Czujniki i systemy radarowe

Systemy wspomagania pomagają kierowcy. Stosuje się w nich różne technologie. © Hella

Udostępnij:

Systemy noktowizyjne nie szokują już tak jak kilka lat temu, jednak nadal są w wyposażeniu jedynie samochodów wyższej klasy. Systemy radarowe spotyka się już w samochodach popularnych, w których stanowią wyposażenie podstawowe.

Sowo „radar” to skrót terminu Radio Detection and Ranging, które w wolnym tłumaczeniu oznacza: lokalizacja radiowa i pomiar odległości. Mówiąc w uproszczeniu, radar generuje skupione fale elektromagnetyczne, czyli tak zwane sygnały pierwotne. Gdy fale te trafiają na jakiś obiekt, są odbijane jako echo (sygnały wtórne) oraz odbierane i analizowane przez sterownik. Obwód analityczny systemu na podstawie tych fal potrafi określać kierunek, odległość i prędkość obiektów, od których fale zostały odbite.



Czujniki radarowe wykorzystuje się w różnych systemach wspomagania kierowcy do pomiarów odległości przodu i tyłu pojazdu od różnych obiektów. Czujniki radarowe systemów umieszczonych z przodu pojazdu, takich jak adaptacyjne tempomaty (ACC, Adaptive Cruise Control), są już od lat dostępne w różnych pojazdach mechanicznych. W ramach ulepszania przeciwwypadkowych systemów wspomagania kierowcy stale rośnie zainteresowanie czujnikami radarowymi tyłu pojazdu. Coraz więcej modeli pojazdów seryjnie wyposaża się w te czujniki. Z tego właśnie względu kwestie ich diagnostyki i napraw stają się więc prędzej czy później częścią codziennej pracy nie tylko autoryzowanych, ale też niezależnych warsztatów samochodowych.

budowa czujnika radarowego
Budowa czujnika radarowego. Źródło: Hella

W 2005 r. firma HELLA zastosowała seryjnie pierwszą generację czujników radarowych 24 GHz. Ten układ sensoryczny nadaje się do stosowania w sprawdzonych już funkcjach standardowych, takich jak układ rozpoznawania martwego pola, asystent zmiany pasa ruchu czy asystent parkowania tyłem. Czujnik radarowy rejestruje i analizuje informacje o prędkości, kącie i odległości obiektów w obszarze do 70 m za pojazdem. Już od pierwszej generacji urządzeń stosuje się tu metodę modulacyjną LFMSK (Linear Frequency Modulation Shift Keying). Dzięki tej metodzie odległość i względną prędkość ruchu więcej niż jednego obiektu można rejestrować i mierzyć przy użyciu tylko jednego sygnału (chirp), którego częstotliwość zmienia się w czasie.

Warto wiedzieć
Czym jest promieniowanie podczerwone
IR, zwane też promieniowaniem cieplnym, to część promieniowania elektromagnetycznego niewidzialnego dla ludzkiego oka. W kierunku większych długości fal łączy się ono ze światłem widzialnym. Zakres długości fal podczerwieni wynosi od 780 nm do 1 mm. Każde „ciepłe” ciało (czyli każde ciało o temperaturze ponad zerem absolutnym – ok. –273°C) emituje promieniowanie podczerwone. Emitowana energia oraz rozkład długości fal promieniowania zależą od temperatury ciała. Im cieplejsze jest ciało, tym więcej energii w postaci promieniowania podczerwonego emituje i tym krótsza jest długość promieniowania.

W trzeciej generacji urządzeń radarowych stosowany jest ulepszony wariant FM, w którym szerokość pasma modulacji jest ograniczona do maks. 200 MHz. System pracuje ze średnią mocą nadawczą 13 dBm (EIRP) w paśmie częstotliwości od 24,05 do 24,25 GHz. Uzyskiwana tak dokładność lokalizacji do 0,75 m wystarcza na potrzeby realizowanych funkcji tyłu pojazdu. Do określania kąta służy tu metoda monoimpulsowa. System porównuje fazowe odbicia sygnału wysyłanego impulsowo o różnej dla każdej ze stron pojazdu charakterystyce częstotliwości.

systemy noktowizyjne
Systemy noktowizyjne mają znacznie większy zasięg niż światła mijania. Dzięki technice podczerwieni nie przesłaniają przy tym ruchu z przeciwka. Źródło: Daimler AG

Czwarta generacja czujników radarowych ma zintegrowaną dodatkową funkcję bezpieczeństwa, tak zwanego asystenta wysiadania. Pozwala ona podczas wysiadania rozpoznawać niebezpieczne sytuacje, np. przejazd innego pojazdu, i ostrzegać przed nimi pasażerów.

Obszary zastosowań

W zależności od generacji czujnika możliwa jest integracja następujących aplikacji:

  • Monitorowanie martwego pola: ta funkcja monitoruje obszar leżący w martwym polu widzenia kierowcy i ostrzega go przed niebezpiecznymi sytuacjami przy zmianie pasa ruchu. Jest to czujnik bliskiego zasięgu.
  • Tylny system Precrash: obserwuje pojazdy, które zbliżają się od tyłu i aktywuje (w razie nieuniknionej kolizji) różne elementy bezpieczeństwa,
  • np. poduszkę powietrzną, pasy bezpieczeństwa itp.
  • Asystent włączania się do ruchu: ostrzega przed nadjeżdżającymi pojazdami przy włączaniu się do ruchu z miejsca parkingowego. Funkcja ta jest uaktywniana przez włączenie wstecznego biegu i wykorzystuje zasięg bocznego czujnika radarowego.
  • Asystent wysiadania z pojazdu: monitoruje okolicę lewych i prawych drzwi pojazdu (zarówno po stronie kierowcy, jak i pasażera), a także obszar z przodu i z tyłu. Funkcja ta ostrzega użytkowników pojazdu, jeżeli nie jest możliwe bezpieczne otwarcie drzwi.
  • Asystent zmiany pasa ruchu: ostrzega kierowcę, jeżeli zmiana pasa może się wiązać z niebezpieczeństwem. Odległość ostrzegania równa 70 m umożliwia kierowcy dostatecznie wczesne przerwanie manewru zmiany pasa. Funkcja ta znacznie zwiększa bezpieczeństwo jazdy po autostradzie.

Komponenty i pozycje montażowe

W tym rozdziale informacje o różnych systemach i funkcjach przedstawiono na przykładzie systemu wspomagania kierowcy „Audi Side Assist”.

Sterowniki: asystent zmiany pasa ruchu składa się ze sterownika nadrzędnego (master) i podrzędnego (slave). Budowa tych sterowników jest identyczna. W połączeniu ze zintegrowanym czujnikiem radarowym oba sterowniki tworzą samodzielny komponent. Powyżej czujnika radarowego sterownik ma osłonę, nazywaną też kopułką. Wykonano ją ze specjalnego materiału, który optymalnie przepuszcza promieniowanie radarowe. Sterownik „master” jest zamontowany za zderzakiem po lewej stronie, a sterownik „slave” – za zderzakiem po prawej stronie.



Lampki ostrzegawcze: system dysponuje 4 ostrzegawczymi diodami LED, zintegrowanymi z obudowami lewego i prawego lusterka zewnętrznego.
Włącznik-wyłącznik: przycisk umożliwiający włączanie i wyłączanie funkcji asystenta zmiany pasa ruchu jest zintegrowany z osłoną powyżej tapicerki lewych przednich drzwi pojazdu. Dioda LED, która znajduje się w tym przycisku, informuje o stanie funkcji. System zapamiętuje ostatni aktywny stan i aktywuje go po ponownym uruchomieniu pojazdu.

Opis funkcji: asystent zmiany pasa „Side Assist” działa od prędkości 30 km/h. Pole zasięgu czujników radarowych wynosi ok. 50 m z tyłu i ok. 3,60 m obok pojazdu. System monitoruje sytuację za pojazdem i obok pojazdu przy użyciu czujników radarowych. Monitorowany obszar obejmuje niewidoczne dla kierowcy „martwe pole” zarówno po stronie kierowcy, jak i pasażera. Gdy w monitorowanym obszarze znajduje się pojazd, ale prowadzący nie wykonuje zmiany pasa, kierowca informowany jest o tym przez lekkie świecenie wskaźników LED w prawym lub lewym lusterku bocznym. Intensywność świecenia jest w tym przypadku niższa, aby wykluczyć niepotrzebne odwracanie uwagi kierowcy. Jeżeli w takiej sytuacji włączy on kierunkowskaz w celu sygnalizowania zmiany pasa ruchu, intensywne miganie lampki ostrzegawczej lusterka zewnętrznego odpowiedniej (prawej lub lewej) strony pojazdu go ostrzeże. Gdy system zarejestruje inny pojazd, sterownik oblicza jednocześnie czas do możliwej kolizji. Na podstawie tej oceny system rozróżnia pojazdy, które zbliżają się, jadą z taką samą prędkością lub jadą wolniej.
Zbliżające się pojazdy: pojazd, który znajduje się w znacznej odległości, może być uznany za zagrożenie, jeśli zbliża się szybko z dużą prędkością. Lampka ostrzegawcza w lusterku uaktywniana jest wcześniej.

Pojazdy jadące z taką samą prędkością: jeżeli przy zmianie pasa pojazdy jadące równolegle zostaną uznane za zagrożenie, uaktywniana jest lampka ostrzegawcza. Sygnalizowane są wszystkie pojazdy zarejestrowane w „martwym polu”.

Pojazdy jadące wolniej: jeżeli zarejestrowany obiekt jest wyprzedzany przez pojazd powoli, przy różnicy prędkości mniejszej niż 15 km/h, lampka ostrzegawcza uaktywnia się, gdy jadący wolniej pojazd znajdzie się w martwym polu. Jeżeli inny pojazd jest wyprzedzany z różnicą prędkości większą niż 15 km/h, system nie ostrzega kierowcy.

Jazda po zakręcie: jeżeli promień zakrętu przekracza 170 m, system rozpoznaje pojazdy znajdujące się za nim. Gdy promień zakrętu jest mniejszy, asystent zmiany pasa jest nieaktywny, ponieważ czujniki nie mogą objąć całego zasięgu monitorowania, czyli obszaru do 50 m za pojazdem.

Widzieć nocą

Noktowizory do celów wojskowych i cywilnych funkcjonują już od dłuższego czasu. Systemy stosowane w samochodach opierają się na dwóch zasadniczo różnych technikach: bliskiej podczerwieni (NIR), zwanej systemem aktywnym, i dalekiej podczerwieni (FIR), zwanej systemem biernym. BMW i Audi stosują w swoich systemach wspomagania technikę FIR, natomiast Mercedes stawia na NIR.

Systemy różnią się w pierwszej kolejności procesem technicznym, w którym przestrzeń przed pojazdem jest rejestrowana i zamieniana na informacje obrazowe pokazywane kierowcy. W samochodzie obie techniki różnią się przede wszystkim liczbą wymaganych komponentów i prezentacją na ekranie.

W systemach aktywnych obraz jest bardziej rzeczywisty, podczas gdy obrazowanie w systemach biernych przypomina negatyw. BMW w swoim systemie Night Vision wybrał bierną technikę FIR, ponieważ, według informacji podanych przez firmę, najlepiej spełnia ona wymóg, jakim jest odpowiednio wczesne rozpoznanie osób i przedmiotów w ciemności na ekranie systemu. FIR koncentruje się na najważniejszych informacjach i nie pokazuje nieistotnych, rozpraszających szczegółów.

Ze względu na mocniejsze promieniowanie cieplne osób i zwierząt na tle innych przedmiotów (takich jak budynki i zaparkowane pojazdy) symboliczne przedstawienie obrazu ciepła na ekranie ukazuje wyraźnie potencjalnie niebezpieczne sytuacje, redukując tym samym całkowitą ilość prezentowanych informacji. Uwydatniane są te punkty, na które system Night Vision powinien zwracać uwagę. Poza tym system ten obchodzi się bez dodatkowych lamp podczerwieni i ma większy zasięg niż NIR.

Ilustracja 4. Noktowizory oparte na technice podczerwieni bliskiej (NIR) przedstawiają rejestrowany obraz dość realistycznie.
Noktowizory oparte na technice podczerwieni bliskiej (NIR) przedstawiają rejestrowany obraz dość realistycznie.Źródło: Daimler AG
noktowizor oparty na podczerwieni dalekiej (FIR)
W noktowizorach opartych na podczerwieni dalekiej (FIR) obraz wygląda jak negatyw. W tych systemach istoty żywe są przedstawiane jako obraz emitowanego przez nie ciepła. Źródło: BMW
Podczas regulowania kamery noktowizyjnej w Mercedesach system ustawia środek obrazu, przedstawionego na ekranie na desce rozdzielczej, według punktów, które znajdują się na tarczy kalibracyjnej. Pracownik warsztatu może śledzić proces na wyświetlaczu.
 Podczas regulowania kamery noktowizyjnej w Mercedesach system ustawia środek obrazu, przedstawionego na ekranie na desce rozdzielczej, według punktów, które znajdują się na tarczy kalibracyjnej. Pracownik warsztatu może śledzić proces na wyświetlaczu. Źródło: Archiwum „autoEXPERTA”

Spojrzenie w zakręt

Zamontowana w BMW kamera przy 36° ma względnie szeroki kąt widzenia. Przy prędkościach poniżej 80 km/h umożliwia to rozpoznanie nie tylko drogi, lecz także jej poboczy i otoczenia. Przy prędkościach średnich pokazywany na monitorze wycinek zwęża się do 24°. Jednocześnie obraz przesuwa się z biegiem drogi – do 6° w lewo lub w prawo. Funkcja ta, zwana panningiem, sterowana jest wychyleniem przednich kół podczas jazdy na zakrętach. Poza tym przy większych prędkościach kierowca może włączyć cyfrowy zoom, który pokaże obiekty bardziej oddalone w powiększeniu 1,5:1. Niestety warunki pogodowe wpływają na jakość obrazu zarówno w przypadku FIR, jak i NIR – pogarszają go np. krople deszczu lub mgła, które filtrują podczerwień.

BMW wbudowuje Night Vision modułowo w istniejącą instalację elektryczną pojazdu. Konieczne są tylko dwa dodatkowe elementy sprzętowe: kamera i sterownik. Program przetwarzający obraz rozpoznaje ludzi i zwierzęta oraz ostrzega kierowcę za pomocą odpowiedniego symbolu, który pojawia się na ekranie lub na opcjonalnym wyświetlaczu u góry na przedniej szybie. W Audi A8 światła oświetlają krótko ludzi i zwierzęta światłem punktowym. Kamera na podczerwień w BMW wbudowana jest za atrapą. Jest chroniona nietłukącym się szkłem i drobną kratką. Widoczność zapewnia dysza czyszcząca kamerę, włączana równocześnie z układem czyszczenia szyby. Przy temperaturach poniżej 5°C szkło obudowy jest podgrzewane.

Z własnym oświetleniem

W systemach noktowizyjnych w Mercedesie klasy S jezdnia jest oświetlana niewidzialnym światłem podczerwonym przez dwa specjalne reflektory, umieszczone w obudowie świateł przednich. W systemach aktywnych włączają się one automatycznie od prędkości 15 km/h, a podczas hamowania działają jeszcze do prędkości ok. 10 km/h. Warunkiem są ciemność i włączone światła mijania. System noktowizyjny nie działa podczas cofania. Kamera podczerwieni, która rejestruje sytuację przed samochodem, umieszczona jest po wewnętrznej stronie szyby przedniej.

Przed zakłócającymi refleksami światła chroni ją przesłona filtrująca światło rozproszone. Elektroniczny sterownik przetwarza obraz z kamery podczerwieni i wyświetla go jako obraz w skali szarości na monitorze. Kiedy tylko system noktowizyjny zostanie uruchomiony, wyświetlacz na środku deski rozdzielczej przełącza się automatycznie i pokazuje obraz z kamery.

Ośmiocalowy wyświetlacz umieszczony jest w pierwotnym polu widzenia kierowcy, co oznacza, że powinien on być w stanie korzystać z niego tak, jak z szybkościomierza i innych instrumentów na desce rozdzielczej. Krótkie, regularne spojrzenia na obraz noktowizora powinny wystarczyć, by zorientować się w sytuacji przed pojazdem i dopasować swoje zachowanie. Jeżeli system jest włączony, prędkościomierz nie jest widoczny w formie okrągłej, lecz jako poziomy pasek u dołu obrazu z kamery. Noktowizor Mercedesa daje widoczność świateł drogowych, jednak nie przesłania ruchu z przeciwka.

Widzieć więcej

Osiągi tej techniki inżynierowie Mercedesa przetestowali w praktyce. W jazdach porównawczych z biksenonowymi światłami mijania i systemem noktowizyjnym kierowcy rozpoznają przeszkody na jezdni o wiele wcześniej. Jasno ubrane manekiny widoczne są już z odległości ok. 210 m, czyli o 41 m wcześniej niż przy samych biksenonowych światłach mijania. System działa jeszcze lepiej, jeżeli piesi są ubrani na ciemno. W takich sytuacjach kierowcy zauważali manekiny z odległości ok. 164 m, podczas gdy przy samych biksenonowych światłach mijania manekiny zauważano dopiero z odległości 72 m. Oznacza to wzrost bezpieczeństwa o 125%.
Nawet jeżeli reflektory pojazdów jadących z przeciwka oślepiają i mocno ograniczają widoczność, kierowcy używający systemu noktowizyjnego widzą znacznie lepiej. Jasno ubrany manekin, który stał na poboczu 50 m za jadącym z przeciwka pojazdem, w testach Mercedesa z wykorzystaniem systemu noktowizyjnego był widoczny z odległości 140 m, czyli ok. 53 m wcześniej niż przy samych biksenonowych światłach mijania.

Systemy wspomagania kierowcy, takie jak noktowizory, nie gwarantują pełnego bezpieczeństwa, czego kierowcy powinni być świadomi. Systemy te informują, ale nie ingerują w zachowanie pojazdu na drodze. Decyzje nadal podejmuje kierowca. Systemy wspomagania kierowcy działają raczej jak uważny pasażer, który zwraca uwagę kierowcy na potencjalnie krytyczne sytuacje zgodnie z zasadą: „czworo oczu widzi więcej niż dwoje”.

Udostępnij:

Drukuj



Maciej Blum

Redaktor naczelny miesięcznika „autoEXPERT”




TOP w kategorii







Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również