A jövő kormánykerekének képességei
Autonóm vezetés, funkcionális biztonság, érintésvezérlés és kézelvétel-érzékelés
Ma már nemcsak a Forma-1 versenyautók kormánykereke van telezsúfolva kezelőszervekkel, de egy közönséges utcai kocsié is eléggé összetett szerkezet, amelyben az egyszerű nyomógombos kezelőszerveken kívül olyan biztonsági szenzorok és kényelmi funkciók is megtalálhatók, mint a kézelvétel érzékelése, vagy a kormánykerék fűtése. Cikkünk az utóbbi két funkció együttes megoldásaiba enged betekintést.
A mai kor autóinak kormánykerekébe számos kezelőszerv van beépítve. Ezek egy részével a jármű fedélzeti szórakoztatórendszerét és a mobiltelefont lehet kezelni, mások – mint például a jármű sebességtartó automatikájának kezelőgombjai – biztonságkritikusabb funkciókat is vezérelhetnek.
Az egyik gyorsan fejlődő trend a kézelvételt érzékelő funkció (Hands off Detection – HoD), annak érzékelésére, hogy a vezető a kezét a kormánykeréken tartja-e, amint ez elvárható – és ez segíthet annak érzékelésében, hogy teljes ellenőrzés alatt tartja-e az autót.
Bár a jelenlegi autók még nem működnek bármilyen körülmények között teljesen autonóm vezetéssel, de már rendelkeznek bizonyos vezetéstámogató funkciókkal, mint amilyen például a sávtartó asszisztens (Lane Keeping Assistant – LKAS) is. Ha a jármű ilyen rendszerrel van felszerelve, a jogi szabályozások (mint például az ENSz UN/ECE R79 jelzésű, „A járművek jóváhagyásának egységes rendelkezései a kormányberendezésekre vonatkozóan” című joganyaga előírja, hogy a kormánykerékbe érzékelőt kell építeni annak detektálására, hogy a vezető aktívan irányítja-e a járművet, vagy sem. A HoD alkalmazása az LKAS-rendszerekben 2021 áprilisa óta követelmény. Miközben valamilyen vezetéstámogató rendszer segíti a vezető munkáját, gondoskodni kell arról is, hogy a vezető bármely időpillanatban képes legyen arra, hogy sajátmaga irányítsa a járművét.
A HoD nem az egyetlen funkcionalitás, amit a kormánykerékbe integrálnak. A kormánykerék fűtésének funkciójára is egyre nagyobb az igény. A gyártók magától értetődően próbálják a szerkezet bonyolultságát és árát korlátozni, és felteszik a kérdést, hogy ha már úgyis jelen van a kormánykerékben a fűtőréteg, miért is ne használnák fel ezt a HoD kapacitív érzékelőjeként is. A HoD-szenzor és a fűtőréteg-funkció egyesítése miatt nem szükséges a továbbiakban mindegyik funkcióhoz külön réteget rendelni, amely csökkenti a bonyolultságot és a szenzorok megvalósításának költségeit. A kombinált szenzorok egymásra is rétegezhetők, de lehetséges ugyanabban a rétegben egymás mellett is működtetni azokat.
Továbbfejlesztve azt a megközelítést, amely a fűtőréteg többszörös kihasználására irányul – amely a legtöbb esetben egy nagyon hosszú vezeték, ami kígyóvonalban meghajlítva követi a kormánykerék felületét – maga a fűtés és annak érzékelője már a helyén van (és ki van fizetve), miért is ne használnánk ezeket egyidejűleg a fűtés és a HoD céljára is? Ennek a megoldásnak az az eredménye, hogy újabb szenzorok beépítésének költsége nélkül valósítható meg a HoD funkcionalitása.
Az 1. ábra bármelyik használati esetét („csak HoD”, „HoD és fűtés rétegelt kivitelben”, vagy „kétszenzoros megközelítés”) is kívánja megvalósítani a gyártó, a Microchip kínál hozzá egy kis bonyolultságú mikrokontrolleres megoldást, amely egymaga elvégezheti a HoD-érzékelés és a fűtésvezérlés feladatát, ráadásul még a többzónás HoD-alkalmazásokra is használható.
1. ábra
A HoD- és a fűtésvezérlés-funkcionalitás egyesítése
A HoD és a fűtésfunkció egyesítése a fűtőelemnek a kormánykerékbe való beépítésével kezdődik. Egy csak fűtéssel ellátott kormánykerék fűtőeleme egy 4 m hosszúságú ellenálláshuzal. Ennek egyik vége állandóan az autóakkumulátor egyik pólusára van kapcsolva, a másik vége pedig egy PowerFET-en (teljesítménykapcsoló MOSFET-en) keresztül a másik pólusra. Ez az elrendezés tehát alkalmas arra, hogy a fűtőelemet a vezérlés be- és kikapcsolhassa. Ha ez a PowerFET bekapcsol, a fűtőelemen áram folyik át, és egy impulzusszélesség-modulációs (PWM) rendszer segítségével a kormánykerék felfűtésének sebessége és az előírt véghőmérséklet is szabályozható.
Ahhoz, hogy a fűtőelemet kapacitív érzékelőként is használhassuk, annak egyik vége sem kapcsolható sem a testpontra, sem az akkumulátorra. A problémát két PowerFET használatával lehet megoldani. Ezeknek a PowerFET-eknek van egy saját nyelő-forrás (drain-source) kapacitása (kimenő kapacitása), amelynek a tartománya 100 pF-tól akár 1000 pF-ig is terjedhet. Ezek a kapacitások parazitikusak abban az értelemben, hogy a HoD-funkció megvalósításához is kapacitást kell mérni: a kormánykerékbe épített HoD-szenzor kapacitását. A nagy értékű parazitakapacitás csökkenti bármilyen kapacitásmérési módszer érzékenységét, ráadásul a PowerFET-ek kimeneti kapacitása nagymértékben függ a kimeneti feszültségtől is (2. ábra). Mivel az autóakkumulátor feszültsége egyrészt folytonosan, lassan változik a töltés és kisütés állapotától függően, másrészt pedig gyors feszültségváltozások is hozzáadódhatnak, ez megváltoztatja a PowerFET-ek kimeneti kapacitását. Ennek megoldására a Microchip kifejlesztett egy kapacitív érzékelő módszert, amely beépített parazitaelnyomást kapott. Ez azt jelenti, hogy bár ezek a parazitakapacitások változnak, nem befolyásolják a mérni kívánt „nyers” kapacitásadatokat. Ez pedig azért lényeges, mert a parazitakapacitás akár tíz- vagy húszszorosa is lehet annak a kapacitásnak, ami abból adódik, hogy a járművezető fogja a kormánykereket – annak tehát, amit mérni akarunk. A Microchip megoldása feleslegessé teszi az olyan költséges megoldási lehetőségeket, mint az akkumulátorfeszültség stabilizálása vagy a fűtőáramkör olyan „elbonyolítása”, amely minimalizálja a PowerFET-ek kimeneti kapacitásának megváltozását. A parazitaelnyomás használatával az alkalmazás a legegyszerűbb anyagok felhasználásával, a legkevésbé bonyolult rendszerrel és a legalacsonyabb költségekkel valósítható meg.
2. ábra
Miért jó a többzónás HoD?
Fontos problémát jelent egyetlen nagy HoD-érzékelő alkalmazásával az, hogy a lehető legpontatlanabb információt adja a járművezérlésnek. Például egyetlen nagy érzékelő többé-kevésbé ugyanolyan jelet ad akkor is, ha a vezető biztonságosan fogja a kormánykereket, de akkor is, ha a könyökével próbál – veszélyes módon – kormányozni. Ennek a felismerésére szolgál az a megoldás, amelyet általában többzónás HoD-nek neveznek.
Egy nagyon „ügyes”, háromzónás HoD-megoldásban az első zóna a kormánykerék belső felülete, amely akkor aktiválódik, ha a vezető „rendesen” ráfog a kormánykerék ívére. A második és harmadik zóna bal- és jobboldalon, kívül helyezkedik el. A helyes (biztonságos) kormányfogást az jelzi, ha a belső zóna és a külsők valamelyike egyszerre aktív, mivel a veszélyes „könyökkel kormányzáskor” csak a külső zónák aktiválódnak.
A HoD háromzónás megközelítésével részletesebb betekintést nyerhetünk abba, hogy mi történik a kormánykerékkel – milyen mértékben van az autó a sofőr irányítása alatt.
Miért nem jó a többzónás fűtés?
A többzónás HoD követelménye első közelítésben a fűtési kör megosztását is igényli. Mivel azonban ez megnöveli a bonyolultságot, javasolt a többzónás HoD-követelmény teljesítése mellett az egyzónás fűtési megoldás megtartása. Ha például három egyvezetékes fűtővezetéket használnánk – egyvezetékes belső zóna, egyvezetékes külső zóna bal és egyvezetékes külső zóna jobb –, akkor három fűtőkörre is szükségünk lenne, ami – különösen, mert többletfunkcionalitást sem ad – nem költséghatékony. Ezenfelül gondoskodnunk kell arról, hogy minden zóna egyidejűleg, ugyanazzal a fűtési gradienssel melegedjen fel. Alacsonyan tudjuk tartani a komplexitást, ha módot találunk a többzónás HoD-követelmény egyetlen közös fűtőelemmel történő megoldására (3. ábra).
3. ábra
A probléma megoldására a Microchip egyetlen közös fűtőelem használatát javasolja, amelynek kizárólag ez a funkciója. Ehhez adódik hozzá egy második réteg, amely például egyszerű vezetőhálóból áll a kívánt HoD-zónáknak megfelelő elrendezésben. Így egyetlen fűtőáramkör mellett a követelményeknek megfelelő számú HoD-zóna is megvalósítható alacsony bonyolultsággal és kis költségszinten.
További információk a https://www.microchip.com/en-us/solutions/automotive-and-transportation weboldalon találhatók.
Szerző: Andreas Guete, marketingigazgató – Microchip Technology Inc.
