Будущее пневматических систем в автономных транспортных средствах

Понимание пневматических систем в современных автомобилях

Пневматические системы, использующие сжатый воздух для передачи мощности, десятилетиями были основным продуктом промышленной автоматизации. В автомобильном контексте они чаще всего ассоциируются с воздушными тормозами на тяжелых грузовиках и автобусах, а также с системами подвески воздуха в роскошных автомобилях. Однако, поскольку транспортная отрасль поворачивается к автономии, роль пневматики развивается от нишевой технологии к потенциальному основному компоненту архитектуры транспортных средств следующего поколения.

В отличие от гидравлических систем, которые полагаются на несжимаемые жидкости, пневматические системы используют сжимаемый воздух. Это фундаментальное отличие придает пневматике уникальные характеристики: они по своей природе легче, работают с меньшим количеством тепла и могут быть рассчитаны на отказ в более безопасных режимах. Для автономных транспортных средств, где каждый грамм веса влияет на диапазон и каждая миллисекунда времени отклика влияет на безопасность, эти черты становятся все более привлекательными.

Основные компоненты любой автомобильной пневматической системы включают воздушный компрессор, резервуар для хранения (резервуар), клапаны, исполнительные механизмы (цилиндры или сильфоны) и управляющую электронику. Компрессор оказывает давление на воздух, как правило, до 100-150 пси, и сохраняет его в резервуаре. Когда требуется функция, соленоидные клапаны открываются для прямого воздуха в исполнительные механизмы, которые преобразуют давление в механическое движение. Современные системы включают электронные блоки управления (ECU), которые модулируют давление и время с точностью.

Почему пневматические системы являются естественными для автономных транспортных средств

Автономные транспортные средства требуют уровня надежности и избыточности, который превосходит обычные транспортные средства, управляемые водителем. Пневматические системы предлагают несколько неотъемлемых преимуществ, которые соответствуют этим требованиям. Во-первых, сжатый воздух может храниться и использоваться даже при выходе из строя основной электрической системы, обеспечивая независимый источник питания для критических функций, таких как торможение. Это избыточность жизненно важна для достижения уровней сертификации безопасности, необходимых для автономии уровня 4 и уровня 5.

Во-вторых, пневматические приводы имеют высокое соотношение мощности к весу. Компактный пневматический цилиндр может генерировать силы, сравнимые с гидравлическим цилиндром аналогичного размера, но на долю веса. В электромобиле снижение веса напрямую приводит к увеличению дальности, что делает пневматику привлекательным вариантом для легких компонентов, таких как дверные открывалки, подъемники багажника и регулируемые системы подвески.

В-третьих, пневматические системы обеспечивают быстрое время отклика. Сжатый воздух может перемещаться по линиям на почти дозвуковых скоростях, а современные высокоточные соленоидные клапаны могут открываться и закрываться менее чем за 10 миллисекунд. Для тормозных систем это означает более короткие тормозные расстояния; для систем подвески это означает почти мгновенную регулировку дорожных условий. Автономные платформы вождения требуют датчиков и приводов для работы вместе с минимальным временем ожидания, и пневматика обеспечивает эту производительность.

В-четвертых, пневматические системы чистые. Утечка гидравлической жидкости отсутствует, риск загрязнения от разливов нефти отсутствует, и нет необходимости в удалении жидкости. Эта простота снижает уровень технического обслуживания и делает пневматику более экологически чистой, что является важным фактором для операторов автопарка, которые управляют автономными такси и транспортными средствами доставки.

Увольнение и безопасная операция

В автономных системах отказ одного компонента не должен приводить к катастрофическому событию. Пневматические системы могут быть спроектированы с двойными цепями, отдельными воздушными резервуарами и механическими приводами возврата пружины. Например, типичная система воздушного тормоза на тяжелом грузовике включает в себя привод пружинного тормоза, который автоматически применяет стояночный тормоз, если давление воздуха падает ниже порога. Эта отказоустойчивая функция может быть адаптирована для автономных пассажирских транспортных средств, гарантируя, что даже при полной потере электроэнергии транспортное средство может безопасно остановиться.

Инженеры изучают возможность использования локального хранилища энергии — небольших резервуаров сжатого воздуха, распределенных вокруг транспортного средства, — чтобы гарантировать, что приводы продолжают функционировать в течение контролируемого количества циклов после потери основного подачи воздуха. Этот подход отражает избыточность, обнаруженную в системах самолетов, и становится целью проектирования автономных платформ транспортных средств.

Интеграция с архитектурами Drive-by-Wire

Современные автономные транспортные средства все чаще принимают системы привода по проводу, где механические связи между водителем и колесами заменяются электронными сигналами. Пневматические системы естественным образом вписываются в эту парадигму. Водитель (или автономный контроллер) отправляет электронную команду на соленоидный клапан, который затем направляет воздух в привод. Не требуется физическая педаль или кабель. Эта интеграция позволяет автономной системе управлять торможением, ускорением и подвеской с одинаковой точностью, находится ли человек в петле или нет.

Крупные поставщики, такие как Bosch и ZF, разрабатывают пневматические тормозные системы для автоматического вождения. Эти системы сочетают электронное управление устойчивостью с модуляцией давления воздуха для обеспечения плавного, предсказуемого торможения, которое может быть точно настроено программными алгоритмами.

Ключевые приложения: Beyond Brakes and Suspension

Хотя торможение и подвеска являются наиболее распространенными пневматическими приложениями, потенциальные возможности использования в автономных транспортных средствах простираются гораздо дальше. Вот несколько областей, где пневматика может повысить ценность.

Автоматические двери и системы доступа

Автономные транспортные средства с приводом для езды потребуют надежных автоматических открывающихся дверей. Пневматические приводы могут открывать двери плавно и бесшумно, и они могут закрывать их с достаточной силой, чтобы обеспечить надлежащее уплотнение даже в ледяных условиях. В отличие от электродвигателей, пневматические цилиндры не требуют шестерни, которая может носить или заклинивать. Несколько прототипов автономных челноков от производителей, таких как Навья и EasyMile уже используют пневматические двери.

Грузовые и посылочные локеры

Автономные транспортные средства доставки должны будут надежно открывать отсеки, когда присутствует получатель. Пневматические замки и люки могут быстро приводиться в действие и могут надежно блокироваться под пружинным давлением. Энергия, необходимая для этого, минимальна, а простота воздушных линий облегчает уплотнение от погоды по сравнению с электрическими соленоидами в условиях высокой влажности.

Активная подвеска для комфорта в дороге

Автономные транспортные средства будут уделять приоритетное внимание комфорту пассажиров по сравнению с участием водителя. Системы подвески воздуха, уже распространенные в автомобилях и автобусах высокого класса, могут быть адаптированы для обеспечения активного демпфирования. Путем регулировки давления пружины воздуха в режиме реального времени на основе данных предварительного просмотра дороги от камер и лидара, подвеска может поглощать удары до того, как они достигнут кабины. Такие компании, как Continental разрабатывают системы прогностической подвески воздуха, которые интегрируются с автономными датчиками вождения.

Аварийное торможение и управление оверрайдом

В полностью автономном транспортном средстве, если первичная тормозная система выходит из строя, должна взять на себя вторичную систему. Пневматические аккумуляторы могут обеспечивать энергию для экстренного торможения без зависимости от основной электрической батареи. Аналогичным образом, пневматические приводы рулевого управления могут обеспечивать механическое переопределение, если электроэнергетический рулевой двигатель выходит из строя. Такое дублирование двух систем является ключевым требованием для уровней целостности безопасности автомобиля (ASIL) в ISO 26262.

Энергоэффективность и компрессорная технология

Одной из исторических критических замечаний в отношении пневматических систем является их энергоэффективность. Сжатие воздуха по своей сути менее эффективно, чем преобразование электрической энергии в механическое движение с помощью двигателя. Однако достижения в конструкции компрессора и восстановлении энергии сокращают разрыв.

Переменные электрические компрессоры

Традиционные пневматические системы используют компрессоры с фиксированной скоростью, которые работают с перерывами для поддержания давления в баке. Новые компрессоры с переменной скоростью без щетки постоянного тока могут соответствовать выходной мощности спросу, уменьшая отходы энергии. При интеграции с основной трансмиссией транспортного средства они могут работать только тогда, когда транспортное средство движется или восстанавливает энергию, эффективно делая сжатый воздух побочным продуктом торможения.

Восстановление энергии при торможении

Регенеративное торможение является стандартным в электромобилях, но оно восстанавливает кинетическую энергию в качестве электричества. В пневматической системе регенеративное торможение может сжимать воздух непосредственно с помощью компрессора поршневого типа, приводимого в движение колесом. Это будет хранить энергию в воздушном баке, а затем выпускать его для ускорения или питания пневматических аксессуаров без разрядки основной батареи. Эта концепция, иногда называемая «пневматическим гибридом», была изучена исследовательскими группами и показывает перспективу для остановки и движения в городах, где автономные транспортные средства будут работать чаще всего.

Управление теплом

В автономном транспортном средстве управление теплом должно учитывать каждый источник тепла, чтобы предотвратить перегрев датчиков и электроники. Современные конструкции компрессоров включают интеркулеры и послеохладители для эффективного отвода тепла. Кроме того, сам сжатый воздух может использоваться для охлаждения электроники, расширяя ее через вихревую трубку - концепция, исследуемая аэрокосмическими и автомобильными инженерами.

Интеграция с электроникой и программным обеспечением

Пневматические системы больше не являются чисто механическими. Они управляются ЭБУ, которые получают данные с центрального компьютера транспортного средства. В автономном транспортном средстве этот компьютер запускает алгоритмы восприятия, планирования и управления. Для того, чтобы пневматика правильно реагировала, система управления должна отправлять команды с точным временем и контролировать обратную связь от датчиков давления и датчиков положения на исполнительных механизмах.

Закрытый контроль

Пневматические системы с открытым контуром (которые просто применяют полное давление при открытии клапана) недостаточно точны для автономного управления транспортным средством. Системы с замкнутым контуром непрерывно измеряют положение или силу привода и регулируют рабочие циклы клапана для поддержания желаемого состояния. Это требует быстрых клапанов, датчиков давления высокого разрешения и алгоритмов управления, которые могут обрабатывать сжимаемость воздуха - нелинейная характеристика, которая требует сложного моделирования. Исследования, опубликованные в IEEE / ASME Транзакции на мехатронике , продемонстрировали, что модель предиктивного управления может достичь субмиллиметровой точности положения с пневматическими приводами.

Обнаружение вины и диагностика

Автономные транспортные средства должны самостоятельно диагностировать состояние компонентов. Пневматические системы поддаются простой диагностике: скорость падения давления, время цикличности клапанов и скорость потока могут непрерывно контролироваться. Медленная утечка в линии или застрявший клапан могут быть обнаружены до того, как он станет сбоем. Алгоритмы машинного обучения могут анализировать эти параметры для прогнозирования сбоев и планировать техническое обслуживание упреждающим образом, сокращая время простоя для автопарка.

Протоколы связи

Пневматические ЭБУ взаимодействуют через шину CAN транспортного средства или магистраль Ethernet. В настоящее время принимаются стандартизированные протоколы, такие как CANopen для пневматических компонентов, что позволяет датчикам и исполнительным механизмам от разных производителей взаимодействовать. Эта совместимость необходима для автономных платформ транспортных средств, которые интегрируют компоненты от нескольких поставщиков.

Тенденции рынка и принятие отрасли

Принятие пневматических систем в автономных транспортных средствах пока не получило широкого распространения, но несколько показателей указывают на рост. Прогнозируется, что мировой рынок автомобильных воздушных тормозных систем вырастет примерно на 5% до 2030 года, за счет автономных тяжелых грузовиков. В сегменте легковых автомобилей все чаще встречается подвеска, а с ростом роботаксиса в концепт-карах начинают появляться пневматические двери и люки.

Стартапы, такие как Aiways и Plus, опубликовали патенты, интегрирующие пневматические приводы для автономных функций вождения. Между тем, известные производители пневматических компонентов, такие как SMC Corporation и Festo инвестируют в продукты автомобильного класса, предназначенные для вибраций, температуры и требований надежности дорожных транспортных средств.

Национальная администрация безопасности дорожного движения (NHTSA) включила стандарты пневматического тормоза в свои руководящие принципы для автоматизированных коммерческих транспортных средств, а Общее регулирование безопасности Европейского союза (GSR) требует передовых тормозных систем, которые может поддерживать пневматика.

Проблемы и будущие направления исследований

Несмотря на преимущества, до того, как пневматические системы станут стандартными в автономных транспортных средствах, остаются значительные препятствия.

Энергоэффективность при частичной загрузке

Пневматические компрессоры менее эффективны при работе при частичной нагрузке. В типичном цикле движения спрос на сжатый воздух сильно варьируется. Будущие исследования сосредоточены на компрессорах с переменным перемещением и бортовом хранении энергии, что позволяет компрессору работать в своей наиболее эффективной рабочей точке, обеспечивая при этом пиковые потребности от хранения. Передовые материалы, такие как резервуары из углеродного волокна, которые уменьшают вес и увеличивают давление на хранение, также могут повысить общую эффективность системы.

Шум и вибрация

Компрессоры и выпускные клапаны производят шум. В пассажирском транспортном средстве, особенно в автономном транспортном средстве, где пассажиры могут работать или отдыхать, уровень шума должен быть сведен к минимуму. Инженеры разрабатывают звукопоглощающие корпуса, высокочастотные клапаны, которые работают выше слышимого диапазона, и регенеративные выхлопные системы, которые захватывают и повторно расширяют воздух вместо того, чтобы вентилировать его. Эти инновации уже появляются в системах премиальной воздушной подвески и, как ожидается, будут просачиваться в основные модели.

Компактность и упаковка

Автономные транспортные средства упакованы датчиками, компьютерами и аккумуляторными батареями. Добавление компрессора, резервуара и сантехники конкурирует за пространство. Миниатюризация пневматических компонентов является активной областью исследований. Разрабатываются микропневматические приводы, которые используют менее одного литра воздуха на ход. Кроме того, изучается интеграция в структурные компоненты, такие как использование подвесных рычагов в качестве воздушных резервуаров, чтобы сэкономить пространство без добавления веса.

Холодная погода производительность

Сжатый воздух содержит водяной пар, который может замерзать при минусовых температурах, блокирующие клапаны и линии. Автоматические пневматические системы используют воздушные сушилки и нагреватели для предотвращения образования льда, но они добавляют сложность и потребление энергии. Для автономных транспортных средств, которые могут работать в отдаленных районах без гаражей с климат-контролем, необходимы надежные характеристики холодной погоды. Исследования в сушилках и конструкциях самонагревающихся клапанов продолжаются.

Сравнение стоимости с полностью электрическими приводами

В то время как пневматика может быть экономически эффективной для тяжелых применений, стоимость добавления полной пневматической системы к легковому автомобилю может быть выше, чем использование выделенного электродвигателя для каждой функции. Однако, при рассмотрении избыточности на уровне системы и способности совместно использовать общий источник питания (воздух) через несколько исполнительных механизмов, общая стоимость владения может быть конкурентоспособной. Операторы флота, которые будут основными клиентами для автономных транспортных средств, фактор затрат на техническое обслуживание и простои. Пневматические системы имеют меньше износостойких деталей по сравнению с гидравлическими системами и могут в некоторых конфигурациях быть менее дорогими в обслуживании, чем несколько электрических приводов.

Заключение

Пневматические системы готовы играть расширенную роль в автономных транспортных средствах, не как новинка, а как практическое решение для безопасного приведения в действие, легкой конструкции и отказоустойчивой эксплуатации. Достижения в эффективности компрессора, управлении замкнутым контуром и миниатюризации компонентов устраняют традиционные слабости. По мере того, как отрасль движется к автономии уровня 4 и уровня 5, спрос на избыточные, чистые и быстродействующие системы будет расти. Пневматика с ее долгой историей надежности в тяжелом транспорте адаптируется к интеллектуальному, программно-управляемому миру самоуправляемых автомобилей. Продолжающееся сотрудничество между производителями пневматических компонентов, автомобильными OEM-производителями и компаниями-разработчиками программного обеспечения для автономного вождения определит, насколько глубоко эта технология встраивается в транспортные средства будущего.

Для инженеров и лиц, принимающих решения, ключевым выводом является то, что пневматика не должна игнорироваться как унаследованная технология. В контексте автономных транспортных средств они предлагают уникальное сочетание мощности, скорости и безопасности, которое дополняет электрические и электронные системы. В следующем десятилетии, вероятно, пневматика превратится из вспомогательной роли в основной компонент в архитектуре автономной мобильности.