Тенденции развития систем связи и управления в автомобиле

Исходно, автомобиль как среда управления состоит из набора сенсоров и исполнительных механизмов. Любая задача управления в автомобиле может быть представлена в виде (рис. 1.) Для решения задач управления используется набор локальных систем, которые контролируют те или иные параметры автомобиля. Каждая из локальных систем — это замкнутый контур управления. Критерий управления часто включает в себя параметры, не контролируемые самой локальной системой.

Все локальные системы автомобиля влияют друг на друга через параметры, используемые в критериях управления. Чем точнее определены связи между локальными системами, тем точнее и устойчивее работает каждая из них. Рассмотрение полной модели задач управления требует введения контура управления всеми локальными системами. В качестве модели задач управления в автомобиле мы принимаем совокупность локальных систем охваченных единым контуром управления.

1. Краткий обзор методов решения задач управления.

На сегодняшний день развитие автомобиля идет по пути экстенсивного расширения набора опций и слабосвязанных между собой систем реализующих эти опции. Локальные системы управления в этом случае используют общие информационные ресурсы, индивидуальные вычислительные ресурсы и пересекаются по исполнительным механизмам.

Пересечение систем по исполнительным механизмам вызывает необходимость решения супрервизорных задач доступа. Эти задачи требуют дополнительных временных и вычислительных ресурсов.
Общим ресурсом в цифровой системе построенной по канальному принципу является сам канал связи.
Разрешение канальных конфликтов требует затрат тех же самых ресурсов.

2. Автомобиль как совокупность двух информационных потоков.

Система управления в автомобиле включает в себя два информационных потока. Это поток данных:

  • Данные о состоянии автомобиля
  • Данные о текущем состоянии локальной системы
  • Данные о требуемом состоянии автомобиля
  • Данные о требуемом состоянии локальных систем

    Второй поток, поток комманд:
  • Потоки комманд локальных систем
  • Поток комманд управления локальными системами
  • Суммарная мощность всех этих потоков определяет необходимый объем канала связи. Мощность потока комманд определяет необходимые вычислительные мощности.

2.1 Проблемы взаимодействия информационных потоков.
Данные о текущем состоянии автомобиля и его локальных систем должны быть синхронизированны временной сеткой задач управления локальных систем. Если каждая из локальных систем работает в своей временной сетке, то задача синхронизации данных не имеет общего решения. Одним из очевидных решений является передача этой функции каналу связи. Это ведет к необходимости синхронизации потока комманд локальных систем каналом связи.

Данные о требуемом состоянии автомобиля и его локальных систем являются результатом обработки дискретных во времени текущих состояний. С другой стороны они должны быть непрерывными для реализации. Разрешить это противоречие возможно экстраполяцией данных в автомобиле.

2.2 Определение архитектуры автомобиля.
Под архитектурой в автомобиле мы понимаем совокупность трех составляющих:

  • Топологию связей между элементами архитектуры (датчики, исполнительные механизмы, CU)
  • Структуру потока данных между CU
  • Структуру потока комманд разбитую по задачам и CU

Оптимальная архитектура должна соответствовать выше изложенным требованиям и, кроме того, быть инвариантной от числа и видов задач, технической реализации узлов и количества CU. Кроме того, она должна минимизировать технические и информационные ресурсы необходимые для решения какой-либо задачи.

2.3 Выбор оптимальных информационных архитектур согласно требованиям SAE.
SAE классифицирует автомобильные задачи на три класса:

  • Класс А — задачи прямого управления без обратной связи
  • Класс В — локально-замкнутые задачи
  • Класс С — задачи управления движением

Каждому классу задач соответствует своя оптимальная архитектура, требования к объему передаваемой информации и вычислительной мощности для ее обработки. Можно показать что оптимальная архитектура класса С включала бы в себя архитектуры классов А и В при соответствующем согласовании масштаба времени. Следовательно оптимальная архитектура для класса С с тремя сетками времени будет оптимальной для всех задач управления.

3. ASG-архитектура

Физическая топология ASG-архитектуры — это однопроводная сеть с однотипными компонентами.
Каждый компонент сети представляет собой одинаковый CU, которой соединен по схеме «звезда» со своим набором сенсоров и исполнительных механизмов. Компонент сети связан со своим набором по принципу близости к ним. Набор состоит из сенсоров и исполнительных механизмов разных систем автомобиля.
Информационная топология представлена на рис. 2.

Такая информационная структура позволяет:

  • Разбить задачи на множество параллельных процессов
  • Увеличить вычислительную мощность такой сети
  • Включить в сеть систему, работающую по другим протоколам связи CAN, LIN и т.д. В качестве трансмиттера между системами используется сам CU ASG.

Информационное окно и сетки времени для задач класса А, В, С организуются на канальном уровне ASG. Сетки времени определяют в окне зоны задач различных классов. Разбиение окна на зоны также является функцией ASG. Для каждого CU зоны окна доступны для изменений с его стороны в любой момент времени.

4. Технология решения задач класса А, В, С.

Общая схема представления задач на рис.1. Структура задач класса А характеризуется координатным управлением. Это означает, что выходной сигнал зависит только от входного сигнала, который считается независимым от состояния объекта управления. Обратная связь отсутствует.

При интеграции задач класса А в единую систему управления возникает необходимость синтезировать управляющие сигналы на базе всех параметров системы управления. Тем самым создается виртуальный командный комплекс по управлению систем класса А. Мы не приводим строгого математического обоснования этого решения, так как оно выходит за рамки этой статьи.

Этот программный комплекс в составе ASG обеспечивает бесконечное многообразие сервисных функций ASG. Основная задача программного комплекса А — синтез управляющих сигналов.

Задача класса В включает в себя локальные задачи регулирования не связанные напрямую с движением и управлением автомобилем. По сравнению с классом А вводится зависимость управляющих сигналов от текущего состояния системы. Основной характеристикой этих систем является ширина полосы пропускания системы. ASG Именно она определяет наименьшую сетку времени при синхронизации этих систем и лежит в диапазоне 10-20Гц.

Интеграция систем класса В ведет к созданию аналогичного классу А виртуального программного комплекса В. Основная задача программного комплекса В — сервисные функции, функции безопасности и телеметрии.

Задача класса С включает в себя комплексы локальных задач регулирования связанных с движением и управлением автомобилем. По сравнению с классами А и В вводится синхронизация. Под синхронизацией понимается совпадение или сближение переменных состояния двух или нескольких систем, либо согласованное изменение некоторых количественных характеристик систем.

Целью управления в классе С является соответствие поведения управляемого оборудования заданному математическому закону, называемому целевой функцией. Это отличает управление классом С от уп-равления в классах А и В, где управление ведется по конкретным параметрам.

Интеграция систем класса С ведет к созданию более сложного чем предыдущие комплексы комплекса управления целевыми функциями систем автомобиля. Этот комплекс имеет полосу пропускания до 200Гц. Кроме того, он должен включать в себя как минимум две сетки времени, совпадающую с сеткой времени класса В (около 50Гц) и собственную сетку времени (около 500Гц).

Технология ASG включает в себя аппаратную среду, вычислительная мощность которой растет вместе с числом решаемых задач. Архитектура ASG соответствует структуре задач для класса С и решает задачи классов А и В как частные случаи. Общим для всех классов задач является наличие единого программного комплекса на распределенной вычислительной среде с встроенной синхронизацией для решения задач всех классов.

5. Методика использования ASG.

Методика использования ASG — это, прежде всего методика интегрирования задач и узлов автомобиля в единую систему управления. Во всех случаях применяется один и тот же способ интеграции. В качестве технологической базы для этого в ASG используется пакет MATLAB, каждый узел или опция автомобиля сначала представляются в виде модели. Затем эта модель интегрируется с моделью ASG и моделями других узлов и опций автомобиля.
Критериями интеграции являются:

  • Инвариантность характеристик контуров управления при интегрировании новой задачи
  • Инвариантность характеристик узлов в системе при интеграции новых узлов

Методика разбиения единой системы управления на параллельные процессы по критерию наименьшего потока данных между ними. Число таких параллельных процессов совпадает с числом CU ASG. В результате работы получается пакет программ загружаемых в CU ASG в конкретную модель автомобиля.

6. Полученные технические результаты и ограничения ASG — системы.

Полученные технические результаты изложены в таблице 1. Структурная схема ASG приведена на Рис.3.

7. Виртуальная модель автомобиля, как цель развития ASG-архитектуры.

Отличительной особенностью ASG является наличие двух интерфейсов:

  • Интерфейс задач управления
  • Интерфейс узлов автомобиля
  • Инвариантность этих интерфейсов от задач управления и узлов
  • Наличие многомерной системы синхронизации

Многомерная система синхронизации включает в себя весь канальный уровень ASG, общее информационное окно и систему синхронизации вычислительных процессов. Синхронизируются между собой:

  • Задачи между собой
  • Задачи и узлы автомобиля
  • Узлы автомобиля между собой
  • Процессы вычислений

Первые два вида синхронизации обеспечиваются синхронизацией потоков данных, а вторые два синхронизацией моментов запуска процессов вычислений. Два интерфейса и система синхронизации образуют с точки зрения задач виртуальную модель автомобиля. Эта же модель дает узлам единый интерфейс задач.
Виртуальная модель автомобиля с технической точки зрения представляет собой гибкий и мощный инструмент, как для разработчиков автомобиля, так и для разработчиков систем и опций автомобиля.

Заключение

В статье приводится анализ проблем и тенденций в области управления автомобильных систем. Объем сообщения не позволяет изложить детальное рассмотрение всех аспектов проблемы и привести полное обоснование методов решения. В настоящее время мы готовим дальнейшие материалы по данной тематике и будем рады диалогу с заинтересованными читателями.

  • Система дверей

    Система управления автомобильными дверями на базе технологии RT PLC (RT PLC doors) состоит из двухпроводной линии, по которой передаётся информация и энергия и блоков управления: Мастер и Слэйв.
  • Система кресел

    Система управления креслами автомобиля на базе технологии RT PLC (RT PLC seats) представляет собой линию из двух проводов и блоков Мастер и Слэйв.
  • Высоковольтная система

    Высоковольтная система управления RT PLC (high-voltage RT PLC) позволяет реализовывать управление высоковольтными частями: электродвигатель и батарея.
  • Система управления движением

    Система управления движения автомобилем movement RT PLC включает в себя реализацию ряда опций: ABS, возможность переключения между типами езды
  • Система освещения

    В системе управления освещением RT PLC lighting реализовано управление передними фарами и задними фонарями автомобиля и их соединение с подрулевой.
  • Система климат-контроля

    Система climate RT PLC позволяет регулировать температурный режим в автомобиле. Есть возможность гибко настроить эту опциюпод желания клиента.
  • Система доступа в автомобиль

    Система доступа в автомобиль RT PLC позволяет реализовать функцию умного распознавания и обеспечить безопасность автомобиля.
  • Новые проекты
    Новые проекты и разработки компании

    ООО "ПГ "ФИНПРОМ-РЕСУРС"

  • Приложения для транспорта
    Последние достижения нашей компании в передовой электронике, управлении энергией. Применение технологии ASG в автотранспорте.
  • Технологии ASG
    Технологии ASG (Automotive Smart Grid) предназначены для производителей автомобилей и их вендоров, которые хотят расширить функциональные возможности своих продуктов без увеличения их себестоимости.