После долгого перерыва продолжаем серию технического ликбеза по электронным системам современных мотоциклов. И конечно же, на этот раз речь пойдет о системах, неизменно вызывающих большой интерес публики, а именно о электронных системах, которые позволяют мотоциклисту лучше проходить повороты.
Его величество Угловой АБС, ну и до кучи все остальное, что работает в поворотах, и часто за этот самый угловой АБС и принимаемое.
Как это ни странно, несмотря на всю магию, разговор на этот раз будет довольно короткий, потому что тема не такая уж и сложная и обширная, если не вдаваться в технические и профессиональные детали, совершенно здесь не интересные.
Итак, приступим. Для начала капелька теории.
Вся эта техномагия, которую мы постоянно наблюдаем вокруг, всякие там автопилоты на самолетах, АБС, системы курсовой устойчивости на авто, дроны, роботы на заводах, ракеты, и вообще все не движется равномерно и прямолинейно – все это результат работы ТАУ, то есть Теории Автоматического Управления. Сия теория, состоящая в основном из довольно нехитрой математики, как раз и описывает методы управления разной автоматикой, и является одним из столпов нашей весьма техногенной и автоматизированной цивилизации.
Практически все, чем занимается ТАУ, и системы на ее основе – это принятие решения, какой же именно управляющий сигнал нужно отправить на те или иные исполнительные устройства, для того чтобы получить нужное и «осмысленное» поведение объекта, которым мы пытаемся управлять. Под сигналом обычно понимается некое значение, математически это число, вектор или матрица, проще говоря некоторая простая или комплексная величина. Ну, например, в какую именно сторону повернуть руль, и насколько, можно представить в виде числа в диапазоне от -1 до 1, где 0 будет прямо.
Естественно, решение о том, каким должен быть управляющий сигнал, принимается не произвольно, а на основании различного рода данных.
Главными из которых являются тоже сигналы, только не управляющие, исходящие из системы управления, а входящие в нее сигналы из внешнего мира. Это тоже математические величины, простые или сложные, как правило полученные с разного рода датчиков.
То есть система управления, если очень грубо, это такая черная коробка, в которую входят разные сигналы, а из нее выходит сигнал управления, или может быть даже не один, который формируется как раз на основе этих самых входящих сигналов. Так вот, бывают ситуации, когда сигнал управления начинает напрямую, или каким-то косвенным образом попадать обратно на вход системы управления. Такие ситуации бывают очень часто, и называются они Обратная Связь, или ОС.
ОС — это столп ТАУ, ее главный элемент, и вообще именно то, что заставляет крутиться очень многие шестеренки и колесики этого мира. ОС везде, в вашей голове (и заставляет эту голову думать и учиться), в электронике, в компьютере миллионы ОС, в любых системах управления, вообще везде. ОС может вызывать хаос, а так же ОС может вызвать полное спокойствие, в зависимости от своего знака.
Когда выходной сигнал поступает на вход системы с обратным знаком, это называется Отрицательной ОС, и такая ОС является основой любой стабилизации. Отрицательная ОС старается погасить колебания входного сигнала, при помощи воздействия на него выходным сигналом. Именно такая ОС нас и интересует, и именно такая ОС как правило и применяется.
С ОС покончили, теперь поговорим про IMU, то есть про Inertial Measurement Unit. К сожалению, адекватного русского названия этой штуки не существует (кроме довольно специфичного для авиации названия курсовертикаль), но даже из английского названия вполне понятно, что речь идет о датчике, который в состоянии измерять… ну, видимо, инерцию. Логично было бы спросить, а зачем, собственно, эту инерцию понадобилось измерять? Ответ такой – в большинстве случаев это необходимо для того, чтобы определить ориентацию объекта в пространстве. Мало того, очень часто это вообще единственный способ эту самую ориентацию определить, особенно изнутри этого самого объекта. Как вы сами понимаете, для темы нашего разговора это довольно важно, мы же все-таки говорим о мотоцикле, проходящем поворот. И было бы очень интересно понимать, как именно в данный момент мотоцикл этот поворот проходит.
IMU довольно сложный прибор, и как правило состоит из нескольких обязательных элементов:
- 3-х осевого гироскопа. Забудьте о всяких там маховиках, или даже о лазерах, в мотоциклах все это не используется. А используются микромеханические (MEMS) гироскопы, представляющие собой микросхему, содержащую очень мелкие механические детальки, созданные таким же процессом фотолитографии, как и транзисторы. Такой гироскоп может определять только угловые скорости, измеряя емкостным способом изменения частоты колебаний маленьких механических пружинок, колеблющихся под воздействием электростатики.
- 3-х осевого акселерометра, сделанного и работающего примерно так же, как и вышеупомянутый гироскоп.
- Вычислителя (как правило электронного цифрового, хотя были времена, когда вычислители были механическими, или аналоговыми электрическими)
В некоторых случаях IMU также содержит3-х осевой магнетометр, проще говоря, трехмерный компас.
Гироскопы в составе IMU нужны для того, для чего всегда и используются гироскопы – для того, чтобы определять угловые перемещения объекта относительно инерциальной системы координат.
Акселерометры – для того, чтобы определять линейные ускорения этого же объекта относительно той же самой инерциальной системы координат.
А вычислитель нужен для того, чтобы из всей этой каши получить полезный сигнал, ну или даже много полезных сигналов, в разных видах. И самый главный из этих сигналов – истинная вертикаль, то есть вектор, который указывает из центра прибора в центр земли. Эта же информация может быть представлена не только в виде вектора, но и в виде набора кватернионов, задающих текущее положение вертикали прибора относительно этой самой истинной вертикали.
Я не буду расписывать математику, которая для всего этого нужна, скажу только, что в основе подобных вычислений как правило лежит калмановская фильтрация. Которая к тому же использует сигнал магнетометра для того, чтобы частично компенсировать дрифт гироскопа, особенно заметный при околонулевых угловых скоростях. Особо продвинутые IMU могут также использовать сигнал GPS, для постоянной калибровки и сброса постоянно накапливающихся ошибок интеграции. Впрочем, мотоциклам это не свойственно, да и пока что не нужно.
Итак, что мы можем получить от IMU? Самое главное – текущую ориентацию в пространстве относительно истинной вертикали, а также все наши угловые и линейные скорости и ускорения, как в собственной системе координат движущегося мотоцикла, так и в инерциальной системе координат, которая считается неподвижной. В авиационных терминах (а все это пришло из авиации), это крен, тангаж, рысканье, а также их первые и вторые производные.
С небольшой, конечно, точностью, недостаточной для решения навигационных задач, но зато с приличным быстродействием (под сотню герц), и довольно неплохим разрешением в пределах десяти угловых минут. С этим уже вполне можно работать.
И с недавних пор эти самые IMU стали довольно массово появляться на мотоциклах. Как правило они располагаются около ЦМ мотоцикла (примерно под вашей задницей), иногда являются частью какой-то другой системы, типа той же АБС, а иногда представляют собой совершенно самостоятельное устройство. Микромеханические IMU недороги (около сотни долларов), легки (десятки или максимум сотни грамм) и невелики (не больше спичечного коробка, как правило). IMU подключается к общей информационной шине, и может передавать свои данные в другие системы, чем, собственно, и занимается на постоянной основе (а не только в поворотах).
Так вот, к чему это все.
А к тому, что дальше все совсем просто. Все эти угловые АБС, и прочие системы, работающие на стабилизацию мотоцикла в повороте – это всего лишь включение данных IMU в контур обратной связи той или иной управляющей системы мотоцикла. Если это АБС – то получится угловая АБС, которая будет не только выравнивать скорость колес при торможении, но и еще управлять торможением таким образом чтобы стабилизировать мотоцикл в повороте. Если это система управления двигателем, то она будет регулировать газ для достижения точно такого же результата. Если это полуактивная подвеска, то она будет регулировать жесткость передней или задней подвески. Если бы у мотоцикла бы усилитель руля, он мог бы еще и подруливать. И так далее, и так далее, вплоть до испытываемых BMW маленьких реактивных двигателей на сжатом воздухе.
То есть, все эти системы – просто активные стабилизаторы. А стабилизировать они могут разные вещи.
- Можно стабилизировать наклон мотоцикла в повороте, не давая ему заваливаться или распрямляться, например при даче газа или торможении. С точки зрения ТАУ это реализуется путем включения в контур обратной связи угловой скорости мотоцикла относительно его продольной оси (по оси крена). И это будет одинаково работать для угловой АБС и для углового TC. Причем будет пытаться компенсировать любые причины изменения наклона, не только вызванные дачей газа или торможением.
- Можно стабилизировать траекторию, например введя в контур обратной связи угловое ускорение мотоцикла относительно истинной вертикали (то есть по каналу рысканья).
- Можно даже попытаться компенсировать клевки и приседания, введя в контур обратной связи первую, вторую или даже третью производную по каналу тангажа.
- Или что-то еще.
И все это вполне можно совмещать, как между собой, так и с обычной работой электронных систем типа АБС.
И да, вы все правильно поняли. Все это работает точно так же, и основано на тех же принципах, что и давно применяемые в автомобилях системы курсовой устойчивости. Естественно, с поправкой на то, что в мотоцикле делается упор на стабилизацию несколько других физических величин, из-за другой геометрии самого мотоцикла.
Можно ли применять данные IMU для чего-то еще, а не только для стабилизации в поворотах? Конечно же можно. Например – для управления полуактивной подвеской, стабилизируя линейные и угловые перемещения мотоцикла. Или для антивилли. Или даже для управляемого вилли. Или стоппи.
Можно даже для того, чтобы вовремя надуть эйрбэг, но как правило для этого применяются отдельные датчики, более быстродействующие и менее точные.
Собственно, краткий ликбез на этом кончается, как видите тема действительно довольно простая, есл не вдаваться в детали. Если что забыл – отвечу в комментариях.
