Блок управления рулевой рейкой БУРР-30

Значительную роль в появлении беспилотных транспортных средств играет компьютерное зрение и искусственный интеллект, благодаря чему стало возможным практическое развитие ADAS — системы помощи водителю на основе машинного зрения. Основная задача, которую решает система ADAS, — повышение безопасности движения путем информирования водителя и привлечения его внимания. Системы ADAS содержат шесть уровней. С ростом уровня системы, от нулевого до пятого, увеличивается количество активных функций помощи, контроля и управления транспортным средством. Если на нулевом уровне в управлении участвует лишь водитель, то на пятом уровне транспортное средство находится полностью в автономном управлении (беспилотный автомобиль).

Для обеспечения полностью автономного управления, помимо системы управления верхнего уровня, требуется специализированная рулевая рейка с электроприводом и системой датчиков обратной связи и защит. Большинство серийных блоков управления рулевой рейкой имеет вспомогательную функцию усилителя руля, поддерживая комфортное управление без значительных усилий на руле. Отличительной особенностью систем управления движением беспилотного транспортного средства, в частности привода рулевой рейки, является наличие мотора и его блока управления, обеспечивающего работу без вспомогательного усилия, передаваемого на рейку от рулевого колеса, так как человек не участвует в его управлении. В конечном итоге это приводит к тому, что весь момент нагрузки ложится на вал электродвигателя. С ростом момента возрастает ток, потребляемый из бортовой сети, как следствие — наблюдается рост температуры нагрева электродвигателя и блока управления. Ввиду этой особенности для обеспечения качественного и надежного управления электродвигателем рулевой рейки блок управления беспилотного автомобиля должен обладать большой перегрузочной способностью и подсистемой охлаждения, чтобы при длительной эксплуатации в тяжелых условиях он не перегрелся и не вышел из строя.

На рис. 1 представлена функциональная схема блока управления рулевой рейкой БУРР-30, предназначенного для организации управления сервоприводом рулевых реек транспортных средств, оборудованных электроусилителями рулевых механизмов в составе беспилотных транспортных средств. На рисунке видно, что входное напряжение питания постоянного тока 12–24 В поступает через защитный предохранитель FU к силовым транзисторным ключам, формирующим отдельный H-мост для ШИМ-управления электродвигателем ЭД.

Рис. 1. Функциональная схема БУРР-30

Блок управления имеет замкнутые контуры регулирования по току, скорости и положению. Функции связи и обмена информацией БУРР-30 реализованы с помощью CAN-интерфейса. Дополнительно в режимах настройки может использоваться интерфейс связи RS-485, протокол ModBUS RTU. Настройки режимов работы БУРР-30 сохраняются в отдельной микросхеме энергонезависимой памяти EEPROM. Для контроля за тепловым состоянием используется датчик температуры охлаждающего радиатора.

Рис. 2. Внешний вид БУРР-30

Индикация режимов работы, текущего состояния, предупреждений и аварийных ситуаций осуществляется контрольными светодиодами, выведенными на внешней стороне корпуса (рис. 2). Основные технические параметры приведены в таблице.

В качестве управляемого электродвигателя применяется коллекторный мотор постоянного тока, вал которого механически связан с исполнительным механизмом рулевой рейки. Для организации системы измерения позиции используется абсолютный датчик положения с помехозащищенным импульсным интерфейсом, встроенный в рулевую рейку.

Работа блока управления рулевой рейкой строится на основе принципов организации следящего электропривода. Абсолютный датчик положения с импульсным интерфейсом в составе рулевой рейки формирует сигнал обратной связи о текущей позиции. На основании команд управления, поступающих к блоку БУРР-30 по интерфейсу связи CAN, и с учетом сигнала обратной связи блок БУРР-30 управляет работой сервопривода на основе электродвигателя постоянного тока.

Встроенная аппаратно-про­граммная система защит непрерывно обеспечивает автоматическую защиту силовых цепей блока БУРР-30 от перегрева, от недопустимого снижения питающего напряжения, от перегрузок и коротких замыканий. Также блок БУРР-30 постоянно анализирует управляющие воздействия по каналу управления и в случае пропадания связи по CAN автоматически переводит рулевую рейку в нулевое начальное положение, устанавливая колеса по центру и обеспечивая прямолинейную траекторию движения транспортного средства.

Все необходимые внешние подключения осуществляются быстросъемными разъемами. На рис. 3 представлена схема внешних подключений БУРР-30 для применения в составе транспортного средства.

Рис. 3. Схема внешних подключений БУРР-30

При тонкой настройке БУРР-30 предоставляется возможность формировать требуемый профиль кривой изменения положения и усилий рулевой рейки при работе в различных режимах: удержание позиции, перемещение, работа на упор. На рис. 4 представлен график переходных процессов в силовом канале при работе блока БУРР-30 в составе беспилотного транспортного средства при мгновенном изменении задания.

Рис. 4. График переходных процессов в контуре тока при работе БУРР-30

На рис. 5 изображен график переходных процессов в контуре положения при подаче сигнала управления на перемещение.

Рис. 5. График переходных процессов в контуре положения при работе БУРР-30 (дискреты): оранжевая линия — текущее положение; синяя линия — заданное положение; серая линия — ошибка регулирования

Приведенный на рис. 5 график показывает изменение положения рулевой рейки в процессе движения беспилотного транспортного средства. После подачи питания положение рулевой рейки находится в нулевом состоянии (колеса стоят по центру). В этом режиме нагрузка по току на блок управления становится наименьшей. Далее показана последовательность двух режимов, в которых руль выкручивается в одну сторону и возвращается обратно в нулевое положение. Ввиду низкой динамики изменения сигнала задания ошибка регулирования минимальна. С ростом динамики, и особенно при реверсе (изменение положения руля из одного крайнего состояния в другое), происходит незначительный рост погрешности (ошибки регулирования), а по окончании процесса ошибка стремится к нулю. В реальных условиях эксплуатации данные режимы повторяются практически постоянно и не являются предельными для блока управления. Наиболее тяжелым режимом эксплуатации считается вывод рулевой рейки в крайнее положение и длительное сохранение этой величины. В таком режиме блок управления удерживает положение с большой нагрузкой на ось, что в итоге приводит к медленному нагреву электродвигателя и блока управления. При качественной настройке и правильном выборе блока управления данный режим может воспроизводиться многократно, не причиняя вреда блоку управления.

Благодаря заложенному функционалу и перегрузочной способности интеграция блока БУРР-30 в систему рулевого управления позволит превратить транспортное средство в беспилотный автомобиль с допустимой грузоподъемностью до 3 т. Таким образом, блоком управления БУРР-30 может быть оборудован как легковой автомобиль, так и небольшой грузовик.