Електронний варіант термінологічного словника. Атомобільна мехатроніка

Подождите немного. Документ загружается.

Основа математичного апарата мехатроніки – теорія операторів,

математичне узагальнення й інформаційний аналіз. Такий математичний

апарат раціонально сполучається з новими концепціями організації

електричних, електронних і механічних компонентів систем відповідного

типу (наприклад, Network vehicle - мережевий транспортний засіб [11] ). У

його концепції інформаційна складова є основним компонентом, з якого

починається проектування відповідної системи. Згідно цьому проектування

програмно-апаратних підсистем і ланок складних об'єктів і систем

виконується за принципом “з гори до низу” [12]. Така розробка ведеться від

ланки прийняття рішень до безпосередніх виконавців – робочим органам

комплексу, що проектується. У проекті мережевого транспортного засобу

така розробка ведеться від бортового обчислювального комплексу до

системи виконавчих механізмів і пристроїв, інформаційно-вимірювальної

апаратури.

Мережева структура мехатронних систем зв'язана зі складністю і

громіздкістю електричної проводки сучасних мобільних комплексів і

великим числом виводів електронних блоків керування. Для рішення цих

задач варто застосовувати мультиплексну систему, наприклад мережа САN,

що запропоновано фірмою Bosch для побудови мереж мікроконтролерів на

автомобілі. Найбільш перспективним є розробка і побудова автомобільних

мехатронних систем на основі розподілених мереж мікроконтролерів (CAN-

технологія).

Основним технічним засобом створення сучасних мехатронних систем

є їх мініатюризація засобами мікроелектроніки і мікромеханіки. Цим шляхом

йдуть практично всі конструктори таких систем. Розглянемо у слідуючому

розділі відповідні терміни та визначення, що перш – за – все торкаються саме

сенсу мехатронізації на базі створення мікроконтролерних приладів та

пристроїв у складі автомобільних мікропроцесорних систем,

обчислювальних комплексів за рахунок такого напряму розвитку науки та

техніки як мікромініатюризація електронних та саме мехатронних приладів

та пристроїв.

Перехід → початок розділу

→ до змісту

→ заголовок

→ до абеткового покажчика

3 ОБЧИСЛЮВАЛЬНІ КОМПЛЕКСИ ТА МІКРОМІНІАТЮРИЗАЦІЯ

Проблеми визначення обчислювальних комплексів та

мікромініатюризації пов’язані з термінологічним аналізом наступних понять

[13, 14]:

Мікропроцесор (рус. микропроцессор; англ. microprocessor) –

програмно-керований пристрій, призначений для обробки цифрової

інформації і керування процесом цієї обробки, виконаний у виді однієї (чи

декількох) інтегральної схеми з високим ступенем інтеграції електронних

елементів.

Мікроконтролер (рус. микроконтроллер; англ. microcontroller) –

функціонально закінчений мікропроцесорний керуючий пристрій,

призначений для безпосереднього вбудовування до об’єкту керування,

котрий має на одному кристалі крім власно мікропроцесора модулі пам’яті

програм і даних, а також необхідні інтерфейсні схеми. Мікроконтроллери

виконують функції логічного аналізу і керування (тому за рахунок

виключення, наприклад, арифметичних операцій можна зменшити їхню

апаратурну складність чи розвити функції логічного керування).

Перш за все мікроконтролери є ланцюгом перетворення інформації від

чуйних елементів, що умонтовані у складові частини мехатронного об’єкту,

до виконавчих пристроїв. Чуйний елемент мехатронного пристрою –

мехатронний давач (рус. датчик; англ. the sensor) прилад перетворюючий

фізичну або хімічну величини в електричну кількісну величину. Він утворює

структурні та вихідні електричні сигнали, що характеризують миттєвий стан

середовища, у якому діє або рухається мехатронний об’єкт, та саме його

стан. Виконавчий пристрій (рус. – исполнительное устройство; англ. –

execution unit) – складова частина (елемент) мехатронної системи, що

здійснює перетворення інформаційного сигналу до механічних, теплових та

електричних впливів на мехатронні елементи, що керуються. Виконавчі

пристрої автомобільної мехатроніки представляють собою загалом

електричні машини, електромагнітні приводи, апарати запалювання,

нагрівальні пристрої.

Під сигналом (рус. сигнал; англ. signal) у загальному випадку

розуміють фізичний процес, що здійснює перенос інформації в часі і

просторі. У розділі 6 наведено альтернативне визначення сигналу для

використання у загальної мехатроніці. Обробкою сигналу називається

перетворення сигналу з метою представлення інформації, що міститься в

сигналі, у найбільш зручній формі. Обробка сигналів (signal processing) може

здійснюватися за допомогою різних технічних засобів: аналогових,

цифрових, гібридних (комбінація аналогових і цифрових засобів). Спочатку

обробка сигналів здійснювалася за допомогою аналогових засобів.

Приблизно з кінця 80-х років у лідери вийшла цифрова обробка [15].

Цифрові системи мало чуттєві до параметрів навколишнього середовища.

Вони можуть бути адаптивними і їх легко перепрограмувати. Цифрові

сигнали можна зберігати в незмінному вигляді необмежений час. Цифрові

алгоритми легко переносяться з обладнання одного виробника до обладнання

іншого виробника.

Цифрова обробка сигналів (рус. цифровая обработка сигналов;

англ. digital signal processing) використовується для вирішення

різноманітних задач, наприклад: розпізнавання і синтез мови, стиск і

редагування аудіо сигналів, передача даних, зменшення шумів, розпізнавання

зображень, стиск і редагування відео сигналів.

Цифрові процесори обробки сигналів (рус. цифровые процессоры

обработки сигналов; англ. Digital Signal Processor- DSP) є

мікропроцесорами, що програмуються, які призначено для реалізації

алгоритмів цифрової обробки сигналів. DSP розрізняються типом

використовуваної арифметики, розрядністю і швидкодією. По типу

арифметики всі DSP підрозділяють на дві групи: з фіксованої крапкою, та із

крапкою, що плаває.

Відмітними характеристиками DSP є операції, що підтримуються на

апаратному рівні - це високошвидкісне виконання операції множення з

накопиченням MAC- Multiply Accumulate (R



R + a



x); багатократний

доступ до пам'яті (дозволяє процесору звертатися до пам’яті декілька разів за

час виконання однієї команди; спеціальні режими адресації; керування

циклами; наявність на кристалі додаткових пристроїв введення-виводу

цифрових і аналогових сигналів. Це обумовлено специфікою багатьох

стандартних алгоритмів цифрової обробки сигналів, для вирішення котрих і

розроблюють DSP.

Слід відмітити, що друга половина XX століття була ознаменована

другою науково-технічною революцією, що відкрила постіндустріальний

етап розвитку цивілізації [16]. Темпи входження в цей етап добре ілюструє

закон Мура (Moore), що з'явився у зв'язку з розвитком мікроелектроніки.

Теоретично ніким не доведений, цей закон (щорічне подвоєння ступеня

інтеграції компонентів усередині чипов ІС) добре виправдався й у

відношенні росту досяжної продуктивності ЕОМ і в ряді інших областей,

заснованих на так званих «критичних» технологіях.

Наприкінці 90-х років XX століття «критичними» стали молекулярна

біологія, мікроелектромеханіка (MEMS) і мікросистемна техніка. У наш час

законові Мура для «критичних» технологій стали задовольняти такі

«проривні» сфери зусиль передових країн, як наноіндустрія і «відкрита»

освіта (прийнятий за рубежем термін: E-learning). Перераховані вище області

діяльності характеризуються щорічним подвоєнням обсягу капіталовкладень

у розвитих країнах і, у ряді випадків, наявністю пріоритетних цільових

національних програм. Тому є підстави вважати закон Мура економічним

правилом, що описує динаміку розвитку революційних наукомістких сфер

людської діяльності.

Наноіндустрія як універсальна і наукомістка область – це шлях до

третьї, небаченої по своєму розмаху науково-технічної революції, що змінить

вигляд світу вже до кінця першого десятиліття ХХІ століття.

Термін "Нанотехніка" є найбільш точним еквівалентом англійського

словосполучення Nanotechnology. Перша частина цього словосполучення -

"нано" позначає 10-9 (тобто одна мільярдна частина метра). Варіанти другої

частини терміна - техніка, технологія, технології, незважаючи на відомі

розходження за значенням, в розумінні для нанообласті практично поки є

синонімами. Позначення нанорозмірів - не саме головне в нанотехниці.

Принциповим є квантовий характер нанооб'єктів і нанопроцесів і унікальна

можливість цілеспрямованої зборки речовин на атомно-молекулярному рівні.

Наноіндустрія базується на технологічному, машинобудівному,

виробничому і науковому забезпеченні процесів, зв'язаних з маніпуляціями

атомами і молекулами . Квантовий характер нанотехнологічних процесів

робить їх найвищою мірою наукомісткими і стимулює розвиток таких

напрямків, як атомно-молекулярний дизайн, обчислювальні розділи хімії,

фізики, біології, електроніки, багаторівневе математичне моделювання.

Сучасний образ «великої» системи - це її цільова

багатофункціональність, наукоємність, гетерогенність засобів, що

використовуються та виробництв, здатність до саморозвитку,

модифікуємість, виживаємість протягом тривалого терміну (роки, десятки

років), перепрограмуємість, адаптивність до технічного і соціального

прогресу, подільність, здатність до реконфігурування і живучість у

позаштатних режимах і в умовах деградації підсистем.

Мікросистемна техніка представлена в даний час інтегралізуємими

пристроями мікроелектромеханіки й асимілюють технологічні досягнення

мікроелектроніки. Вироби мікросистемної техніки (мікросистеми),

застосовуються не тільки як компоненти електронної апаратури, але і як

підсистеми (біочипи) для біології. Мікросистеми – це трансфер новітніх (не

тільки мікроелектронних) технологій, що дозволяє робити величезну

розмаїтість видів і форм продукції, у тому числі виробів «подвійного» (тобто

народногосподарського і спеціального) застосування.

Безумовно, мікросистемна техніка, що удосконалюється на основі

наноіндустрії, придбає всі перераховані вище якості «великої» системи і

дозволить створювати на базі цієї системі вироби зі зменшеною кількістю

різнорідних деталей і технологічних операцій.

Зменшення числа деталей і технологічних операцій у мікросистемній

техніці - це проекція основної тенденції мікроелектроніки- інтеграції

компонентів в апаратурі і «вертикальної» інтеграції процесів її створення (за

допомогою розвинених засобів інформатики).

Особливість мікросистемної техніки полягає в структурному і

технологічному об'єднанні електронної складової мікросистеми з її

мікромеханічними, оптичними, акустичними і т.п. складовими.

Іншими словами, мікросистеми «інтегрують» гетерогенність, властиву

будь-якій «великий» системі. Тому мікросистемна техніка природним

образом примикає до нанотехниці, як до перспективної технологічної,

структурної і наукової основи .

Усі варіанти нанотехнологій засновані на локальному, з точністю до

нанометрів і навіть до окремого атома, керуванні атомно-молекулярними

реакціями. Ця можливість, що з'явилася внаслідок прогресу зондової

мікроскопії, дозволяє перебороти обмеження методів літографії (по

розрізняльної здатності, або високоенергітичності). Нанотехніка

використовує частки з енергіями, що необхідні для активації технологічних

процесів. Значення цих енергій істотно нижче величин, необхідних для

фокусування часток.

Нанотехнологічні реакції можуть відбуватися у вакуумі, газі або в

рідині. Тип реакцій не завжди зв'язаний з типом середовища в камері і може

залежати від інших умов (електричного поля, тиску, температури,

енерговиділення, властивостей речовин). Такі властивості (дипольний

момент, наявність домішок, капілярного ефекту і т.д.) визначають характер

реакцій, що протікають. Додаткові впливи (наприклад, когерентне лазерне

опромінення з програмно-керованою довжиною хвилі) можуть радикально

змінювати хід і навіть напрямок хімічних реакцій. Ці можливості (керований

каталіз) у сполученні з перерахованими вище варіантами підбора матеріалів і

умов проведення нанотехнологічних процесів - роблять нанотехнологію

самостійною і навіть витонченою областю науки і промисловості XXІ

століття. Невід'ємною частиною цієї сфери знань є математичне

моделювання нанопроцесів, зв'язане з такими новими напрямками, як

обчислювальна хімія, обчислювальна фізика й обчислювальна біологія.

Мікросистеми в принципі повинні базуватися на "вертикальній

інтеграції тобто технологіях створення апаратури, програм і керуючих

стрічок на індивідуальному робочому місці - могутньому персональному

комп'ютері, оснащеному засобами емуляції, розробки і випуску

конструкторської, технологічної і програмної документації, базами

стандартизованих схемотехнічних і топологічних рішень і професійно

орієнтованими технологіями накопичування і передачі колективного досвіду.

Сьогодні з’явилося нове покоління таких ПК, що здатні витиснути

застосовувані в даний час робочі станції САПР і тим самим зробити

"вертикальну інтеграцію" технікою "для всіх". Відповідно

мікроелектромеханіка (Micro - Electro Mechanical System) базується на

перенесенні технологічних досягнень мікроелектроніки у сферу

виробництва.

Так, фірма Motorola розробляє прилад MC33393TM - інтелектуальний

драйвер слабкострумових крокових двигунів мехатронних систем,

використовуваних у розподілених системах на автомобілі (за матеріалами

сервера www.gaw.ru). В одному корпусі приладу об'єднані високовольтній,

аналогові й цифрові (на базі контролера HC05) функції керування двигунами.

Така система є прикладом створення з одного боку автономного

мехатронного модуля, з другого – створення засобу, що дозволяє розробляти

відповідні розподілені системи. У цьому виявляться своєрідний дуалізм

мехатроніки. Мікромініатюризація є основою побудови компактних

автономних пристроїв, які використовують переваги розподілених

комплексів. Далі розглянуто особливості саме таких автономних і

розподілених систем.

Перехід → початок розділу

→ до змісту

→ заголовок

→ до абеткового покажчика

4 АВТОНОМНІ ТА РОЗПОДІЛЕНІ СИСТЕМИ

Автономна система (рус . автономная система; англ. autonomous

system) – це така системи, що усі функції по реєстрації, відбиттю й обробці

інформації виконує безпосередньо в автомобілі, що рухається [5]. Прикладом

автономної системи є серія мобільних інформаційно - обчислювальних

комплексів (ІОК-ХАДІ), розроблених у ХНАДУ для обстеження

автомобільних доріг [17]. Аналогом автономної системи є телематична

система легкового автомобіля з покажчиком технічного обслуговування,

бортовою системою контролю, маршрутним комп'ютером і навігаційною

системою [18].

Розподілена система відрізняється тим, що процес реєстрації й обробка

даних розділені. Дані записуються в русі автомобіля, а обробка ведеться

після виконання усього комплексу робіт зі збору необхідних для цього даних.

Можна так само розглядати можливість створення комбінованих систем,

якщо інформація реєструється за допомогою автономної системи, місце

розташування якої визначається за допомогою системи GPS. На підставі

пошуку інформації в системі Internet отримані відомості про розвиток і

виробництво такої системи (http://www.auto.mmt. ru/volvo/). Так, тепер

створена спеціальна автомобільна технологія керування - RTI (Road and

Traffic Information - система інформації про дорогу і дорожнє середовище).

Ця технологія доведена до практичного впровадження в моделях автомобілів

S70 і V70 компанії Volvo. Система RTI умонтована в приладову дошку і

гарантує максимум дружелюбності і безпеки. RTI розроблена з метою

надати власникові автомобіля комп'ютерну систему, що забезпечує більш

безпечне керування автомобіля. RTI допомагає знайти водію дорогу до

потрібної точки транспортної комунікації, діючи однаково ефективно по всій

Європі. RTI також одержує інформацію про дорожню обстановку через TMC

(Traffic Message Channel) і виводить її для водія на монітор. Водій вчасно

одержує інформацію про дорожні пробки, аварії і ремонтні роботи. Ця

інформація складається з легко розпізнаваних символів на карті, що

відображуються на моніторі. На монітор також виводиться інформація про

стан транспортного засобу, якість роботи двигуна і систем електроживлення.

До розглянутої проблеми примикає проблема інтегрування в єдиному

скомпонованому блоці трьох частин - механічної, електронної і керуючої.

Об'єкт, що рухається, радіокерований або керований через кабель, строго

говорячи, не може бути названий мехатронним [19,20,21,22].

Аналогічно, до мехатронних не можна віднести об'єкти, що мають лише

два з трьох зазначених компонентів. Автономність - відмітна ознака

мехатронного об'єкта. Якщо, наприклад, інтелектуальна керуюча частина

робота не може бути поміщена на його рухомі частини, то цю конструкцію

можна відносити до мехатронної лише умовно. З цього випливає, що

більшість об'єктів, що називають мехатроннимі, за розглянутим критерієм не

є мехатроннимі. Однак у роботі [23] використовується термін «автономні

мехатронні системи», що припускає наявність і неавтономних об'єктів. У

роботі [21] вважається, що автоматизований електропривод може бути

віднесений до мехатронного об’єкту, якщо він автономний, або до елементові

мехатронної системи, якщо він використовується як виконавчий елемент

розглянутої системи. Звідси випливає, що питання автономності зв'язані з

рівнем мехатронності об'єкта.

На автономність має великій вплив не тільки залежність від

зовнішнього керуючого центру. Мехатронний об’єкт повинен мати свій

окремий силовий привід, джерело енергії для забезпечення саме автономного

функціонування. Тому у транспортних додатках слід особливо приділяти

увагу джерелам живлення (саме електроживлення ходовій частині,

виконавчих пристроїв, засобів обробки сигналів мехатронної системи). Так у

автомобільних мехатронних системах поряд з звичайними акумуляторами

сьогодні знайшли застосування паливні елементи та накопичувачами енергії.

Паливний елемент (рус. топливный элемент; англ. fuel element) – це

електрохімічні генератори або хімічні джерела струму, у яких активні

речовини надходять до електродів ззовні, тобто це прямі перетворювачі

хімічної енергії в електричну, у котрих реакція електрохімічного

окислювання протікає без витрати речовини електродів і електроліту.

Вихідними реагентами служать компоненти хімічного палива – пальне й