Автомобилестроительная промышленность – одна из ключевых сфер мировой экономики. Ежегодные ассигнования на исследовательские изыскания и инновации в автомобилестроении превышают сотни миллиардов долларов. Количество рабочих мест в отрасли – свыше 14 млн, а суммарные активы составляют более 2 трлн долларов.
Несмотря на столь впечатляющие показатели, отрасль непрерывно испытывает затруднения и вынуждена оптимизироваться. Постоянные изменения и дополнения, касающиеся охраны окружающей среды, требуют апгрейда существующих моделей еще на стадии проектирования. Современный автомобиль должен основываться на принципиально новых разработках, отвечающих всем требованиям технического прогресса. Непрерывное развитие технологий во всех сферах жизни и компьютеризация многих процессов ориентируют производителей на создание высокоинтеллектуальных машин.
Среди задач, стоящих перед автомобилестроением сегодня, – соблюдение нормативов по защите окружающей среды. Российские и зарубежные производители ставят перед собой цель сократить выбросы и расход топлива вдвое. Для этого необходимо улучшить технические характеристики автомобилей в несколько раз по сравнению с прошлыми показателями: полумерами здесь не обойтись. Постепенное улучшение уже существующих моделей оказывается более трудо- и времязатратно и гораздо менее эффективно, нежели создание новых моделей с нуля.
Один из инновационных подходов в машиностроении – использование композитных и алюминиевых материалов при создании кузова, позволяющее поставщикам сокращать массу автомобиля на 25 %.
Популярность в автомобилестроении набирает разработка умных автомобилей. С каждым годом машины все больше похожи на персональные компьютеры на колесах. Речь идет не только о беспилотных вариантах автомобилей. Автопроизводители уверены, что идеальная современная машина обязана уметь все и быть максимально простой в управлении. Большинство инноваций применяется преимущественно для концепт-каров, но анализируя технологии, внедренные на этих устройствах, можно понять направление будущих разработок автомобилестроения.
Большой инновационный прорыв наблюдается в развитии геолокационных систем и методов компьютерного анализа: заметны явные улучшения автомобильных систем навигации и безопасности. Ведущие автопроизводители мира вкладывают огромные финансовые ресурсы в создание пользовательского интерфейса, с помощью которого водитель сможет управлять потоками информации, не отвлекаясь от вождения.
Эра программирования ведет к полной автономии транспортных средств, которая требует создания сложнейших кодов. Большой интерес вызывают вопросы безопасности в автомобилестроении. Протестированы и внедрены системы, которые отслеживают уровень стресса, а также степень усталости водителя. Предполагается, что с течением времени машина приобретет еще большие функциональные возможности, например, автоуправление, которое включится, если система почувствует угрозу безопасности водителя или движения.
Резюмируем: основные глобальные тенденции инновационных преобразований автомобилей заключаются в изменении конструкции машины, создании беспилотного и электрического транспорта, разработке мобильного сервиса, высокотехнологичном производстве.
Перечислим некоторые примеры инновационных изменений в автомобилестроении:
- Эволюция технологичности материалов;
- Модернизация двигателя;
- Безопасность;
- Соответствие нормам экологии;
- Повышение комфорта;
- Автоматизация процессов управления;
- Системы автопилотирования.
Что требуется для создания инновационных автомобилей с нуля
Симбиоз системы CAD (автоматизированное проектирование) и расчетов инженерного отдела
Интегрированное использование 2D- и 3D-технологий на этапе моделирования опытных образцов уменьшает сроки разработки. Объединение моделей и виртуализации помогает выявить характеристики будущих прототипов на начальном этапе автомобилестроения, сократить стоимость и сроки работ.
Моделирование
Интеграция систем регулирования программных приложений позволяет:
- Снизить сложность,
- Уменьшить финансовые потери,
- Повысить эффективность установленного в автомобиле программного обеспечения.
Систематизация на всех этапах позволяет контролировать ход разработки от создания проекта до конца эксплуатационного процесса, осуществляет полный мониторинг недочетов.
Интеграция технологических процессов
Глобальные проекты требуют особого внимания, когда возникает необходимость внесения некоторых корректив и структурных изменений в инновационный проект. К примеру, на этапе конвейерной сборки при установке зеркал заднего вида предлагается множество вариантов деталей.
Они могут иметь разную комплектацию:
- С электрическим приводом,
- Ручным управлением,
- Электроподогревом,
- Обзором слепых зон и т. п.
Пошаговое исполнение автосборки для каждого варианта будет разным. Совмещение процессов разработки и регулирования обеспечивает контроль над производством и доступ к функционалу из единого меню. Это уменьшает сроки готовности изделия и дает гарантию корректности разработанной технологии в автомобилестроении. Интегрированное использование данных процессов позволит дать оценку технологичности узлов и агрегатов, а также выявить ошибки или погрешности на ранней стадии (брак или несоответствие деталей кузова). Благодаря этой опции возможно внесение изменений на этапе сборки автомобилей, что существенно упрощает производство.
Российский и зарубежный опыт инноваций
Ведущим инновационным трендом как в Российской Федерации, так и за рубежом является производство беспилотных моделей автотранспортных средств. Такие модели уже осуществляли тестовые поездки, а также грузопассажирские перевозки.
У компании Uber в сотрудничестве с Otto давно существуют варианты воплощения подобных перевозок. Плодотворное сотрудничество двух фирм вылилось в появление беспилотной модели грузовика и осуществление самоуправляемой грузопассажирской перевозки.
В некоторых городах Европы и в Гонконге запущена линия беспилотных автобусов. У них относительно маленькая скорость передвижения – 20 км/ч (в целях безопасности), которая компенсируется абсолютной безопасностью для природной среды.
Отечественные разработки связаны с российским брендом КамАЗ и компанией Volgabus, которые представили проекты российских грузовых беспилотников и автобусов. Камазовский проект может войти в серию в 2022 году и будет осуществлять грузоперевозки без водителей. Модель нового беспилотного автобуса от Volgabus должна в режиме онлайн анализировать дорожную ситуацию, проводить интеллектуальный процесс управления посредством специального программного обеспечения. Еще одно изобретение от указанной фирмы – автомобильная платформа беспилотного типа управления MatrЁshka, которая будет выпускаться в нескольких модификациях: открытое шасси, микроавтобусы, грузовики. По некоторым данным, прототипы успешно тестируются в инновационном центре «Сколково » и скоро начнут курсировать в московских парках и Сочи.
Несмотря на успехи зарубежных и отечественных производителей в автомобилестроении, эпоха беспилотных транспортных средств еще не наступила. Проблемы с безопасностью и надежностью пока не решены на 100 %, а свежие примеры неудачных опытов (вплоть до летальных исходов) замедляют процесс внедрения новых технологий в РФ и в мире.
Последний случай с электромобилем Tesla (амбициозный проект Илона Маска) – яркое тому подтверждение. Model S, находящаяся под управлением системы автопилотирования, попала под фуру на трассе, в результате чего водитель погиб. По результатам расследования было установлено, что ни водитель, ни автопилот не заметили приближающуюся машину. Этот инцидент стал первым случаем ДТП со смертельным исходом, когда автомобиль управлялся компьютером. Компания признала недоработки в системе автопилота, хотя подчеркнула, что будущее – за этой инновационной системой управления транспортным средством.
Современное автомобилестроение достигло небывалого уровня. Новейшие разработки поражают смелостью фантазии и мастерством воплощения, кажутся фантастическими. В скором времени станет известно, какие инновации обогатят автомобилестроение будущего.
Стало известно, что новое поколение Nissan Qashqai может получить электрическую версию автомобиля. Инженеры автомобильной промышленности регулярно представляют новые технологии и устройства для обеспечения большей безопасности, комфорта или хотя бы для развлечения водителей. Рассказываем о разработках будущего, которые тестируются на дорогах сегодня.
Автомобили
с функцией автопилота
Последние 5 лет все ведущие мировые автопроизводители разрабатывают автономные автомобили. Ford концепт-кар, способный самостоятельно парковаться. Audi, BMW, Nissan, Honda, GM и Mercedes регулярно отчитываются о том, что их прототипы беспилотных авто проделывают в рамках тестирования тысячи миль. Volvo показала в Гетеборге свою модель, которая благодаря датчикам, GPS и другим технологиям практически исключает попадание в ДТП. Недавно и Toyota объявила о вступлении в ряды разработчиков «селф-драйвинг» авто, а Tesla Motors сделала , что покажет свой первый «беспилотник» через три года.
«Гуглмобиль»
в действии
Одним из лидеров отрасли считается Google. Система компании использует информацию, собранную сервисом Google Street View, видеокамеры, датчик LIDAR, установленный на крыше, радары в передней части авто и датчик, подключенный к одному из задних колёс.
демонстрация работы датчика lidar,
который используется в системе автомобилей google
Большинство компаний говорят, что для автолюбителей такие авто станут доступными к 2020 году. Что изменится с их появлением? Прежде всего, роботизированные машины будут спасать жизни. Компьютер, сменивший за рулём человека, сможет одновременно отслеживать все объекты на дороге и мгновенно реагировать на аварийные ситуации. Но готовы ли люди полностью доверить контроль машине?
Брайан Реймер
Эксперт по транспорту из Массачусетского технологического института
«Люди могут смириться и справиться с людьми, которые делают ошибки, но мы не умеем мириться с ошибками роботов, - сказал эксперт по транспорту Брайан Реймер из Массачусетского технологического института. - Сколько людей согласились бы попасть на самолёт без пилота, даже если известно, что половину времени пилоты сидят в кабине без дела, просто наблюдая за автоматикой?»
То, что водитель-компьютер безопаснее водителя-человека, должно быть доказано в тысячах инстанций, прежде чем законодатели дадут полную свободу транспорту на автопилоте. На данный момент подобные автомобили разрешено тестировать на дорогах общего пользования законодательством Японии и трёх штатов США (Калифорнии, Флориды и Невады) . Ожидается, что до конца года в этом списке окажется и Великобритания.
Кузовные панели, накапливающие энергию
Exxon Mobil прогнозирует, что к 2040 году половина всех новых автомобилей, которые сойдут с конвейера, будут гибридными. Однако у гибридных авто есть одна проблема: аккумуляторы, энергия которых используется для работы электродвигателя, очень громоздкие и тяжёлые, даже при учёте нынешнего развития литий-ионных батарей.
В Европе группа из девяти автопроизводителей в настоящее время испытывает кузовные панели, которые могут накапливать энергию и заряд быстрее, чем обычные батареи. Они изготавливаются из полимерного углеродного волокна и смолы, и они прочные, но гибкие. Благодаря разработке вес автомобилей может снизиться на 15 %.
Смарт-часы Nissan
Представляем вам новые технологии в автомобилестроении , которые в ближайшее время могут стать неотъемлемой частью в автомобилестроении. Суперпластмассы - порождение новой эпохи.
Суперпластмассы.
Когда появилась возможность вплетать углеродные нити в различные материалы, стало возможным создание сверхпрочных пластмасс. Такие материалы способны выдержать большую силу удара при том, что их вес значительно ниже обычных противоударных деталей. при столкновениях и способствовать экономии веса.
Некоторые западные компании трудятся над разработкой гибридного материала - пластмасса с вплетением стального кабеля. Этот недорогой материал будет использоваться при создании элементов кузова, внутренней отделки, бамперов. Такие сверхпрочные армированные суперпластмассы действительно обладают высокой прочностью, но пока что выглядят не очень красиво. Наверняка этот недостаток вскоре будет исправлен.
Зарядка от качения автомобиля.
Гибридные автомобили до сих пор не не так популярны, как заслуживают того. А все потому, что в мире есть такие вредные снобы, которые постоянно опосаются, что заряда батарей не достаточно для полноценной поездки. Заткнуть за пояс таких скептиков должна развивающая инфраструктура и увеличивающийся объем аккумуляторов. Ряд передовиков труда в автопромышленности, такие как Audi, BMW и Mazda трудятся на интересной разработкой - генератор для выработки электричества на аккумулятор, который приводится в движение от качения автомобиля при езде.
Электромоторы в ступицах.
В «лохматые» годы Фердинанд Порше уже подумывал о том, что электрический движок машины должен располагаться в ступицах, что значительно бы расширило пространство в автомобиле для пассажиров и аккумулятора. До сих пор эта идея витает в воздухе, но производители боятся располагать так моторы, потому что увеличение неподрессоренной массы может сказаться на управляемости и плавности при движении по пыльным и гравийным дорогам. Однако, фирма Protean Electric и Lotus Engineering проводит исследования, в рамках которых два идентичных автомобиля Lotus проверяются сотрудниками компании на маневренность и управляемость.
Один из них оборудован моторами в ступицах. По результатам тестов получается, что для среднестатистического водителя разница незаметна. Небольшие огрехи в управлении устраняются небольшими подстройками подвески. среднестатистический водитель не заметит снижения производительности связанной с дополнительной неподрессоренной массой, а должная дополнительная настройка поможет побороть большую часть побочных эффектов связанных с управляемостью.
Никель-цинковые батареи.
Современное городское интенсивное движение требует экономии топлива. Обычное дело сегодня - в пробке или на светофоре заглушить двигатель, чтобы не «коптить небо». Беда в том, что свинцово-кислотный аккумулятор под капотом не способен выдержать несколько агрессивных циклов «стоп-старт» - он быстро разряжается, если поездить вы не успели, а заводились несколько раз подряд. Данная проблема была решена еще в 1901 году, когда Томас Эдисон придумал никель-цинковый.
Такой аккумулятор не теряет разрядку так быстро, если вы вынуждены глушить и заводить мотор несколько раз подряд. Кроме того, такие аккумуляторы имеют больший срок службы. Современная компания Power Genix заявляет, что никель-цинковые батареи весят вполовину меньше при удвоенном времени работы. Кроме того - они более экологичны в плане утилизации.
Современные «цифровые» автомобили содержат десятки контроллеров , объединенных в специальную локальную сеть. В автомобиле множество функций управления можно условно разделить на две группы:
первая группа обеспечивает надёжное функционирование основных узлов автомобиля, например, электронное управление двигателем и обеспечение безопасности: АБС, подушки безопасности и другие.
ко второй группе относятся различные электронные системы управления, обеспечивающие сервис, комфорт и развлечения пассажиров.
Например, бюджетный авто Пежо-206 содержит 27 контроллеров фирмы NEC .
Современный автомобиль, как и любую компьютерную систему с точки зрения объекта управления, можно представить состоящим из множества аналоговых и цифровых датчиков, набора исполнительных устройств и механизмов. На рис . представлены основные узлы автомобиля, для управления которыми используются автомобильные компьютеры.
Рис. Основные узлы автомобиля, управляемые компьютерами
Например, модель BMV745 использует такой микропроцессор, какPentium4.
Рис. Разрядность встраиваемых микроконтроллеров
Примеры используемых ОС во встраиваемых контроллерах. Наиболее популярным выбором является готовая коммерческая операционная система. В обзоре коммерческих операционных систем в последние годы системаMSEmbedded имела самую большую долю рынка, как видно из рисунка.
Рис. Операционные системы встраиваемых микроконтроллеров
На следующем рис. показаны распространенные языки программирования для разработки встроенных систем и,как видно, семейство языков С используется в большинстве разработок. Как видно из диаграммы находит также использование язык ассемблера для некоторых разработок.
Рис. Языки программирования встроенных микроконтроллеров
Краткая история развития микропроцессорных систем
1970 – Intel4004 - первый 4-битный МП;
1972 – Intel8008 - 8-ми битный;
1973 – Intel 8080 K580 (СССР) - аналог I8080;
Intel8085 - помимоCPUбыли таймеры, контроллер прерываний и пр.;
1976 – Intel 8048 - первый контроллер;
1978 – Intel 8051 - MCS 51 (Micro Computer System)
Середина 90-х – семейства: Intel151 иIntel251 – 8 битные, но адресуемая память: 2 20 и 2 24 .
1976 – I8086/I8088 (PCXT - IBM), К1816 (СССР) –аналог I8086.
EC1840 –CCCP–PCXT
1995 – (embedded) – разработаны однокристальные МК архитектуры Х86: 16- и 32-битные.
Основные требования к контроллерам
Коммерческие : 0 … + 70 0 С;
Расширенные : -40 … +85 0 С;
Военные : -55 … +155 0 С;
Низкая стоимость;
Высокая надежность;
Высокая степень миниатюризации;
Малое энергопотребление;
Работоспособность в различных температурных диапазонах в зависимости от применения:
Достаточная производительность для выполнения наборов функций
Архитектурные признаки контроллеров
Гарвардская архитектура (раздельная память для хранения данных (RAM) – энергозависимая и программ (ПЗУ) – энергонезависимая, сейчас популярнаflash;
Интеграция в одном кристалле всех модулей, необходимых для управляющей ЭВМ;
По разрядности контроллеры бывают:
Четырехразрядные- самые простые и дешевые;
Восьмиразрядные – наиболее многочисленное семейство(оптимальное соотношение цены и возможностей) MCS51
Шестнадцатиразрядные iMCS96 ,i80186(88) и другие, более производительные и дорогие.
32-разрядные – это обычно модификации универсальных МП, например i386, 486 и другие
64-х битные (обработка видео)
8-разрядные МК имеют очень широкое применение в различных АСУТП по следующим причинам:
Основная область применения 8-разрядных МК – устройства интеллектуального управления промышленной автоматики и бытовой аппаратуры. В данных применениях не требуется высокоразрядной арифметической обработки, большой процент логических преобразований, не требуется высокого быстродействия в жестких условиях реального времени. Таким образом, 8-битовые МК имеют свою нишу и в настоящее время широко используются промышленные контроллеры, называемые ПЛК .
Много новых применений, где МП ранее не использовалась, но МК не так заметны широкому кругу потребителей продукции, как ПК, так как они с ним не сталкиваются напрямую
МК также характеризуются двумя видами архитектуры: закрытой и открытой, Закрытая архитектура характеризуется отсутствием линий магистралей данных и адреса на внешних выводах корпуса МК, т.е.внешнее наращивание памяти программ, данных и портов не предполагается.
Режимы работы периферийных модулей контроллера настраиваются программно посредством регистров специальных функций этих модулей (таймеры, КП, АЦП, адаптеры параллельные и последовательные и др.
Режимы работы периферийных модулей современных контроллеров, их конфигурация настраиваются программно посредством загрузки кодов настройки в специальные регистры управления (SFR – special function register ).
Повышение производительности МК в рамках требуемой необходимости ведется в таких направлениях как:
Развитие архитектуры ЦПУ МК, например RISC-архитектура
Повышение тактовой частоты
Специализация команд и периферийных модулей МК
Повышение надежности
Переход на на более низкие уровни напряжения и новые технологии и др.
Широко известными фирмами-производителями МК являются Motorola,Microchip,Philips,Atmel,Simensи,Intel, др. И что очень важно – все это является теперь доступным российским разработчикам систем, примером является присутствие в нашем ВУЗе некоторых из ведущих мировых фирм(Motorola,Philipsи др.) Естественно из-за этого есть и проблемы: что выбрать?
MCS 51 является популярным семейством и ряд фирм выпускают клоны:
Современная автомобильная промышленность не стоит на месте и постоянно предлагает потребителям новейшие технологии в машинах. Это не только более комфортный дизайн и лучшие запчасти, но и всевозможные системы, позволяющие спланировать маршрут и облегчающие процесс вождения.
Вождение в плохую погоду или темное время суток всегда проблематично. Именно поэтому исследователи решили придумать так называемые «умные» фары. Их уже устанавливают на дорогие модели автомобилей, а скоро этот процесс приобретет более массовое явление.
Компания Форд планирует использовать на новых машинах адаптивные фары. Они учитывают скорость движения и углы поворотов, способны к изменению интенсивности и направления светового потока, отслеживанию попутных и встречных транспортных средств.
Их использование способно существенно снизить число аварий на дорогах, так как подобные фары препятствуют ослеплению других участников дорожного движения.
В Тойоте решили сократить объемы используемых редкоземельных металлов и изготовить электрические моторы по новым технологиям. При их производстве не используются диспрозий и тербий, а количество неодима уменьшено в два раза. В качестве замены разработчики предложили другие варианты ─ церий и лантан. Цена таких металлов гораздо ниже, что значительно экономит финансовые затраты.
Дополненная реальность
В ближайшем будущем появятся очки Google Glass. Они будут отображать всевозможную информацию об автомобиле, и выполнять следующие функции:
- определение положения машины на карте;
- открытие и закрытие люка;
- контроль климата в салоне;
- блокировка и разблокировка дверей;
- включение и отключение сигнализации;
- контроль за зарядом аккумуляторов.
Volkswagen уже разработали интерфейс Marta. Он поможет пользователям ремонтировать автомобили самостоятельно. Электроника отслеживает взгляд мастера и дает подсказки относительно расположения нужных инструментов или запчастей.
К новейшим технологиям в автомобилестроении относятся кузовные панели, способные накапливать энергию намного быстрее, нежели стандартные батареи. Они позволяют поменять тяжелые и громоздкие аккумуляторы на тонкие и легкие. Для их изготовления понадобится использовать полимерное углеводное волокно и смолы. Пополнение запасов энергии производится включением в розетку, альтернативный способ ─ использование системы рекуперации энергии тормозов. Причем времени для зарядки такой батареи требуется намного меньше, чем для стандартного аккумулятора. Новый материал имеет очевидные преимущества: прочность и легко изменяемую форму. Также, одно из достоинств подобных панелей ─ существенное снижение веса машины. Разработки данной технологии активно идут в компании Volvo.
У компании Mercedes-Benz уже с 2011 года выпускаются автомобили со специальным устройством Attention Assist. Оно разработано для того, чтобы отследить физические возможности водителя управлять машиной. Если возникает необходимость, то системы подают сигналы о прекращении движения. Здесь не требуется непосредственное участие шофера, либо достаточно его минимального вмешательства.
Проверка осуществляется на основании трех факторов. Вот их перечень:
- фиксация взгляда водителя;
- контроль движения транспортного средства;
- оценка поведения водителя.
Автопилот
Многие автокомпании занимаются производством и тестированием систем автономного управления автомобилем. Еще недавно это казалось фантастикой, но теперь машины с системой автоматического вождения уже реальность. Их работа обеспечивается разнообразными датчиками, которые посылают сообщения о препятствиях на дорогах.
К примеру, новейший Мерседес S-класса способен управлять автомобилем, а при необходимости сбрасывать скорость и останавливаться.
Но не только автомобильные концерны разрабатывают «беспилотники». Компания Google тоже создала систему, которая позволяет транспортному средству передвигаться самостоятельно. При этом используются камеры наблюдения, навигационные карты и данные радаров.
В ближайший год в странах Евросоюза планируется оснащения автомобилей системами e-Call. Они разработаны специально для того, чтобы оповещать о дорожно-транспортных происшествиях. При аварии устройство срабатывает и посылает в кризисный центр информацию о месте ДТП, виде используемого топлива и количестве пассажиров.
Согласно статистическим данным, водители регулярно проверяют давление в шинах своих автомобилей. Оно должно соответствовать определенным нормам. Если колеса не накачаны должным образом, то это является прямой угрозой безопасности. Кроме того, расход топлива автоматически увеличивается.
Компания Bridgestone легко решила эту проблему созданием концептуальных безвоздушных шин. Пока их массовое производство еще не налажено, но это в планах на ближайшие пять лет. Такие шины содержат микросетку из жесткой резины вместо воздуха. Последняя обладает способностью сохранять изначальную форму даже при экстремальной нагрузке. Именно поэтому, машина сможет продолжать движение даже при проколе колеса без угрозы для жизни.
Безвоздушные шины будут более экологичными, нежели их предшественники из традиционной резины.
Одна из новых технологий в автомобильной промышленности – это автоматическая парковка автомобиля. Она способна на порядок упростить жизнь водителей в крупных городах. Пока такие новинки устанавливают лишь на дорогие автомобили в топовых комплектациях. Электронные системы способны определить вписывается ли машина по габаритам, рассчитать скорость передвижения и оптимальный угол поворота колес.
У водителя всегда есть возможность остановить автоматическую парковку, если ему что-то не нравится, и поставить машину самому.
От автомобилей будущего можно ждать еще больше различных функций, способных оказать водителям помощь в дороге и на парковке. Инновации однозначно будут развивать в сторону мощности и сверхэкономичности.
