracemi volantu nebo sedadla na straně, na jaké došlo k vyjetí. Některé moderní systémy přímo zasahují a pomáhají řidiči vrátit vozidlo zpět do původního směru. Ovšem tato možnost je značně omezena, protože nejde o snahu úplně převzít řízení. Přesto je ale takový manévr dostatečný k tomu, aby řidič udržel vozidlo v daném jízdním pruhu. Asistenční systémy této skupiny pracují jen při rychlostech vyšších jak 70 km/h, aby při menších rychlostech především v městském provozu, kde dochází velice často ke změně jízdního pruhu, nerušili řidiče. Tyto systémy mohou být také vypnuty manuálně. Některé systémy využívají kameru umístěnou na vnitřním zpětném zrcátku, která kontroluje polohu vozidla vůči značení jízdních pruhů. Existuje i rozpoznávání pomocí infračervených senzorů.
Obrázek 4 : Asistenční systémy udržování jízdního pruhu Asistenční systémy usnadňující parkování V dnešní době mnohé tvary karoserií neumožňují řidiči při couvání dostatečný výhled na to, aby bezpečně zaparkoval. Proto byly vynalezeny systémy pro podporu couvání a parkování. Tyto systémy jsou jak s kontrolou prostoru za vozidlem, tak i s kontrolou prostoru kolem celého vozidla. Systémy pracují na principu akustického dálkoměru. Současné parkovací asistenční systémy používají až dvanáct ultrazvukových senzorů pro měření vzdálenosti vozidla od překážky (šest na předním nárazníku a stejný počet na zadním nárazníku). Poloautomatický parkovací asistenční systém měří pomocí ultrazvukových senzorů jak vzdálenost od překážky, tak i hloubku parkovacího místa ( vzdálenost po obrubník ). Ze všech naměřených dat mikropočítač vypočítá řídící manévry, kterými řidič vozidlo dostane do daného parkovacího místa. Elektronika poté řidiči opticky a akusticky oznamuje, jak má řídit, aby vozidlo dostal do daného parkovacího místa. Maximální manévrovací rychlost je omezena na 5 km/h. Popojetí dopředu a srovnání kol provádí řidič sám. Automatické řízení při parkování je dalším vývojovým stupněm parkovacích asistenčních systémů. Pokud vozidlo má elektrické servořízení, tak jej může parkovací asistent přímo ovládat. Radarový systém vyhodnocuje velikost mezery a výskyt překážek. Pokud je nalezeno vhodné místo pro zaparkování, tak řidič aktivuje parkovací asistent a řídí vozidlo pouze přidáváním plynu nebo bržděním podle pokynů parkovacího asistenta. O řízení se starají servomotory.
Obrázek 5: Asistenční systém pro podporu parkování Asistenční systémy pro jízdu z kopce a do kopce Systém HSA (Hill Start Assist) umožňuje rozjezd do kopce bez použití ruční brzdy, protože tento systém funguje na principu, že brzdové destičky drží brzdový kotouč o sekundu déle po uvolnění brzdového pedálu. Řidič se tak rozjede plynule bez toho aniž by začal couvat. Fáze 1: řidič zastavuje a drží nohu na brzdovém pedálu. Fáze 2: vozidlo stojí v klidu. Řidič sundá nohu z brzdového pedálu, aby ovládal akcelerační pedál. HSA udržuje brzdný tlak, aby se zabránilo couvání vozidla. Fáze 3: vozidlo stále stojí. Zatímco řidič zvětšuje hnací moment motoru, tak HSA snižuje brzdný tlak do té míry, že vozidlo ani necouvá a ani nejede vpřed. Fáze 4: hnací moment motoru je dostatečný k akceleraci vozidla. Systém HSA snižuje brzdný tlak na nulu. Vozidlo se rozjíždí. Obrázek 6: Asistenční systém pro jízdu do kopce
Systém HDC ( Hill Descent Control ) je automatická regulace rychlosti vozidla při jízdě z kopce, která brání tomu, aby se vozidlo nekontrolovatelně rozjelo. Systém se aktivuje tlačítkem a pracuje sám, bez ovládání brzdového pedálu. Tento systém například umožňuje bezpečnou jízdu ze zledovatělého kopce. HDC lze aktivovat jen při rychlostech nižších než 35 km/h. Po jeho zapnutí se rychlost vozidla sníží na hodnotu, kterou lze nastavit tlačítky na volantu v rozsahu 6-25 km/h. Po překročení rychlosti 35 km/h, dojde k přechodu do stand by módu a po překročení rychlosti 60 km/h se systém vypne. Adaptivní světlomety Při nedostatečném osvětlení klesá vizuální vnímavost v noci na pouhá 4 %, informace potřebné pro řízení získané zrakem přitom dosahují hranice 90 %. Proto jsou při noční jízdě osvětlovací systémy bezpochyby jedním z nejdůležitějších prvků zvyšujících bezpečnost provozu. Stále více se využívají tzv. asynchronní osvětlovací systémy, které směřují více světla do prostoru před vozidlem a neoslňují tolik protijedoucí účastníky provozu. Jedním ze systémů je AFL ( Adaptive Forward Lighting ). Řídicí systém sleduje úhel natočení volantu a podle něj pak natáčí pohyblivou čočku světlometu. Díky tomu dojde k lepšímu a rychlejšímu osvětlení prostoru zatáčky. Řidič pak může rychleji reagovat na případnou překážku. Adaptivní světlomety jsou mnohdy vybaveny ještě jedním reflektorem, tzv. odbočovacím světlem. Systém adaptivních světlometů sleduje aktuální rychlost vozidla, úhel natočení volantu a spuštění blikačů. Na základě těchto údajů automaticky aktivuje odbočovací světlomet. Díky tomuto světlometu řidič lépe vidí například při parkování nebo jízdě po městě. Odbočovací světlomet je spouštěn při rychlostech do 70 km/h. Při zařazení zpátečky se naopak aktivuje automaticky na obou stranách. Obrázek 7: Adaptivní světlomety
Systémy pro noční vidění Pomocí účinného nastavení světlometů lze dosáhnou značného zvýšení osvětleného prostoru, avšak je jen těžko možné srovnávat tyto podmínky se situací ve dne. Využití systémů pro noční vidění, které používají pouhým okem neviditelné infračervené světlo, dokáže informovat řidiče o situaci před vozem dříve, než ji zaznamená pouhým okem. Využívají se zde dvě technologie, far infra-red (FIR) a near infra-red (NIR). FIR má dosah až 300 m a zaznamenává pouze objekty, které vyzařují teplo. Hodí se proto pro rozpoznání osob či zvířat. Oproti tomu NIR s dosahem okolo 150 metrů zobrazuje situaci provozu a objekty podle odraženého světla ( speciální laserové světlomety osvětlují vozovku infračerveným světlem, které je posléze snímáno videokamerou ), je ale citlivé na jiná světla ( auta, semafory, pouliční osvětlení, apod.). Obě technologie lze různě kombinovat. Obraz, který kamera zaznamená, se zpracuje v počítači a je následně zobrazen na displeji na přístrojové desce, nebo virtuálně pomocí HUD v zorném poli řidiče.
Závěr Asistenční systémy řidiče mají pozitivní vliv na bezpečnost silničního provozu. Po jejich zavedení se počet dopravních nehod snížil o desítky procent v porovnání s dobami, kdy se řidič musel při řízení spolehnout jen na své schopnosti. Nejvíce se o to zasloužily systémy ABS a ESP. Tak jako u každé technologie, tak i u asistenčních systémů dochází ke zdokonalování a vývoji nových systémů. Jedním ze směrů vývoje může být snaha o použití méně nákladných technologií a díky tomu pak bude možno rozšířit některé asistenční systémy mezi automobily nižších cenových tříd. Dalším vývojem asistenčních systémů budeme moci v budoucnosti dosáhnout například autonomního řízení vozidla nebo účinné samonavigace schopné vyhnout se kolizi s ostatními vozidly. Tyto autonomní systémy ale ještě nejsou po právní stránce ošetřeny a jsou tedy dosud nepoužitelné pro silniční provoz.
Seznam použité literatury [1]. VLK, F. Automobilová elektronika 1 : Asistenční a informační systémy.nakladatelství VLK, Brno 2006. [2]. BROGGI,A.,ZELINSKY, A. Inteligent Vehicles. [online]. Dostupné z < http://users.dimi.uniud.it/~antonio.dangelo/robotica/2010/helper/handbookivehicles.pdf > [3]. MLADENOV,Z. Ford Answers Customer RequestsFor Better Vehicle Visibility. [online].2008 Dostupné z < http://www.automobilesreview.com/auto-news/fordanswers-customer-requestsfor-better-vehicle-visibility/8255/> [4]. RUTLEGE,K. What is BLIS. [online].2011 Dostupné z < http://www.ipdusa.com/techtips/10086/what-is-blis-blind-spot-information-system> [5]. Better protection with side laminated glass. [online].2006 Dostupné z < http://www.autopressnews.com/2006/2006csm/m03/citroen/citroen_c4.shtml> [6]. Parking Assistant. [online].2012 Dostupné z < http://rbkwin.bosch.com/en/safety_comfort/driving_comfort/driverassistancesystems/parkinga id/parkingassistant/index.html > [7]. HAMMERTON, R. New electric-assist steering system paves way for auto parking for local Fords. [online].2011 Dostupné z < http://www.goauto.com.au/mellor/mellor.nsf/story2/78150fe768f3b335ca25784f0 010C61El > [8]. Opel Adaptive Forvard Lighting. [online].2012 Dostupné z < http://www.euroncap.com/rewards/opel_advanced_forward_lighting.aspx> [9]. http://www.skoda.at/modelle/octavia/octavia_combi/ausstattung/mehrausstattung/? [10]. http://www.bosch.cz/press/img/db/obrazky/1-ae-12955-cz.pdf [11]. TSUGAVA,S New Concepts on Safe Driver-Assistance Systems[online].2009 Dostupné z < http://www.springerlink.com/content/k07r7734415u205g/>