интерфейс авто что это такое

Обзор цифровых интерфейсов современного автомобиля

Отказ от ответственности

Все нижеследующее выражает личное мнение автора, возможно, мне неизвестны какие-либо существенные факты либо знаковые плюсы и минусы какого-то стандарта либо я недооцениваю их потенциал.

Интерфейс LIN (aka ISO17987) — пожалуй самый длинный (если сравнивать по длине линий, а не по весу меди в проводах) пучок в современном авто. Как говорится — модно, доступно, молодёжно. Принцип необходимой достаточности и минимальной цены решения применяемый для некритичных к надёжности и/или безопасности компонент: климатическая установка, кнопки мультируля, стеклоподьемники, замки дверей. Протокол по физике очень похож (берет своё начало) от K-line протокола диагностики, стандартизованного как ISO9141. Во многих микроконтроллерах реализуется на основе аппаратного UART (в том же STM8 имеюттся аппаратные дополнения к UART для поддержки различных реализаций LIN)

Интерфейс CAN (aka ISO11898) — пожалуй, самый известный интерфейс современного автомобиля, во многом благодаря использования как стандарт де-факто для интерфейса диагностики инжекторного двигателя — аля OBD2. Однако, благодаря своим уникальным качествам, нашёл применение в таких ответственных отраслях как промэлектроника, авиация, космонавтика, ЖД и морской транспорт.

FlexRay

Интерфейс FlexRay (aka ISO17458) — пожалуй, можно назвать антиподом LIN в плане стоимости реализации и бесполезности. Поскольку часть обмена по шине осуществляется в режиме TDMA, предьявляются особые требования к точности тактового генератора узлов сети. Сам протокол излишне сложен и надуман (с точки зрения реализации собственного аппаратного контроллера, работающего с FlexRay; однозначно сложнее реализации Ethernet+CAN вместе взятых). На данный момент FlexRay используется на ограниченном количестве моделей автомобилей европейских премиум-брендов (это за >10 лет существования), а дальнейшей экспансией не пахнет. Вероятно, совсем скоро FlexRay загнётся ввиду его замены такими технологиями как CAN FD (сравнимая скорость) и TT-CAN (TDMA работа с шиной).

Интерфейс MOST (не стандартизован ISO) — пожалуй, лишь условно можно назвать автомобильным, поскольку основное назначение — изохронная передача мультимедиаданных (аудио/видео). Не особо понятно почему тот же SPDIF по оптике или коаксиалу не использовать — очередная попытка авто-индустрии придумать «свой» стандарт?

Ethernet AVB

Протокол Ethernet AVB (Audio Video Bridging) — назначение, аналогичное MOST. Протокол описывается целой когортой стандартов IEEE:

Возможно, за счёт многолетних наработок по Ethernet и удешевлению элементной базы, стандарт «взлетит». Предполагаемое использование: передача звука из головного устройства в цифровой усилитель, трансляция картинки на IVI и пассажирские мониторы, подключение обзорных и парк-камер.

Интерфейс SENT (Single Edge Nibble Transmission, aka SAE J2716) — разработанный для автопрома и быстро ставший популярным интерфейс для датчиков. По аналогии с аналоговыми датчиками, используется три провода: земля, питание 5В и данные с датчика.
Характеристики:

Интерфейс PSI5 (Peripheral Sensor Interface) — второй разработанный специально для нужд автопрома интерфейс для коммуникации с датчиками. Это токовый интерфейс, данные в котором передаются модуляцией по питающей линии. Для кодирования бит используется манчестер-кодирование. Выглядит замечательно: прощайте аналоговые трёхпроводные датчики, чувствительные к наводкам!

Кстати, в последних редакциях стандарт предлагает поддержку датчиков системы эйрбэгов.

Вместо послесловия

Запасаюсь попкорном и жду исходов битвы интерфейсов/появления новых кандидатов за место под солнцем. Как показал опыт FlexRay, недостаточно поддержать интерфейс вендорами в кремнии или консорциумами типа ISO/SAE — он, как фрукт, должен вызреть.

Источник

Управление автомобилем по CAN

Введение

Беспилотный автомобиль StarLine на платформе Lexus RX 450h — научно-исследовательский проект, стартовавший в 2018 году. Проект открыт для амбициозных специалистов из Open Source Community. Мы предлагаем всем желающим поучаствовать в процессе разработки на уровне кода, опробовать свои алгоритмы на реальном автомобиле, оснащенном дорогостоящим оборудованием. Для управления автомобилем было решено использовать Apollo, открытый фреймворк. Для работы Apollo нам необходимо было подключить набор модулей. Эти модули помогают программе получать информацию об автомобиле и управлять им по заданным алгоритмам.

К таким модулям относятся:

Теоретическая часть

Что такое CAN-шина

В современных автомобилях управление всеми системами взяли на себя электронные блоки (Рис. 1.). Электронные блоки — это специализированные компьютеры, каждый из которых имеет все необходимые интерфейсы для интеграции с автомобилем. С помощью цифровых интерфейсов связи, блоки объединяются в сеть для обмена информацией друг с другом. Самые распространенные цифровые интерфейсы в автомобилях — CAN, LIN, FLEXRay. Из них наибольшее распространение получил именно CAN.

CAN (Controller Area Network) шина — это промышленный стандарт сети. В 1986 году этот стандарт разработали в компании Bosch. А первым автомобилем с CAN-шиной стал Mercedes-Benz W140, выпущенный в 1991 году. Стандарт разрабатывался для возможности устройствам общаться друг с другом без хоста. Обмен информацией осуществляется с помощью специальных сообщений, которые состоят из полей ID, длины сообщения и данных. Каждый блок имеет свой набор ID. При этом приоритет на шине имеет сообщение с меньшим ID. Поле данных может нести информацию, например, о состоянии систем и датчиков, команды управления механизмами и т.д.

Рис. 1. Шина CAN автомобиля.

На физическом уровне шина представляет собой витую пару из медных проводников. Сигнал передается дифференциально, за счет чего достигается высокая помехоустойчивость.

Рис. 2. Физическое представление сигнала в CAN шине

Посредством CAN шины можно получать информацию о состоянии различных датчиков и системах автомобиля. Также по CAN можно управлять узлами автомобиля. Именно эти возможности мы и используем для своего проекта.

Мы выбрали Lexus RX, потому что знали, что сможем управлять всеми необходимыми узлами по CAN. Так как самое сложное при исследовании автомобиля — это закрытые протоколы. Поэтому одной из причин выбора именно этой модели авто стало наличие описания части протокола CAN-шины в opensource-проекте Openpilot.

Правильно управлять автомобилем — означает понимать, как работают механические части систем автомобиля. Нам было необходимо хорошо понимать, как правильно работать с электроусилителем или управлять замедлением автомобиля. Ведь, например, при повороте колеса создают сопротивление на рулевое управление, что вносит свои ограничения на управление при повороте. Некоторые системы невозможно использовать без ввода авто в специальные рабочие режимы. Эти и другие детали нам пришлось изучать в процессе работы.

Электроусилитель руля

Электроусилитель руля EPS (Electric Power Steering) — система, предназначенная снизить усилие на руль при повороте (Рис. 3). Приставка «электро» говорит о типе системы — электрическая. Управление рулем с этой системой становится комфортным, водитель поворачивает руль в нужном направлении, а электродвигатель помогает довернуть его до необходимого угла.

Электроусилитель устанавливается на рулевой вал автомобиля, части которого соединены между собой торсионным валом. На торсионный вал устанавливается датчик величины крутящего момента (Torque Sensor). При вращении руля происходит скручивание торсионного вала, которое регистрируется датчиком момента. Данные, полученные от датчика момента, датчиков скорости и оборотов коленвала, поступают в электронный блок управления ECU. А ECU, в свою очередь, уже вычисляет необходимое компенсационное усилие и подает команду на электродвигатель усилителя.

Рис. 3. Схематичное изображение системы электроусилителя руля

Видео: cистема LKA рулит автомобилем с помощью системы EPS.

Электронная педаль газа

Дроссельная заслонка — это механизм регулировки количества топливной смеси, которая попадет в двигатель. Чем больше смеси попадет, тем быстрее едет автомобиль.
Электронная педаль газа — это система, которая задействует работу нескольких электронных узлов. Сигнал о положении педали, при ее нажатии, поступает в блок управления двигателем ECM (Engine Control Module). ECM, на основе этого сигнала, рассчитывает необходимое количество топлива, которое нужно подать в двигатель. В зависимости от необходимого количества топлива, ECM регулирует угол открытия дроссельной заслонки.

Рис. 4. Система электронной педали газа.

Видео: Для работы круиз-контроля используется управление электронной педалью газа.

Электронные системы помощи водителю

Мы купили автомобиль, который оборудован множеством цифровых блоков и систем помощи водителю (ADAS). В нашем проекте мы используем LKA, ACC и PCS.

LKA (Lane Keep Assist) — это система удержания в полосе, которая состоит из фронтальной камеры и вычислительного блока. LKA удерживает автомобиль в полосе движения, когда водитель, например, отвлекся. Алгоритмы в вычислительном блоке получают данные от камеры и на их основе принимают решение о состоянии автомобиля на дороге. Система способна понимать, что автомобиль неконтролируемо движется к правой или левой полосе. В таких случаях подается звуковой сигнал для привлечения внимания водителя. При пересечении полосы система сама скорректирует угол поворота колес так, чтобы автомобиль остался в полосе движения. Система должна вмешиваться только в том случае, если осознает, что маневр между полосами движения не был вызван действием водителя.

ACC (Adaptive Cruise Control) — система адаптивного круиз-контроля, который позволяет выставить заданную скорость следования. Автомобиль сам ускоряется и притормаживает для поддержания нужной скорости, при этом водитель может убрать ногу с педалей газа и тормоза. Этот режим удобно использовать при езде по скоростным магистралям и автострадам. Адаптивный круиз контроль способен видеть препятствия впереди автомобиля и притормаживать для избежания столкновения с ними. Если впереди автомобиля едет другое транспортное средство с меньшей скоростью, ACC сбавит скорость и будет следовать за ним. При обнаружении статичного объекта, ACC сбавит скорость до полной остановки. Для обнаружения объектов перед автомобилем такая система использует радар с миллиметровым диапазоном длин волн. Обычно такие радары работают на частоте 24-72 ГГц и способны уверенно видеть объекты на расстоянии до 300 метров. Радар обычно установлен за передним значком на решетке радиатора.

PCS (Pre-Collision System) — система предотвращения столкновения. Система призвана предотвратить столкновение с автомобилем, который движется впереди. При неизбежности столкновения, система минимизирует урон от столкновения. Здесь так же используются радар для оценки расстояния до объекта и фронтальная камера для его распознавания. Фронт PCS прогнозирует вероятность столкновения на основе скорости автомобиля, расстояния до объекта и его скорости. Обычно у системы есть два этапа срабатывания. Первый этап — система звуком и индикацией на приборной панели оповещает об опасности водителя. Второй этап — активируется экстренное торможение с помощью системы ABS, и включаются преднатяжители ремней безопасности.

Практическая часть

Управление рулем

Первое, что захотелось сделать нашей команде, — это научиться рулить. Рулем в автомобиле могут управлять две системы: парковочный ассистент IPAS (Intelligent Park Assist) и LKA.

IPAS позволяет задавать напрямую угол поворота рулевого колеса в градусах. Так как в нашем автомобиле нет данной системы, проверить и освоить рулевое управление таким способом нельзя.

Поэтому мы изучили электрические схемы автомобиля и поняли, какие CAN-шины могут быть полезны. Мы подключили анализатор CAN-шины. Лог содержит файл записей сообщений в шине в хронологической последовательности. Наша задача была найти команды управления электроусилителем руля EPS (Electric Power Steering). Мы сняли лог поворота рулевого колеса из стороны в сторону, в логе смогли найти показания угла поворота и скорость вращения рулевого колеса. Ниже пример изменения данных в шине CAN. Интересующие нас данные выделены маркером.

Поворот руля влево на 360 градусов

Поворот руля вправо на 270 градусов

Следующим этапом мы исследовали систему удержания в полосе. Для этого мы выехали на тихую улицу и записали логи обмена между блоком удержания в полосе и DSU (Driving Support ECU). С помощью анализатора шины CAN нам удалось вычислить сообщения от системы LKA. На рисунке 6 изображена команда управления EPS.

Рис. 5. Команда управления рулем с помощью системы LKA

LKA управляет рулем путем задания значения момента на валу (STEER_TORQUE_CMD) рулевого колеса. Команду принимает модуль EPS. Каждое сообщение содержит в заголовке значение счетчика (COUNTER), которое инкрементируется при каждой отправке. Поле LKA_STATE содержит информацию о состоянии LKA. Для захвата управления необходимо выставлять бит STEER_REQUEST.

Сообщения, которые отвечают за работу важных систем авто, защищаются контрольной суммой (CHECKSUM) для минимизации рисков ложного срабатывания. Автомобиль проигнорирует такую команду, если сообщение содержит некорректную контрольную сумму или значение счетчика. Это встроенная производителем защита от вмешательств сторонних систем и помех в линии связи.

На графике (Рис. 6.) представлена диаграмма работы LKA. Torque Sensor — значение с датчика момента на торсионном валу. Torque Cmd — команда от LKA для управления рулем. Из картинки видно, как происходит подруливание LKA для удержания автомобиля в полосе. При переходе через ноль меняется направление поворота руля. Т.е. отрицательное значение сигнала говорит о повороте вправо, положительное — влево. Удержание команды в нуле говорит об отсутствии управления со стороны LKA. При вмешательстве водителя, система перестает выдавать управление. О вмешательстве водителя LKA узнает с помощью второго датчика момента на валу со стороны рулевого колеса.

Рис. 6. График работы системы LKA

Нам предстояло проверить работу команды управления рулем. С помощью модуля StarLine Сигма 10 мы подготовили прошивку для проверки управления. StarLine Сигма 10 должен выдавать в CAN-шину команды на поворот руля влево или вправо. На тот момент у нас не было графического интерфейса для управления модулем, поэтому пришлось использовать штатные средства автомобиля. Мы нашли в CAN-шине статус положения рычага круиз-контроля и запрограммировали модуль таким образом, что верхнее положение рычага приводило к повороту руля вправо, нижнее положение — к повороту влево (Рис. 7).

Рис. 7. Первые попытки рулить

На видео видно, что управление осуществляется короткими секциями. Это возникает по нескольким причинам.

Первая из причин — это отсутствие обратной связи. Если расхождение между сигналом Torque Cmd и Torque Sensor превышает определенное значение Δ, система автоматически перестает воспринимать команды (Рис. 8). Мы настроили алгоритм на корректировку выдаваемой команды (Torque CMD) в зависимости от значения момента на валу (Torque Sensor).

Рис. 8. Расхождение сигнала приводит к ошибке работы системы

Следующее ограничение связано с системой защиты встроенной в EPS. Система EPS не позволяет командами от LKA рулить в широком диапазоне. Что вполне логично, т.к. при езде по дороге резкое маневрирование не безопасно. Таким образом, при превышении порогового значения момента на валу, система LKA выдает ошибку и отключается (Рис. 9).

Рис. 9. Превышение порогового значения регулировки момента на валу

Независимо от того, активирована система LKA или нет, сообщения с командами от нее присутствуют в шине постоянно. Мы посылаем модулю EPS команду повернуть колеса с конкретным усилием влево или вправо. А в это время LKA перебивает наши посылки «пустыми» сообщениями. После нашей команды со значением момента, приходит штатная с нулевым (Рис. 10).

Рис. 10. Штатные сообщения приходят с нулевыми значениями момента и перебивают наше управление

Тогда мы, с помощью модуля StarLine Сигма 10, смогли фильтровать весь трафик от LKA и блокировать сообщения с ID 2E4, когда нам это было нужно. Это решило проблему, а нам удалось получить плавное управления рулем (Рис. 11).

Рис. 11. Плавная регулировка поворота руля без ошибок

Управление газом

Система адаптивного круиз-контроля ACC управляет ускорением и торможением программно по CAN-шине. Блок управления двигателем ECU принимает команды DSU, если необходимо ускориться — активирует электронную педаль газа. Для торможения автомобиля используется рекуперативное торможение. При этом на торможение и ускорение используется одна команда, отличаются только значения.

Команда управления ускорением или замедлением представлена на рисунке 12. Она состоит из величины ускорения ACCEL_CMD, пары служебных бит и контрольной сумма Checksum. Для ускорения автомобилем значение ACCEL_CMD положительное, для замедления — отрицательное. Ускорение задается в диапазоне от 0 до 3 м/с^2, замедление аналогично, но со знаком минус. Для отправки данных в шину необходимо пересчитать желаемое ускорение или замедление с коэффициентом 0,001. Например, для ускорения 1 м/с^2, ACCEL_CMD = 1000 (0x03E8).

Рис. 12. Команда управления ускорения/замедления автомобиля

Мы сняли логи со штатной системы ACC и проанализировали команды. Сравнили с имеющимся у нас описанием команд и приступили к тестированию.

Рис. 13. Лог управления ускорением/замедлением системы адаптивного круиз-контроля ACC (выделено маркером)

Здесь не обошлось без трудностей. Мы выехали на дорогу с оживленным трафиком для тестирования команды ускорения. Команды управления ускорением или замедлением автомобиля работают только при активированном круиз контроле, не достаточно активировать его кнопкой. Необходимо найти движущийся впереди автомобиль и включить режим следования за ним.

Рис. 14. Активация круиз контроля происходит при наличии впереди другого траснпортного средства

С помощью модуля StarLine Сигма 10 посылаем команду ускорения, и автомобиль начинает набирать скорость. К этому моменту мы подключили графический интерфейс для управления модулем StarLine Сигма 10. Теперь мы управляем рулем, ускорением и торможением с помощью кнопок в приложении.

Команды работали до тех пор, пока не потеряли автомобиль впереди. Система круиз-контроля отключилась, а следовательно, и команды ускорения перестали работать.
Мы приступили к исследованию возможности использовать команды без активного круиз-контроля. Пришлось много времени потратить на анализ данных в шине CAN, чтобы понять как создать условия для работы команд. Нас интересовало, в первую очередь, какой блок блокирует выполнение команд ACC на ускорение или замедление. Пришлось изучить какие ID идут от DSU, LKA, радара и камеры, подсовывая липовые данные различных датчиков.

Решение пришло спустя 3 недели. К тому времени мы представляли как происходит взаимодействие блоков автомобиля, провели исследование трафика сообщений и выделили группы сообщений, посылаемых каждым блоком. За работу адаптивного круиз-контроля ACC отвечает блок Driving Support ECU (DSU). DSU выдает команды на ускорение и замедление автомобиля, и именно этот блок получает данные от радара миллиметрового диапазона. Радар сообщает DSU на каком расстоянии от машины движется объект, с какой относительной скоростью и определяет его положение по горизонтали (левее, правее или по центру).

Наша идея заключалась в подмене данных радара. Мы сняли лог следования за автомобилем, вытащили из него данные радара в момент следования. Теперь, после включения круиз-контроля, мы посылаем фейковые данные о наличии впереди идущего авто. Получается обманывать наш автомобиль, говоря что впереди движется другое авто на конкретном расстоянии.

a) б)
Рис. 15. Активация круиза: a) попытка активировать без подмены данных радара; б) активация при подмене данных от радара.

Когда запускаем нашу обманку, на приборной панели загорается значок наличия впереди идущего автомобиля. Теперь мы можем тестировать наше управление. Запускаем команду на ускорение, и автомобиль начинает быстро ускоряться.

Как мы уже узнали, команда на ускорение и замедление одна. Поэтому тут же проверили и замедление. Поехали на на скорости с активным круиз-контролем, запустили команду на торможение, и авто сразу же замедлилось.

В итоге сейчас получается разгонять и замедлять автомобиль именно так, как нам было нужно.

Что еще мы используем

Для создания беспилотника необходимо управление вспомогательными системами: поворотниками, стоп-сигналами, аварийной сигнализацией, клаксоном и пр. Всем этим так же можно управлять по CAN шине.

Оборудование и ПО

Для работ с автомобилем сегодня мы используем набор различного оборудования:

Беспилотный автомобиль StarLine — это открытая площадка для объединения лучших инженерных умов России и мира с целью создания прогрессивных технологий беспилотного вождения, которые сделают наше будущее безопасным и комфортным.

Источник

Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Пользовательские интерфейсы в автомобиле

Еще несколько лет назад автомобиль не мог сообщать водителю тот объем информации, которым готов делиться сейчас. Мостом общения между человеком и автомобилем являются пользовательские интерфейсы в автомобиле или система, с которыми взаимодействуют объекты разного типа. Человек и машина налаживают контакт с помощью множества специальных устройств. С точки зрения пользователя, это средства связи между ним и автомобилем. Задача разработчиков интерфейсов — моделировать работающий канал взаимодействия. Вот о том, какими бывают пользовательские интерфейсы в автомобиле, мы и поговорим в этой статье.

Дисплеи и органы управлении

Каналы обмена информацией

Водители должны обрабатывать постоянно возрастающий поток информации, которая поступает от собственного и других автомо­билей, а также от дороги и средств связи. Вся эта информация должна передаваться води­телю при помощи хорошо читаемых дисплеев и индикаторных устройств, соответствующих требованиям эргономики.

Визуальный канал — визуальное восприятие информации

Человек воспринимает окружающую обста­новку, главным образом, посредством орга­нов зрения (рис. «Каналы передачи информации между водителем и транспортным средством» ). Оценка других участни­ков дорожного движения, их положения, их ожидаемого поведения, дороги и траекторий движения, объектов на ней проводится при помощи органов зрения и имеющихся раз­витых способностей обработки и анализа изображения; важные факторы выбираются и оцениваются в отношении их важности и прогноза развития при помощи дополнитель­ных способностей мозга.

Даже оценка инфраструктуры дорожного движения, в первую очередь, опирается на визуальный канал. Дорожные знаки содержат предписания и указания направления движения, разметка разграничивает полосы движения, указатели направления обозна­чают изменения направления движения, стоп-сигналы подают предупреждения о транспортных средствах, замедляющих ско­рость. Поэтому визуальный канал крайне ва­жен при вождении. Это касается и осознан­ного зрения, когда водитель поворачивает глаза на объект и концентрируется на нем, и периферийного зрения, которое важно для оценки положения транспортного средства на полосе движения. Поэтому следует тща­тельно оценить с точки зрения влияния на безопасность дорожного движения каждую ситуацию, когда водителю необходимо до­полнительно бросить взгляд на дисплей при взаимодействии с информационными систе­мами и системами повышения безопасности или для получения информации от них.

Акустический канал — речь и слух

Для общения с другими участниками движе­ния, в частности, для подачи и восприятия сигналов об опасности, водители и системы повышения безопасности используют аку­стический канал. Водитель также использует этот канал в собственном транспортном средстве для ввода голосовых команд и по­лучения звуковых и речевых предупрежде­ний и информации от системы повышения безопасности.

Ввод голосовых команд не требует от во­дителя изменять направления взгляда, но занимает часть его внимания. Восприятие информации на слух не требует от водителя изменять направления взгляда, но при этом пространственная и сложная информация (например, описание ситуации на пересе­чениях дорог) может передаваться в неудо­влетворительной форме. Даже водители с нарушениями слуха должны быть способны взаимодействовать с системой повышения безопасности.

Тактильный канал — действия и осязание

Тактильный канал дает водителю обратную связь при всех действиях по управлению двигателем, когда задействованы переклю­чатели, а также при рулении и торможении. Подача предупреждений водителю путем кратковременного затягивания ремней безопасности и вибрации сиденья в случае неизбежности ухода транспортного средства с полосы движения уже внедрена в серийно выпускаемых автомобилях. Имеется также возможность привлечь внимание водителя вибрацией рулевого колеса. Увеличение со­противления педали акселератора может до­полнять подсказку относительно рекоменду­емой скорости движения, а изменение усилия на руле, воспринимаемое водителем, может служить подсказкой относительно рекомен­дуемого изменения направления движения для того, чтобы остаться в пределах полосы движения или совершить маневр уклонения.

Даже кинестетический канал, при помощи которого водитель воспринимает ускорения, уже используется в серийных автомобилях для привлечения внимания водителя, на­пример, путем подачи короткого толчка при торможении.

Тактильный канал постоянно используется при управлении автомобилем, а дополни­тельные действия (например, набор номера на клавиатуре сотового телефона) могут ухудшить восприятие и контроль.

Контрольно-измерительные приборы

Зоны передачи информации и коммуникации

В автомобиле имеются четыре зоны пере­дачи информации и коммуникации, кото­рые предъявляют различные требования к параметрам соответствующих дисплеев или индикаторных устройств: комбинация прибо­ров, ветровое стекло, центральная консоль и задняя часть салона.

Состав имеющейся и/или необходимой информации определяет то, какая зона коммуникации используется в каждом кон­кретном случае. Динамическая информация (например, скорость движения) и справочная информация (например, уровень топлива), на которую водитель должен реагировать, вы­водится на комбинацию приборов как можно ближе к основному полю зрения водителя.

Индикация на ветровом стекле (HUD) иде­ально подходит для привлечения внимания водителя (например, при подаче сигнала от системы повышения безопасности или при указании маршрута). Индикация на ветровом стекле также пригодна для показа скорости в удобной для восприятия форме. Дополни­тельно могут подаваться звуковые или рече­вые сигналы.

Информацию о состоянии автомобиля или более развернутые диалоговые меню (на­пример, для выбора маршрута) желательно помещать на центральный дисплей централь­ной консоли. Однако, управляющие устрой­ства не обязательно находятся прямо на центральном дисплее; они также могут нахо­диться между передними сиденьям в салоне.

Информация развлекательного характера выводится к задним сиденьям автомобиля, на удалении от основного поля зрения води­теля. Также это место идеально для разме­щения мобильного офиса. Спинка переднего сиденья пассажира является подходящим местом для размещения терминала с порта­тивным компьютером.

«Парный дисплей» или «разделенный ди­сплей» на центральной консоли устанавли­вается как дополнительная опция, начиная с 2009 года; такой дисплей показывает различ­ную информацию для водителя и пассажира так, что пассажир может, например, смотреть видео, не отвлекая водителя.

Комбинация приборов

Более старые модели приборов и указателей, предназначенные для визуального показа ин­формации (например, скорость движения, обороты коленчатого вала двигателя, уровень топлива и температура охлаждающей жидкости системы охлаждения двигателя) были сначала заменены более экономически эффективными, лучше освещенными и антибликовыми комбинациями приборов (комбинациями нескольких указателей в одном блоке).

С течением времени непрерывный рост объема информации при­вел к размещению в имеющемся ограниченном пространстве современных комбинаций прибо­ров с несколькими стрелочными измеритель­ными приборами и многочисленными сигналь­ными лампами. (см. рис. а, «Зона информации для водителя» ). В этом первом поколении комбинаций приборов использова­лись индикаторы на основе вихревых токов для спидометра, индикаторы на основе магнитоэ­лектрической катушки для указателя оборотов коленчатого вала двигателя и тепловой измери­тельный прибор для указателя уровня топлива.

Измерительные приборы

Даже сегодня во многих приборах использу­ются механические стрелочные указатели и шкалы (рис. b и с, «Зона информации для водителя» ). В качестве измерительных приборов, в основном, исполь­зуются точные шаговые электродвигатели. Благодаря компактной магнитной катушке и (обычно) двухступенчатой передаче с потре­блением мощности всего около 100 мВт, эти двигатели обеспечивают быстроту и высоко­точное расположение стрелки (рис. «Комбинация приборов (конструкция)» ).

Цифровые дисплеи

Цифровые указатели, устанавливавшиеся до 1990-х годов (например, указатели скорости движения), использовали дисплеи на основе технологии вакуумной флюоресценции (VFD), а позднее — на основе жидких кристал­лов (LCD); к настоящему моменту они почти вышли из употребления. Вместо этого ис­пользуются традиционные аналоговые стре­лочные указатели в сочетании с дисплеями. В то же время наблюдается увеличение раз­меров и разрешающей способности и улуч­шение цветопередачи дисплеев.

Освещение

Для подсвечивания комбинации приборов в значительной мере использованы предыду­щие достижения в области технологий под­светки, благодаря их выигрышному внешнему виду. Лампы заменены светодиодами (LED), имеющими длительный срок службы. Све­тодиоды можно использовать как в качестве предупредительных ламп, так и для подсветки шкал, дисплеев и стрелочных указателей (при необходимости, можно использовать с ними пластиковые световоды).

Цветные жидкокристаллические дисплеи (ЖК-дисплеи), в связи с их весьма низкой светоотдачей (обычно около 60%), требуют применения флуоресцентных ламп с холод­ным катодом (CCFL) для подсветки с тем, чтобы обеспечить хорошую контрастность при дневном свете. Однако, начиная с 2005 года, их в этом качестве все чаще заменяют белыми ЖК-приборами, благодаря их воз­росшей эффективности.

Графические модули в блоке приборов

Оснащение транспортных средств надувной подушкой безопасности для водителя и уста­новка усилителя рулевого управления в каче­стве стандартного оборудования приводят к уменьшению поля зрения водителя. В то же самое время количество информации, которая должна читаться в этом секторе обзора, воз­растает. Поэтому возникает необходимость установки дополнительных модулей подачи информации, имеющих графические возмож­ности, а также дисплеев, способных показы­вать любую информацию в гибкой форме по выбору пользователя. Это приводит к форми­рованию блока приборной панели с использо­ванием традиционных стрелочных указателей, дополненных графическими дисплеями.

Графические модули в комбинации прибо­ров, главным образом, воспроизводят функ­ции, касающиеся водителя и автомобиля, такие как, например, интервалы технического обслуживания, текущего ремонта или прове­рок, охватывающих поведение автомобиля при эксплуатации, а также автомобильную диагно­стику, требуемую для ремонтной мастерской. Графические модули также могут отображать поступающую от навигационной системы ин­формацию о направлении маршрута движения (при отсутствии цифрового изображения карты маршрута показываются только символы на­правления движения в виде стрелок или перекрестков).

Первоначально, эти дисплеи были монохромными; в настоящее время, на автомобилях верхнего сегмента рынка они вы­тесняются цветными дисплеями (как правило, с экранами типа TFT — тонкопленочный тран­зистор), информация с которых считывается более быстро и легко, благодаря их цветности. Дисплеи типа TFT также используются для ими­тации аналоговых указателей, начиная с 2005 года (рис. d, «Зона информации для водителя» ). В качестве примера можно при­вести приборную панель автомобилей «Мерсе­дес» S-класса, на которой указатель скорости эмулируется при помощи ЖК-экрана. При пере­ключении на ночной режим появляется видеои­зображение указателя, а указатель оборотов двигателя показывается в виде полоски под видеоизображением. Однако, в связи с высо­кой стоимостью, эта технология будет заменять традиционные технологии лишь постепенно.

Центральный дисплей и органы управления в зоне центральной консоли

С внедрением систем навигации и инфор­мации для водителя, стали широко приме­няться экраны и клавиатуры, которые первоначально устанавливались, в основном, на центральной консоли. В таких системах центральный дисплей и блок органов управ­ления охватывают всю дополнительную ин­формацию от функциональных устройств и информационных компонентов, а в послед­нее время иногда также и от систем повы­шения безопасности, таких как, например, функция автоматизированной парковки. Компоненты объединены в единую сеть и, таким образом, поддерживают с водителем и передним пассажиром интерактивную связь.

Первоначально центральный экран устанав­ливался на центральной консоли, поскольку там было достаточно места. Постепенно произво­дители автомобилей переключились на более эргономически благоприятное решение и стали устанавливать экран в зоне центральной кон­соли на уровне комбинации приборов (рис. с, «Зона информации для водителя» ). На этот центральный экран выводится самая разнообразная информация, например, марш­рут движения, коммуникационная информация (телефон, SMS-сообщение, интернет), аудио (радио, цифровые звуковые носители), видео и ТВ, когда автомобиль не движется, климат- контроль и другие данные (дата, время).

Важный момент для всех визуальных дис­плеев, в том, чтобы информацию с них можно было легко считать в пределах основного поля зрения водителя или в непосредственной близости от него, так чтобы водителю не при­ходилось надолго отрывать взгляд от дороги. Расположение дисплея, которым будет пользо­ваться и водитель, и пассажир, в верхней части центральной консоли являйся эффективным как с эргономической, так и с технической то­чек зрения. На мониторе отображается вся гра­фическая информация. Требования, связанные с воспроизведением телевизионного изобра­жения и данных навигационной системы, опре­деляют разрешение и цветопередачу дисплея.

Формат кадра для центрального дисплея с интегрированной информационной системой был изменен с 4:3 до более широкого фор­мата 16:9, что позволяет вводить на экран дополнительные символы выбора маршрута вместе с картой. Применяется даже формат 8:3, чтобы выводить на экран два изображе­ния одновременно.

Типы автомобильных дисплеев

Дисплей на жидких кристаллах

Жидкокристаллический, дисплей (LCD) яв­ляется пассивным дисплеем, т.к. он сам не излучает свет. Жидкокристаллический состав помещен между двумя стеклянными пласти­нами (рис. «Принцип действия ЖК-дисплея (нематическая ячейка)» ). В зоне расположения сегментов дисплея эти пластины покрыты прозрачным токопроводящим слоем, на который подается напряжение. Между слоями создается элек­трическое поле, вызывающее переориента­цию молекул жидкого кристалла.

Дисплей на жидких кристаллах типа TN

Слой дополнительной ориентации в ЖК-дисплее обеспечивает единообразную ориента­цию молекул жидких кристаллов относительно пограничных поверхностей, что приводит к повороту молекул на 90° в незаряженном со­стоянии. Это вызывает поворот плоскости поляризации света, проходящего через ячейки.

ЖК-дисплеи могут эксплуатироваться как в позитивном контрасте темные символы на светлом фоне, так и в негативном (светлые символы на темном фоне). В ячейке с негатив­ным контрастом внешние поляризаторы рас­положены таким образом, что их направления поляризации ориентированы перпендикулярно друг другу. Таким образом, ячейка прозрачна в незаряженном состоянии. В зоне двух противо­положных электродов жидкокристаллические молекулы под действием электрического поля выстраиваются в направлении поля. Вращение плоскости поляризации подавляется, и зона дисплея становится непрозрачной.

В ячейке с позитивным контрастом внешние поляризаторы расположены параллельно друг другу. Таким образом, ячейка непрозрачна в незаряженном состоянии и становится про­зрачной при подаче напряжения.

Ячейки с позитивным контрастом могут ис­пользоваться при подсветке с лицевой или об­ратной стороны; ячейки с негативным контра­стом требуют подсветки с обратной стороны.

Сегменты с раздельным управлением могут ис­пользоваться для показа цифр, букв и символов. Жидкокристаллические графические элементы расположены в форме матрицы и активируются индивидуально тонкопленочными транзисторами (TFT); они образуют основу плоских TFT дисплеев.

Технология ТN подходит не только для небольших дисплейных модулей. Она также подходит и для крупных дисплейных зон в модульных или даже полноразмерных комбинациях при­боров на жидких кристаллах.

Растровые дисплеи с графическим изо­бражением необходимы для отображения непрерывно изменяющейся информации. Такие дисплеи имеют строчную развертку и характеризуются мультиплексной передачей сигналов. Мультиплексные свойства TN ЖК- дисплеев имеют ограничения при использо­вании на автомобиле (в связи с температур­ными условиями).

Дисплеи на жидких кристаллах типа STN и DSTN

Для более высоких параметров мультиплек­сирования при среднем разрешении можно использовать технологии STN (супертвист- нематик) и DSTN (двухслойный STN). Моле­кулярная структура в ячейках этих дисплеев больше скручена, чем в обычных ЖК- дисплеях типа TN. ЖК-дисплеи типа STN до­пускают только монохромное изображение.

На ЖК-дисплее типа STN выводится черно-­белое изображение в широком диапазоне температур с позитивным или негативным кон­трастом; цветность создается подсветкой цвет­ными источниками света. Многоцветная пере­дача образуется включением красных, зеленых и синих тонкопленочных фильтров, располо­женных на одной из двух стеклянных подложек. При использовании на автомобиле можно до­биться передачи опенков серого цвета только в ограниченных пределах. В результате этого гамма цветов ограничена черным, белым, основными — цветами: красным, зеленым и синим, а также производными от основных цве­тов: желтым, бирюзовым и сиреневым.

При понижении стоимости производства дисплеев по технологии AMLCD, очевидно, они придут на смену ЖК-дисплеев, произве­денных по технологии STN и DSTN.

Активно-матричные ЖК-дисплеи

Дисплеи на жидких кристаллах на основе TFT состоят из «активной» стеклянной подложки и пластинки с цветофильтровыми структурами с обратной стороны. На активной подложке размещаются электроды элементов растра, выполненные из оксидов индия и олова, ме­таллические проводники строк и столбцов и полупроводниковые структуры. В каждой точке пересечения строки и столбца имеется тонкопленочный полевой транзистор, который вытравливается за несколько шагов маскирова­ния на предварительно нанесенной последова­тельности слоев. В каждом растровом элементе также формируется конденсатор.

Стеклянная пластинка, расположенная на­против подложки, служит для размещения цветных фильтров и «черно-матричной» структуры, которая улучшает контраст дис­плея. Эти структуры наносятся на стекло в несколько операций фотолитографическим способом. Непрерывный противоэлектрод наносится сверху через все точки растра. Цветные светофильтры применяются в виде сплошных полосок (для качественного ото­бражения графической информации) или мозаичных фильтров (которые особенно подходят для видеоизображения).

Индикация на ветровом стекле

Дистанция обзора для традиционных комби­наций приборов составляет от 0,8 до 1,2 м. Чтобы считывать информацию с комбинации приборов, водителю приходится переводить взгляд с дальнего (для наблюдения дорож­ной обстановки) на ближнее расстояние для наблюдения показаний приборов. Этот пере­вод обычно занимает 0,3-0,5 с.

Индикация на ветровом стекле (HUD) ис­пользуется в военной авиации, начиная с 1950-х годов. Индикация такого типа для автомобилей, в упрощенном виде, обычно, для показа цифрового спидометра, в течение многих лет предлагается производителями автомобилей в Японии и США в качестве до­полнительной опции; некоторые европейские производители также начали предлагать та­кую опцию в своих автомобилях.

Изображение проектируется через ветро­вое стекло в основное поле зрения водителя. Оптическая система позволяет получать изо­бражение на таком расстоянии наблюдения, что глаз человека может оставаться приспо­собленным к дальнему зрению. Индикация на ветровом стекле позволяет водителю не отвлекаться от дороги, т.е. постоянно от­слеживать важные изменения дорожной обстановки. Незачем переводить взгляд на спидометр, т.к. скорость и другая важная ин­формация уже показаны на ветровом стекле.

Конструкция индикации на ветровом стекле

Типичная система индикации на ветровом стекле (рис. «Индикация на ветровом стекле (HUD)» ) включает в себя модуль гене­рации изображения, световой прибор, блок передачи оптического изображения и «от­ражатель» передающий изображение в глаза водителя.

В автомобиле отражателем обычно служит ветровое стекло. Для того, чтобы избежать раздвоения изображения, вызываемого от­ражением и от внешней, и внутренней по­верхности, ветровому стеклу (или, точнее, пластиковой пленке на безосколочном сте­кле) придается слегка клиновидная форма. Тогда два изображения, отраженных от по­граничных поверхностей, совпадают в поле зрения водителя.

Это изображение отражается через ветро­вое стекло в глаза водителя. Для водителя оно оказывается наложенным сверху на картину дорожной ситуации перед автомобилем. Для того чтобы увеличить кажущееся рассто­яние до изображения, на пути луча можно по­ставить оптические элементы (рассеиватели, концентрирующие отражатели).

Для монохромной индикации на ветровом стекле со средним объемом информации можно использовать сверхвысококонтраст­ные ЖК-дисплеи типа TN. В более современ­ных цветных дисплеях используется техно­логия TFT на поликристаллическом кремнии.

Находятся в разработке контактно­аналоговые модули индикации на ветровом стекле, которые, например, проецируют изо­бражение препятствия ниже линии прямой видимости и на виртуальном расстоянии, ниже которого водитель тоже увидел бы это препятствие.

Отображение информации при помощи индикации на ветровом стекле

Виртуальное изображение не должно закры­вать и ухудшать картину дорожной ситуации, поэтому оно проецируется в зону с низкой информативностью, иными словами, «над самым капотом». (рис. «Отображение информации через индикацию на ветровом стекле» ). Чтобы не перегру­жать водителя информацией в его основном поле зрения, индикация на ветровом стекле должна содержать только необходимый минимум информации. Следовательно, она является лишь дополнением к обыч­ной комбинации приборов, а не заменой ее. Однако, такая индикация особенно хорошо подходит для показа информации, связанной с безопасностью движения, как, например, предупреждения об опасности или указание безопасной дистанции между автомобилями.

Источник