Первым электронным устройством в автомобиле был радиоприёмник — его начали устанавливать в конце 1920-х годов. В современных автомобилях гораздо больше электроники, и она может не только проигрывать музыку, но и помогать водителю лучше управлять машиной. Разбираемся, как устроены автомобильные электронные помощники и как они работают.
Что такое электронные помощники в автомобиле
Автомобильные электронные помощники — это умные системы, которые делают поездку удобнее и безопаснее. Они могут видеть и анализировать обстановку на дороге и в салоне, принимать решения на основе этих данных, сообщать о них водителю и даже перехватывать управление, например:
- Датчик дождя включает дворники, когда начинается дождь :)
- Адаптивный круиз-контроль сам поддерживает нужную скорость и расстояние до машины впереди.
- Система мониторинга состояния водителя рекомендует сделать перерыв, если он устал.
- Парковочные помощники сообщают о препятствиях вокруг машины, а иногда вообще паркуют её сами.
Если электронные помощники повышают безопасность вождения и могут управлять автомобилем, то это ADAS — продвинутые системы помощи водителю (Advanced Driver Assistance Systems). Например, датчик дождя — электронный помощник, но не ADAS, потому что не влияет напрямую на безопасность и управление.
Как это устроено в целом
Все электронные помощники работают примерно так:
- Есть датчики, которые собирают информацию о том, что там у них происходит. Каждый собирает что-то своё, универсальных нет.
- Сигналы с этих датчиков поступают на блок управления. Иногда это один общий, иногда у каждой системы свой — сейчас нам это неважно.
- Блок управления постоянно анализирует данные и прогоняет их через свои алгоритмы.
- Если алгоритм понимает, что нужно подать сигнал водителю или вмешаться в управление — он это делает. Если алгоритм говорит, что всё в норме — ничего не происходит, водитель рулит сам, он молодец.
Теперь пройдёмся по каждому пункту подробнее.
Датчики
Датчики собирают данные об условиях и процессах снаружи и в салоне. Их много и каждый отвечает за свою систему:
- Радар — с помощью радиоволн определяет расстояние до объектов и их скорость.
- Ультразвуковой датчик — обнаруживает препятствия на близком расстоянии. Парктроники на бампере — это как раз оно.
- Лидары — с помощью лазеров сканируют окружение машины и создают его трёхмерную карту. Куда направлен лидар, в той стороне и строится картинка.
- Инфракрасные датчики — обнаруживают тепло от объектов.
- Ёмкостные — измеряют, как меняется электрическое поле лобового стекла, и по этим изменениям определяют, что на нём появились капли воды.
- Датчики скорости колёс измеряют скорость вращения колёс (что очевидно из названия :)
- Гироскопы — определяют угловую скорость автомобиля, когда машина входит в поворот, и угол наклона.
- Акселерометры — замеряют боковое ускорение.
- Датчик положения руля — смотрит, в каком положении находится руль и куда, судя по всему, хочет направить машину водитель.
- Камеры — считывают и распознают знаки, разметку и вообще всё, что попадёт в их поле зрения.
Все эти датчики — не обязательный набор, а скорее детали конструктора, из которых можно собирать разные системы. Что именно из этого должно быть в автомобиле, зависит от того, какие в нём электронные помощники. Например, для простого круиз-контроля достаточно датчиков скорости. А если в машине есть система удержания в полосе, то в ней ещё будут камеры, датчики угла поворота руля, акселерометр и гироскоп.
Блок управления
Данные с датчиков передаются на электронный блок управления. Этот мини-компьютер обрабатывает их, принимает решения и отправляет соответствующие команды исполнительным устройствам (про них будет дальше). Обычно за каждый набор функций отвечает отдельный электронный блок управления, но бывает и так, что один контролирует несколько электронных помощников.
Данные между разными электронными блоками управления передаются по общей CAN-шине, к которой подключены все узлы. Для связи с окружающим миром используются технологии V2X (Vehicle-to-Everything). С их помощью автомобиль обменивается информацией с инфраструктурой, другими автомобилями, мобильными устройствами и облачными сервисами.
Исполнительные устройства
Задача исполнительного устройства — или обратить внимание водителя на что-то, или перехватить управление и самому справиться с нештатной ситуацией. Например:
- если водитель не пристёгнут, а машина движется, система подаст звуковой сигнал;
- если сбоку кто-то едет, система предупредит водителя об этом и включит жёлтый сигнал на боковом зеркале с нужной стороны;
- если машина попала в занос, система стабилизации сама будет тормозить нужные колёса, чтобы выровнять автомобиль.
С оповещениями всё понятно: это или лампочки на приборной панели, или звуки. А с механикой и активной помощью водителю всё гораздо сложнее и интереснее — система сама может управлять многими элементами автомобиля без участия человека, например:
- тормозить всеми колёсами сразу или каждым по отдельности;
- увеличивать и снижать скорость;
- закрывать двери на ходу;
- натягивать сильнее ремни безопасности, если столкновение неизбежно;
- включать фары и дворники.
Чтобы это работало, все механизмы, которые участвуют, должны иметь возможность управляться электронно. Если в машине, например, чисто механические тормоза (как на старом уазике), то системы стабилизации там точно не будет: блоку управления просто нечем управлять в тормозах.
Пример работы алгоритмов: АБС и ESP
АБС (антиблокировочная система) не даёт колёсам заблокироваться при резком торможении. Это помогает удержать контроль над автомобилем и снизить риск заноса.
Антиблокировочная система работает так:
- Во время движения датчики скорости на колёсах передают электронному блоку управления данные о скорости вращения каждого колеса.
- Алгоритм постоянно анализирует эти данные и смотрит, все ли колёса вращаются как надо.
- Вдруг водитель видит препятствие и резко нажимает на педаль тормоза. Тормозные колодки хватают диски, колёса перестают вращаться, те, кто не пристёгнут, прилетают в торпеду.
- ❗️ Тут вступает в действие система АБС.
- Если какое-то колесо (неважно, одно, два или все) перестаёт вращаться, система это видит и разблокирует тормозные колодки для этого колеса.
- Как только колесо начинает вращаться, а водитель всё ещё жмёт на тормоз, колодки снова начинают тормозить диск, чтобы остановить колесо.
- Всё это работает до тех пор, пока машина не остановится.
Поясним, зачем нужен такой странный алгоритм. Если ударить по тормозам и заблокировать все четыре колеса, то машина будет на них просто скользить по дороге, как на санях. А вот если их то блокировать, то отпускать и делать это быстро-быстро, то получится так:
- тормозим, все колёса останавливаются;
- машина скользит, потому что потеряла сцепление с дорогой;
- АБС на долю секунды разблокирует колёса, они начинают снова крутиться, восстанавливая сцепление;
- АБС тут же всё блокирует, колёса снова останавливаются и автомобиль немного замедляется, потому что к этому моменту снова появилось сцепление с дорогой.
И вот если так делать много раз и очень быстро, то автомобиль будет тормозить намного эффективнее, чем просто при скольжении на заблокированных колёсах.
На основе антиблокировочной системы создали электронный контроль устойчивости (ESP, Electronic Stability Program), который не допускает занос автомобиля. Чтобы система не только реагировала на блокировку колёс, но и могла корректировать траекторию автомобиля, к датчикам скорости колёс добавили гироскоп, акселерометр и датчик положения руля. Данные от них обрабатывают дополнительные специальные алгоритмы.
Электронный контроль устойчивости работает так:
- Автомобиль движется — водитель нажимает на педали и крутит руль.
- Датчики скорости на колёсах, гироскоп, акселерометр и датчик положения руля передают системе данные о скорости вращения колёс, угловой скорости, боковом ускорении автомобиля и направлении вращения руля.
- Соответствующие алгоритмы обрабатывают данные от каждого датчика, а ещё один или несколько алгоритмов анализируют их, чтобы определить, движется ли автомобиль так, как хочет водитель.
- Если траектория автомобиля отклоняется от нужной, система принимает решение вмешаться — слегка подтормаживает одно или несколько колёс. Если нужно уменьшить скорость и восстановить стабильность, система может также снизить обороты двигателя.
Получается, электронные помощники — это больше про программирование?
ПО определяет функциональность, логику работы и взаимодействие разных систем автомобиля. Смотрите, сколько там всего запрограммировано:
- обработка сырых данных от датчиков и камер — преобразование, очищение от шумов и интерпретация;
- выделение в этих данных значимых сигналов или машинное обучение для распознавания объектов;
- оценка и прогнозирование ситуаций;
- принятие решений в реальном времени на основе оценок и прогнозов;
- шифрование данных, которые передаются между модулями;
- синхронизация работы разных систем автомобиля;
- изоляция критически важных систем от менее важных;
- пользовательские интерфейсы и много чего ещё.
👉 Общий вывод такой: датчики и исполнительные механизмы сами по себе ничего не умеют. Чтобы умели — нужны программисты, которые напишут для них свои алгоритмы.
А почему тогда их встраивают не везде?
Это дорого, сложно и не всегда имеет смысл. Исключение составляют разве что АБС и ESP, которые уже принято добавлять в большинство автомобилей.
Установка датчиков, вычислительных блоков и сложного программного обеспечения увеличивает стоимость производства, а с ней и рыночную цену автомобиля. На многих заводах нужна серьёзная модернизация — от обновления оборудования до изменения конструкции автомобилей на такую, которая рассчитана на интеграцию электронных помощников. Одним производителям это не по карману, а другим просто не интересно продавать дорогие автомобили, потому что такие нужны не всем.
Не у всех автоконцернов есть доступ к передовым разработкам. За готовыми технологиями стоят дорогие исследования и патенты. Поэтому в области электронных помощников лидируют компании с большим опытом и ресурсами, а менее крупные разрабатывают и внедряют новые решения намного медленнее.
Не во всех странах электронные помощники стандартизированы или вообще могут работать. В разных регионах свои стандарты безопасности, так что приходится либо соответствовать им всем, либо внедрять новые технологии точечно. А где-то дорожная инфраструктура просто недостаточно развита, чтобы электронные помощники могли с ней работать как надо.
В чём проблема электронных помощников
В том, что в сложной ситуации, когда машине нужно будет принять решение, от которого зависят жизни пассажиров или пешехода, это решение может оказаться неверным. И непонятно, кто тогда будет виноват в аварии:
- Водитель, который понадеялся на электронных помощников?
- Пешеход, который переходил дорогу не в том месте, а помощники его увидели и увели машину в столб?
- Автопроизводитель, который использовал устаревшие драйверы для работы с датчиками?
- Производитель тормозной системы, который неправильно написал алгоритм расчёта скорости реакции на торможение?
Короче, основная проблема помощников в том, что водитель часто слишком полагается на них, забывая о том, что это именно он управляет автомобилем, а не электроника. И это приводит к критическим ситуациям, которых можно было бы избежать, если бы водитель контролировал управление, а не тупил в телефоне, включив круиз-контроль и удержание в полосе.
Что нужно знать, чтобы заниматься электронными помощниками
А всё зависит от того, что именно вы хотите делать.
Если хотите писать алгоритмы для камер, которые распознают дорожные знаки, пешеходов и другие объекты, учите Python.
Если хотите делать красивые интерфейсы для электронных помощников, учите JavaScript.
Если хотите писать программы, которые работают с датчиками и принимают решения на основе их данных, — учите C и C++.
Если хотите разрабатывать сами помощники — учите робототехнику.
В идеале ещё нужно понимать, как работают основные системы автомобиля: двигатель, трансмиссия, тормозная система, рулевое управление, подвеска и электрика. Но можно и не понимать, если заниматься камерами с компьютерным зрением, которые должны правильно идентифицировать объекты.
Где научиться
У Практикума есть несколько курсов, с которых можно начать:
У всех них есть бесплатная часть, так что можно сначала попробовать, а уже потом решать, покупать ли курс целиком.
