Дуже короткий лікнеп по кутовий абс і суміжних систем

14

Після довгої перерви продовжуємо серію технічного лікнепу з електронних систем сучасних мотоциклів. І звичайно ж, на цей раз мова піде про системи, незмінно викликають великий інтерес публіки, а саме про електронні системи, які дозволяють мотоциклісту краще проходити повороти.

Його величність кутовий абс, ну і до купи все інше, що працює в поворотах, і часто за цей самий кутовий абс і прийняте.як це не дивно, незважаючи на всю магію, розмова на цей раз буде досить короткий, тому що тема не така вже й складна і велика, якщо не вдаватися в технічні та професійні деталі, абсолютно тут не цікаві.

Отже, приступимо. Для початку крапелька теорії.

Вся ця техномагія, яку ми постійно спостерігаємо навколо, всякі там автопілоти на літаках, абс, системи курсової стійкості на авто, дрони, роботи на заводах, ракети, і взагалі все не рухається рівномірно і прямолінійно – все це результат роботи тау , тобто теорії автоматичного управління . Ця теорія, що складається в основному з досить нехитрої математики, якраз і описує методи управління різною автоматикою, і є одним зі стовпів нашої вельми техногенної і автоматизованої цивілізації.

Практично все, чим займається тау, і системи на її основі-це прийняття рішення, який же саме керуючий сигнал потрібно відправити на ті чи інші виконавчі пристрої, для того щоб отримати потрібне і «осмислене» поведінку об’єкта, яким ми намагаємося управляти. Під сигналом зазвичай розуміється якесь значення, математично це число, вектор або матриця, простіше кажучи деяка проста або комплексна величина. Ну, наприклад, в яку саме сторону повернути кермо, і наскільки, можна уявити у вигляді числа в діапазоні від -1 до 1, де 0 буде прямо.

Природно, рішення про те, яким повинен бути керуючий сигнал, приймається не довільно, а на підставі різного роду даних.головними з яких є теж сигнали, тільки не керуючі, що виходять із системи управління, а вхідні в неї сигнали із зовнішнього світу. Це теж математичні величини, прості або складні, як правило отримані з різного роду датчиків.

Тобто система управління, якщо дуже грубо, це така чорна коробка, в яку входять різні сигнали, а з неї виходить сигнал управління, або може бути навіть не один, який формується якраз на основі цих самих вхідних сигналів. Так ось, бувають ситуації, коли сигнал управління починає безпосередньо, або якимось непрямим чином потрапляти назад на вхід системи управління. Такі ситуації бувають дуже часто , і називаються вони зворотній зв’язок , або ос .

Ос-це стовп тау, її головний елемент, і взагалі саме те, що змушує крутитися дуже багато шестерінки і коліщатка цього світу. Ос скрізь ,у вашій голові (і змушує цю голову думати і вчитися), в електроніці, в комп’ютері мільйони ос, в будь-яких системах управління, взагалі скрізь. Ос може викликати хаос, а так само ос може викликати повний спокій, в залежності від свого знака.

Коли вихідний сигнал надходить на вхід системи зі зворотним знаком, це називається негативною ос , і така ос є основою будь-якої стабілізації. Негативна ос намагається погасити коливання вхідного сигналу, за допомогою впливу на нього вихідним сигналом. Саме така ос нас і цікавить, і саме така ос як правило і застосовується.

З ос покінчили, тепер поговоримо про imu , тобто про inertial measurement unit . На жаль, адекватного російської назви цієї штуки не існує (крім досить специфічного для авіації назви курсовертикаль), але навіть з англійської назви цілком зрозуміло, що мова йде про датчику, який в змозі вимірювати… Ну, мабуть, інерцію. Логічно було б запитати, а навіщо, власне, цю інерцію знадобилося вимірювати? відповідь така – в більшості випадків це необхідно для того, щоб визначити орієнтацію об’єкта в просторі. Мало того, дуже часто це взагалі єдиний спосіб цю саму орієнтацію визначити, особливо зсередини цього самого об’єкта. Як ви самі розумієте, для теми нашої розмови це досить важливо, ми ж все-таки говоримо про мотоцикл, що проходить поворот. І було б дуже цікаво розуміти, як саме в даний момент мотоцикл цей поворот проходить.imu досить складний прилад, і як правило складається з декількох обов’язкових елементів:

  • 3-х осьового гіроскопа. Забудьте про всяких там маховиках, або навіть про лазерах, в мотоциклах все це не використовується. А використовуються мікромеханічні (mems) гіроскопи, що представляють собою мікросхему, що містить дуже дрібні механічні детальки, створені таким же процесом фотолітографії, як і транзистори. Такий гіроскоп може визначати тільки кутові швидкості, вимірюючи ємнісним способом зміни частоти коливань маленьких механічних пружинок, що коливаються під впливом електростатики.
  • 3-х осьового акселерометра, зробленого і працює приблизно так само, як і вищезгаданий гіроскоп.
  • обчислювача (як правило електронного цифрового, хоча були часи, коли обчислювачі були механічними, або аналоговими електричними)

У деяких випадках imu також містить 3-х осьовий магнетометр, простіше кажучи, тривимірний компас.

Гіроскопи в складі imu потрібні для того, для чого завжди і використовуються гіроскопи – для того, щоб визначати кутові переміщення об’єкта щодо інерціальної системи координат.акселерометри-для того, щоб визначати лінійні прискорення цього ж об’єкта щодо тієї ж самої інерціальної системи координат.а обчислювач потрібен для того, щоб з усієї цієї каші отримати корисний сигнал, ну або навіть багато корисних сигналів, в різних видах. І найголовніший з цих сигналів-справжня вертикаль, тобто вектор, який вказує з центру приладу в центр землі. Ця ж інформація може бути представлена не тільки у вигляді вектора, але і у вигляді набору кватерніонів, що задають поточне положення вертикалі приладу щодо цієї самої істинної вертикалі.

Я не буду розписувати математику, яка для всього цього потрібна, скажу тільки, що в основі подібних обчислень як правило лежить калмановская фільтрація. Яка до того ж використовує сигнал магнетометра для того, щоб частково компенсувати дрифт гіроскопа, особливо помітний при навколонульових кутових швидкостях. Особливо просунуті imu можуть також використовувати сигнал gps, для постійного калібрування і скидання постійно накопичуються помилок інтеграції. Втім, мотоциклам це не властиво, та й поки що не потрібно.

Отже, що ми можемо отримати від imu? найголовніше-поточну орієнтацію в просторі щодо істинної вертикалі, а також всі наші кутові і лінійні швидкості і прискорення, як у власній системі координат рухомого мотоцикла, так і в інерціальній системі координат, яка вважається нерухомою. В авіаційних термінах (а все це прийшло з авіації), це крен, тангаж, рискання, а також їх перші і другі похідні.

З невеликою, звичайно, точністю, недостатньою для вирішення навігаційних завдань, але зате з пристойною швидкодією (під сотню герц), і досить непоганим дозволом в межах десяти кутових хвилин. З цим вже цілком можна працювати.

І з недавніх пір ці самі imu стали досить масово з’являтися на мотоциклах. Як правило вони розташовуються близько цм мотоцикла (приблизно під вашою дупою), іноді є частиною якоїсь іншої системи, типу тієї ж абс, а іноді являють собою абсолютно самостійний пристрій. Мікромеханічні imu недорогі (близько сотні доларів), легкі (десятки або максимум сотні грам) і невеликі (не більше сірникової коробки, як правило). Imu підключається до загальної інформаційної шини, і може передавати свої дані в інші системи, чим, власне, і займається на постійній основі (а не тільки в поворотах).

Так ось, до чого це все.

А до того, що далі все зовсім просто. Всі ці кутові абс, і інші системи, що працюють на стабілізацію мотоцикла в повороті – це всього лише включення даних imu в контур зворотного зв’язку тієї чи іншої керуючої системи мотоцикла . Якщо це абс-то вийде кутова абс, яка буде не тільки вирівнювати швидкість коліс при гальмуванні, але і ще управляти гальмуванням таким чином щоб стабілізувати мотоцикл в повороті. Якщо це система управління двигуном, то вона буде регулювати газ для досягнення точно такого ж результату. Якщо це напівактивна підвіска, то вона буде регулювати жорсткість передньої або задньої підвіски. Якби у мотоцикла б підсилювач керма, він міг би ще й підрулювати. І так далі, і так далі, аж до випробовуваних bmw маленьких реактивних двигунів на стислому повітрі.

Тобто, всі ці системи – просто активні стабілізатори. А стабілізувати вони можуть різні речі.

  • можна стабілізувати нахил мотоцикла в повороті, не даючи йому завалюватися або розпрямлятися, наприклад при дачі газу або гальмуванні. З точки зору тау це реалізується шляхом включення в контур зворотного зв’язку кутової швидкості мотоцикла щодо його поздовжньої осі (по осі крену). І це буде однаково працювати для кутового абс і для кутового tc. Причому буде намагатися компенсувати будь-які причини зміни нахилу, не тільки викликані дачею газу або гальмуванням.
  • можна стабілізувати траєкторію , наприклад ввівши в контур зворотного зв’язку кутове прискорення мотоцикла щодо істинної вертикалі (тобто по каналу рискання).
  • можна навіть спробувати компенсувати клювання і присідання , ввівши в контур зворотного зв’язку першу, другу або навіть третю похідну по каналу тангажа.
  • або щось інше.

І все це цілком можна поєднувати, як між собою, так і зі звичайною роботою електронних систем типу абс.

І так, ви все правильно зрозуміли. Все це працює точно так же, і засноване на тих же принципах, що і давно застосовуються в автомобілях системи курсової стійкості. Природно, з поправкою на те, що в мотоциклі робиться упор на стабілізацію кілька інших фізичних величин, через іншу геометрію самого мотоцикла.

Чи можна застосовувати дані imu для чогось іншого, а не тільки для стабілізації в поворотах? звичайно ж можна. Наприклад – для управління напівактивною підвіскою, стабілізуючи лінійні і кутові переміщення мотоцикла. Або для антивіллі. Або навіть для керованого віллі. Або стоппі.

Можна навіть для того, щоб вчасно надути ейрбег, але як правило для цього застосовуються окремі датчики, більш швидкодіючі і менш точні.

Власне, короткий лікнеп на цьому закінчується, як бачите тема дійсно досить проста, есл не вдаватися в деталі. Якщо що забув-відповім в коментарях.