Współczesne systemy ADAS

Fot. Hella

Kiedy kilka lat temu firma Hella Gutmann Solutions wprowadzała na rynek urządzenie do kalibracji kamer i radarów, systemy ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) były dostępne wyłącznie w samochodach klasy wyższej, a w mniejszych i tańszych modelach – za sporą dopłatą. Dzisiaj niektóre z nich stanowią wyposażenie podstawowe wielu modeli samochodów.

Według statystyk około 90% wypadków i kolizji drogowych jest w głównej mierze wynikiem błędu ludzkiego. Aby temu zapobiec, wyposaża się pojazdy w szereg różnego rodzaju układów, które mają zapobiegać niebezpiecznym sytuacjom na drodze. Parlament Europejski uchwalił w 2019 roku rozporządzenie, zgodnie z którym pojazdy silnikowe muszą być wyposażone w następujące zaawansowane systemy:

a) inteligentny asystent kontroli prędkości,

b) ułatwienia w zakresie montażu alkomatów blokujących zapłon,

c) ostrzeganie o senności i spadku poziomu uwagi kierowcy,

d) zaawansowany system ostrzegania o rozproszeniu uwagi kierowcy,

e) awaryjny sygnał stopu,

f) wykrywanie obiektów przy cofaniu,

g) rejestrator danych na temat zdarzeń.

Rozporządzenie zacznie obowiązywać na wiosnę 2022 roku i dotyczy pojazdów wprowadzanych do sprzedaży na terenie Unii Europejskiej.

Oczywiście, samochód wyposażony w pierwszy z tych systemów nie zacznie od razu hamować po rozpoznaniu znaku ograniczenia prędkości. Jak większość systemów ADAS ma on jedynie informować kierowcę o dopuszczalnej prędkości i jej przekroczeniu np. w formie komunikatu na wyświetlaczu, a jeżeli ten nie zareaguje, to dodatkowo np. sygnałem dźwiękowym. Podobne rozwiązanie znane jest z systemu pasów bezpieczeństwa. Asystent kontroli prędkości powinien mieć możliwość wyłączenia przez kierującego, ale musi znajdować się w normalnym trybie pracy przy każdym uruchomieniu głównego wyłącznika pojazdu.

Niezależnie od narzuconych wymagań producenci od kilku lat wyposażają swoje samochody w różnego rodzaju systemy wspomagające kierowcę. Wiele z nich wymaga innego podejścia, zarówno ze strony użytkownika pojazdu, jak i mechanika, który taki pojazd obsługuje. Weźmy taki przykład: do warsztatu trafia samochód na wymianę rozrządu, a naprawa wymaga zdjęcia pasa przedniego. Jeśli w tym pasie jest zamontowany czujnik aktywnego tempomatu sterowanego radarem, to po ponownym założeniu zdemontowanych części niezbędna będzie procedura kalibracji czujnika, bez której system nie będzie działał. Dla niewyposażonego w odpowiednie narzędzia warsztatu sytuacja jest kłopotliwa, bo będzie zmuszony skorzystać z zewnętrznej usługi. Przecież nie można wydać klientowi samochodu z niesprawnym systemem, który przed przyjęciem do serwisu działał poprawnie.

A wcześniej czy później pojazd z systemem ADAS pojawi się w każdym warsztacie. Do pełnej obsługi systemów tego typu potrzebne jest urządzenie diagnostyczne. W firmie Hella Gutmann Solutions prawie każdy z testerów serii mega macs daje możliwość kalibracji zarówno kamer, czujników radarowych jak i laserowych. W niektórych samochodach kalibracja systemów ADAS odbywa się w sposób dynamiczny. Do tego typu kalibracji wystarczy przeprowadzić jazdę w odpowiednich warunkach i system sam dokona autoadaptacji. Jednak ze względu na zmienność czynników panujących na drodze, takich jak złe warunki pogodowe, korki lub niewystarczająca infrastruktura – wielu producentów preferuje kalibrację statyczną, a do jej przeprowadzenia warsztat musi dysponować odpowiednim stanowiskiem i dodatkowym urządzeniem.

W ofercie Hella Gutmann Solutions są to urządzenia serii CSC-Tool. Istotną częścią urządzeń tego typu są tablice do kalibracji kamer z przeznaczonymi dla konkretnych modeli pojazdów obrazami wzorcowymi. Kalibracja systemu kamery przedniej polega na odpowiednim ustawieniu urządzenia z daną tablicą przed pojazdem i zapisie ustawień w sterowniku kamery. Rozwój elektroniki powoduje, że sterowniki systemów, jak i kamery w dzisiejszych samochodach mają dużo większe możliwości niż w latach ubiegłych, co powoduje, że mogą wykonywać coraz więcej zadań jednocześnie. W związku z tym system kamer może odpowiadać za działanie różnych systemów ADAS.

Zastosowanie kamer

Adaptacyjny asystent świateł drogowych

Powodem powstania systemu adaptacyjnego oświetlenia była potrzeba jak najlepszego oświetlenia pola widzenia kierowcy. Z jednej strony wymaga się możliwie najjaśniejszego oświetlenia drogi i jej otoczenia, aby kierowca miał możliwość pełnego rozpoznawania obiektów w przestrzeni ruchu, a z drugiej – światła nie mogą oślepiać innych uczestników ruchu drogowego. W klasycznym rozwiązaniu opartym o światła mijania i drogowe niemożliwe jest spełnienie obu tych warunków. Dlatego powstał dynamiczny system oświetleniowy (Advanced Frontlighting System – AFS), zapewniający optymalne oświetlenie jezdni w zależności od prędkości jazdy, kąta skrętu kierownicy, warunków panujących na drodze itp. Wraz z wprowadzeniem systemów AFS pojawiły się nowe terminy określające typ świateł, takie jak: miejskie, do jazdy po drogach jednopasmowych, autostradowe, drogowe, zakrętowe, do jazdy w złych warunkach pogodowych. Kolejnym etapem rozwoju systemu AFS wykorzystującego statyczne schematy rozkładu światła stało się jego połączenie z kamerą i odpowiednim systemem przetwarzania obrazu. Pierwszym krokiem tego etapu jest adaptacyjna granica światłocienia (aHDG). Kamera zamontowana za przednią szybą rejestruje jadące przed samochodem i nadjeżdżające z przeciwnego kierunku pojazdy i tak steruje reflektorami, że rzucany przez nie snop światła kończy się przed nimi. Pozwala to na zwiększenie wynoszącego obecnie około 65 m zasięgu świateł mijania do nawet 200 m (linia 3 luksów).

Asystent utrzymania pasa ruchu – system ostrzegania przed niezamierzonym zjechaniem z pasa ruchu

Podobnie jak w przypadku sterowania oświetleniem adaptacyjnym, tak i do utrzymania pojazdu na właściwym pasie ruchu niezbędny jest obraz z kamery przedniej. Zadaniem systemu Lane Assist jest pomoc w utrzymaniu pojazdu na właściwym pasie ruchu. Aby to było możliwe, muszą być wyznaczone dwie linie ograniczające pas, po którym porusza się pojazd. System pozostaje nieaktywny, jeżeli pojazd porusza się po drodze jednojezdniowej z jedną linia rozgraniczającą pasy ruchu. Algorytm wyłącza system ostrzegania również wtedy, kiedy kierowca włączy kierunkowskaz. W jednym z rozwiązań system Lane Assist uaktywnia się przy prędkości 65 km/h lub po 15 sek. od momentu, gdy kierowca zdejmie ręce z kierownicy. System tego typu nie koryguje toru jazdy, jedynie informuje kierowcę sygnałami dźwiękowymi, świetlnymi lub wibracjami o fakcie niezamierzonej zmiany pasa ruchu (również bez użycia kierunkowskazu). System ten może zostać wyłączony przez kierowcę, jeżeli nie chce z niego korzystać.

Asystent hamowania (asystent awaryjnego hamowania)

Pierwszy system wspomagania hamowania został wprowadzony wraz z układem ABS około 30 lat temu. Zapobiega on blokowaniu kół podczas hamowania. Od 24.11.2009 r. podstawowy asystent hamowania stanowi obowiązkowe wyposażenie nowych pojazdów w całej UE.

Asystent awaryjnego hamowania (Emergency Brake Assist – EBA) monitoruje obszar przed pojazdem za pomocą czujników radarowych lub kamer. Ostrzeżenie dla kierowcy pojazdu pojawia się w przypadku groźby najechania lub kolizji z użytkownikiem drogi lub zwierzęciem. Zwiększane jest wówczas ciśnienie w hamulcach poprzez układ ABS. W zależności od systemu pojazd inicjuje zwalnianie i skraca drogę hamowania. Jeżeli zderzenie jest nieuniknione, może również zostać uruchomione hamowanie awaryjne (w granicach działania systemu). Jednym z przykładów jest Collision Prevention Assist Plus (CPAP) firmy Mercedes.

Inne systemy hamowania awaryjnego noszą takie nazwy, jak Intelligent Brake Assist (IBA, Infinity), Pre Collision Safety System (PCS, Toyota) lub po prostu automatyczny hamulec awaryjny (Automatische Notbremsung – ANB).

Systemy dla ruchu miejskiego, takie jak funkcja awaryjnego hamowania w mieście City Volkswagena, City Safety firmy Volvo lub Active City Brake (grupa PSA) – zmniejszają skutki najechania na poprzedzający pojazd w kolumnie lub w najlepszym przypadku zapobiegają mu całkowicie. Przednie czujniki systemów wykrywają także pieszych, rowerzystów i zwierzęta. W zależności od definicji systemu odpowiedni asystent hamowania działa do określonej prędkości, na przykład 30 km/h.

Tempomat

Liczba czujników niezbędnych do działania różnych systemów w pojazdach rośnie z każdym nowym rozwiązaniem. Jednym z najstarszych systemów wspomagających kierowcę jest zwykły tempomat, którego działanie polegało na utrzymaniu stałej prędkości obrotowej silnika, a zatem i pojazdu. Prekursorem był Chrysler, który w 1958 r. wprowadził pierwsze tego typu rozwiązanie (Cruise Control) w USA. W Europie pierwszy tempomat był dziełem Mercedesa i pojawił się w 1962 r. Obecne tempomaty regulują prędkość elektronicznie, zapewniając przyspieszanie i zwalnianie w taki sposób, aby prędkość była precyzyjnie utrzymywana.

Zastosowania radaru

Coraz więcej systemów ADAS jest ze sobą powiązanych, ponieważ zbierają one sygnały i informacje z wielu źródeł, np. kamery i radaru jednocześnie.

Firma Hella produkuje czujniki radarowe działające w wąskim paśmie częstotliwości 24 GHz i już w roku 2005 wprowadziła do produkcji seryjnej pierwszą generację tego typu czujników. Układ ten może być stosowany np. w systemach rozpoznawania martwego pola, asystenta zmiany pasa ruchu czy asystenta włączania się do ruchu z parkingu. W tym przypadku czujnik radarowy rejestruje i analizuje informacje o prędkości, kącie i odległości obiektów do 70 metrów za pojazdem. Już od pierwszej generacji urządzeń stosuje się tu metodę modulacyjną LFMSK (Linear Frequency Modulation Shift Keying). Polega ona na analizowaniu odległości i względnej prędkości ruchu więcej niż jednego obiektu przy użyciu tylko jednego sygnału (chirp), którego częstotliwość zmienia się w czasie.

Trzecia generacja urządzeń radarowych korzysta z ulepszonego wariantu FM, w którym szerokość pasma modulacji jest ograniczona do maksymalnie 200 MHz. System pracuje ze średnią mocą nadawczą 13 dBm (EIRP) w paśmie częstotliwości 24,05–24,25 GHz. Uzyskiwana w ten sposób dokładność lokalizacji 0,75 m wystarcza na potrzeby realizowanych funkcji. Do określania kąta służy metoda monoimpulsowa. System porównuje fazowe odbicia sygnału wysyłanego impulsowo o różnej dla każdej ze stron pojazdu charakterystyce częstotliwości.

W czwartej generacji czujników radarowych zintegrowano dodatkową funkcję bezpieczeństwa, tak zwanego asystenta wysiadania. Pozwala ona rozpoznawać niebezpieczne sytuacje podczas wysiadania (na przykład przejazd innego pojazdu) i ostrzegać przed nimi pasażerów.

Połączenie funkcji systemów Lane Assist wykorzystującego kamerę i Adaptive Cruise Control (ACC) korzystającego z radaru dało możliwość stworzenia systemu Traffic Jam Assist (asystent jazdy w korku), który otwiera możliwość jazdy niemal autonomicznej (AD).

Ostatnio pojawiły się w systemach ADAS czujniki Lidar (Light Detection and Ranging). Lidar działa na podobnej zasadzie, jak radar, lecz zamiast mikrofal radiowych wykorzystuje wiązkę światła lasera. Do systemów korzystających z technologii Lidar należą między innymi Construction Zone Assist, czyli system wspomagający podczas jazdy na remontowanych odcinkach drogi czy Collision Avoidance System (CAS), znany także jako Precrash System – system zapobiegający kolizji.

Łączenie funkcji różnych systemów ADAS i sygnałów z różnego rodzaju czujników daje możliwość stworzenia pojazdu niemal w pełni autonomicznego. Oczywista jest rola danych dostarczanych do poszczególnych systemów i znaczenie, jakie mają dla poprawnego ich funkcjonowania i bezpieczeństwa.

W praktyce warsztatowej większość przypadków związanych z uszkodzeniem lub nieprawidłowym działaniem któregokolwiek systemu ADAS będzie się sprowadzało do wymiany niesprawnego elementu, ewentualnego kodowania i na końcu – kalibracji systemu.

Każdy warsztat powinien być przygotowany zarówno pod kątem wiedzy, jak i wyposażenia do obsługi samochodów z system ADAS. Ilustracja zamieszczona na poczatku artykułu pokazuje stanowisko umożliwiające kalibrację większości systemów w samochodzie. Jest ono wyposażone w urządzenie do kalibracji kamer i radarów CSC-Tool, tester diagnostyczny, maty boczne i słupki z tablicą za pojazdem. Każdy z tych elementów wymagany jest do kalibracji innych systemów. Jeśli chodzi o kamery przednie i radary przednie, wystarczy CSC-Tool z odpowiednią przystawką do radarów lub ewentualnie akcesoriami przeznaczonymi do konkretnych modeli. Do kalibracji tzw. kamer 360^o wymagane są maty boczne. Bardziej skomplikowana jest kalibracja kamery wstecznej lub radarów tylnych, ponieważ producenci stosują różne systemy. Zestaw podstawowy z tablicą wzorcową może być rozszerzony o dodatkowe słupki z odpowiednimi wzorami, tzw. radar reflector lub podobne rozwiązania zależne od marki i modelu samochodu.

Producenci samochodów nie mają ujednoliconego rozwiązania również do kalibracji kamer – każdy ma swój wzór, a niektóre marki, jak np. Toyota i Lexus, kilka wzorów. Od 2018 roku Audi wprowadziło czujniki Lidar, które do kalibracji potrzebują dodatkowej tablicy. Informacja, które narzędzie jest wymagane do obsługi danego systemu, znajduje się w opisie procedury „krok po kroku” w oprogramowaniu testera diagnostycznego. Wielu mechaników zapomina, że często wymagane jest odpowiednie urządzenie zapewniające ładowanie akumulatora.

Technologia w motoryzacji zdecydowanie przyspieszyła. Pojawiają się różne efektowne rozwiązania, mające zachęcić klientów do zakupu nowych samochodów. Te zaś stają się coraz bardziej skomplikowane w obsłudze i wymagają od warsztatów szerszego zakresu narzędzi. Stąd też czołowe firmy branży, do których należy Hella, zapewniają swoim klientom odpowiednie produkty i niezbędne know how.