Ремень безопасности — средство пассивной безопасности, предназначенное для удержания пассажира автомобиля (или иного транспортного средства) на месте в случае аварии либо внезапной остановки. Применение ремня безопасности предотвращает перемещение пассажира по инерции, и, соответственно, возможные его столкновения с деталями интерьера транспортного средства или с другими пассажирами (так называемые вторичные удары), а также гарантирует, что пассажир будет находиться в положении, обеспечивающем безопасное раскрытие подушек безопасности. Помимо этого, ремни безопасности при аварии немного растягиваются, тем самым поглощая кинетическую энергию пассажира и дополнительно тормозя его движение, и распределяют усилие торможения на бо́льшую поверхность. Растяжение ремней безопасности осуществляется с помощью устройств удлинения и амортизации, снабжённых энергопоглощающими технологиями. Возможно также использование в ремнях безопасности устройств натяжения.
Ремни безопасности уменьшают риск гибели водителя и пассажиров переднего и заднего сиденья в зависимости от типа аварии от 2 (лобовое и боковое столкновения) до 5 раз (переворачивание). В РФ согласно ПДД использование ремней безопасности обязательно для водителя и всех пассажиров оборудованного ремнями безопасности транспортного средства, в том числе находящихся на заднем сиденье.
Двухточечный ремень безопасности - недостаточная защита
Во второй половине 50-х годов в Volvo были разработаны несколько решений безопасности: складывающаяся колонка рулевого колеса, мягкое покрытие панели управления и крепления для диагонально располагающегося двухточечного ремня безопасности для водителя и пассажира на переднем сиденье. В случае столкновения они были призваны снизить вероятность удара водителя и пассажира об элементы салона автомобиля.
Автомобили Volvo выпускались со стандартными креплениями для двухточечных ремней безопасности на передних сиденьях еще в 1957 году, однако так называемый "диагональный ремень" все же не выполнял той функции обеспечения безопасности, к которой стремилась компания Volvo. Это объяснялось тем, что застежка ремня находилась на уровне грудной клетки человека, и в случае столкновения она могла серьезно навредить. У президента Volvo Энгеллау был личный опыт потери близких людей в ДТП: родственник Энгеллау погиб в автокатастрофе, причем среди факторов, повлекших смерть, оказались и недостатки в конструкции двухточечного ремня безопасности.
Как уже говорилось раннее, в автомобилях используются трехточечные ремни безопасности.
Поэтому сейчас мы расскажем вам историю создания трехточечных ремней безопасности.
Немногим людям удалось спасти столько человеческих жизней, сколько спас Нильс Болин - инженер Volvo, который изобрел в 1959 году V-образный трехточечный ремень безопасности. Это было уникальное изобретение и по сей день является самым эффективным средством защиты в случае столкновения.
Начиная с 60-х годов, ремень безопасности Болина спас сотни тысяч человеческих жизней и предотвратил (или снизил) последствия травм для многих миллионов людей, ставших участниками ДТП. Трехточечный ремень безопасности является одним из самых важных устройств безопасности, разработанных в автомобильной промышленности за всю ее 120-летнюю историю. Эффективность изобретения Болина подтверждена Патентным бюро Германии, которое внесло ремень безопасности в список восьми патентов, имеющих самую высокую значимость для человечества за столетний период с 1885 по 1985. Имя Болина стоит в одном ряду с такими изобретателями, как Бенц, Эдисон и Дизель.
Болин понял, что в момент передвижения верхняя и нижняя части тела водителя и пассажиров должны надежно фиксироваться. Один ремень должен проходить по грудной клетке, а другой - находиться на уровне бедер. Сложность задачи заключалась в том, что для быстроты и удобства ремень нужно было пристегивать одной рукой.
В конструкции своего изобретения Болин реализовал четыре золотых правила, которые он считал наиболее важными для обеспечения безопасности в автомобиле. Ремень включал две части - одна на уровне бедер, другая удерживала верхнюю часть тела. Верхняя часть ремня проходила на уровне таза и грудной клетки. Крепился ремень в нижней части возле сиденья. Ремень безопасности располагался в форме буквы "V", направленной вниз к полу автомобиля. Помимо этого, ремень оставался закрепленным и не перемещался под нагрузками.
В этом заключалось главное отличие V-образного ремня безопасности Болина по сравнению с конструкцией предыдущего Y-образного ремня, разработанного Грисуолдом (Griswold). В действительности ремень Болина был не просто инновационным решением, но и представлял собой геометрическое совершенство. Вскоре трехточечный ремень безопасности стал применяться во всем мире, поскольку Volvo сделала патент Болина доступным для всех авто производителей.
Пятиточечный ремень безопасности(ковш)
В гоночных условиях на тело гонщика действуют силы, гораздо большие, нежели на тело водителя обычной гражданской машины. Соответственно, чтобы удержать тело в поворотах нужно особое кресло с хорошей фиксацией: более жесткое, с усиленными креплениями, с лучшей боковой поддержкой, поддержкой в области таза и, желательно, специальными «ушами» для защиты головы. Всем этим требованиям и удовлетворяет «ковш». Помимо этого, «ковш» гораздо легче обычного сиденья (потому что в нем минимум регулировок, а материал, из которого он сделано, как правило, сверхлегкий карбон), отделан специальными антифрикционными материалами (замша, алькантара) и имеет специальные прорези для крепления пяти ремней безопасности. Ну и естественно, что для участия в профессиональных соревнованиях «ковш» должен иметь омологацию соответствующей спортивной федерации (например, РАФ или FIA).
Фактически, история «ковша» насчитывает всего около четверти века. В 1973 году компания Recaro представляет первую ковшеобразную конструкцию — "Ideal seat 73C" — как мировую инновацию в области безопасности. А спустя три года – в 1976-ом – появляется первое сиденье для автоспорта Recaro Profi. Эта модель (естественно, в усовершенствованном варианте) выпускается и по сей день. Его масса – всего 6,5 кг, оно имеет «подкачку» бокового подпора, специальные направляющие для гоночных ремней, массивный интегрированный подголовник и отделано негорючими материалами.
Однако ковш очень неудобен в повседневной жизни, ведь они регулируются индивидуально для каждого человека.
Ремни безопасности в автомобиле являются частью системы пассивной безопасности. Но выполняют они свою функцию только в случаях, когда ими правильно пользуются. Как показал опрос нескольких десятков автовладельцев и их пассажиров, правильно пристегивать ремни умеют лишь 32% респондентов.
Многочисленные исследования различными институтами, центрами безопасности и лабораториями последствий столкновений автомобилей позволили сделать неутешительные выводы. Для сидящих сзади пассажиров, не пристегнутых ремнями безопасности, лобовое столкновение также опасно. В момент удара о потолок и стойки кузова они могут получить смертельные травмы головы. А средний пассажир при фронтальном ударе может даже вылететь через лобовое стекло.
Получают значительные травмы и те, кто неправильно размещает ремни на теле и не регулирует их натяжение. Большому риску подвергаются любители сидеть в автомобиле в полулежащем положении. В момент столкновения они съезжают на пол салона, получая при этом травмы позвоночника и головы. Более того, в этом случае ремень может врезаться в горло и задушить сидящего. Не рекомендуется также класть ноги на панель приборов. Если в автомобиле есть подушка безопасности, в момент срабатывания кости ног легко ломаются.
Неправильную регулировку натяжения ремней, начиная с конца 70-х годов, исключили, установив автоматические натяжители с устройством блокировки ремня. При использовании автоматически блокируемых ремней негативную роль может сыграть толстый слой одежды. Она создает своего рода подушку, которая препятствует плотному контакту ремня с телом человека. Из-за этого во время столкновения сначала происходит поглощение подушечного зазора, а только затем появляется рывок, активизирующий устройство блокировки ремня. Поэтому удерживать человека ремень безопасности начинает с большим опозданием. Такая задержка может привести к тому, что пассажир ударится головой о лобовое стекло или получит опасный удар, открывшейся подушкой безопасности.
Мотор 28BYJ-48 и драйвер ULN2003
Шаговый двигатель - это мотор, который управляется несколькими электромагнитными катушками.
На центральном валу - роторе - расположены магниты. В зависимости от от того, есть ток на катушках, которые находятся вокруг вала, или нет, создаются магнитные поля, которые притягивают или отталкивают магниты на роторе. В результате вал шагового двигателя вращается.
Подобная конструкция позволяет реализовать очень точное управление углом поворота ротора шагового двигателя относительно катушек - статора. Можно выделить два основных типа шаговых моторов: униполярные и биполярные шаговые двигатели.
Шаговые двигатели — основа точной робототехники. В отличие от двигателей постоянного вращения, один оборот «шаговика» состоит из множества микроперемещений, которые и называют шагами. Другими словами, мы можем повернуть вал двигателя ровно на 90 градусов, и зафиксировать его в этом положении.
Униполярные шаговые двигатели имеют пять или шесть контактов для подключения и четыре электромагнитные катушки в корпусе (если быть более точными, то две катушки, разделенные на четыре). Центральные контакты катушек соединены вместе и используются для подачи питания на двигатель. Эти шаговые моторы называются униполярными, потому-что питание всегда подается на один из этих полюсов.
Подобная конструкция позволяет реализовать очень точное управление углом поворота ротора шагового двигателя относительно катушек - статора. Можно выделить два основных типа шаговых моторов: униполярные и биполярные шаговые двигатели.
Подключать шаговые моторы «напрямую» к ардуино, довольно сложный и неудобный процесс. Поэтому лучше использовать специальные драйверы, например, для мотора 28BYJ-48 часто используется ULN2003, они даже частенько продаются в комплекте. Так же можно использовать драйвера L293D, DRV8825 и тд. В данном проекте используется ULN2003. Подключение мотора и драйвера простое: на плате драйвера имеется разъем с пазами для подключения 28BYJ-48, тут сложно подключить не правильно, а сам драйвер подключается к любым четырем пинам arduino, плюс ему требуется два провода питания. Драйвер умеет работать с 5 и 12 вольтовыми версиями 28BYJ-48, для переключения уровней питания на плате нужно перекинуть перемычку.
Драйвер — это ULN2003 весьма простое устройство, неспособное выполнять сложные действия.
Плата драйвера шагового двигателя на базе микросхемы ULN2003, представляющей собой массив транзисторов, включенных по схеме Дарлингтона, позволяет достаточно просто управлять мотором 28BYJ-48, используя микроконтроллер. В нашем случае, в качестве управляющего микроконтроллера выберем плату Arduino Uno с микроконтроллером ATmega328. Помимо самой микросхемы ULN2003AN, на плате имеется пятиконтактный разъем для подключения к шаговику и четыре светодиода, показывающих, какая из обмоток запитана в текущий момент времени.
Также сбоку расположен джампер (два вывода под четырьмя резисторами), установка которого позволяет подавать питание на шаговый двигатель. Четыре управляющих входа помечены как IN1-IN4 и должны быть подключены к четырем цифровым выводам Arduino.
Ультразвуковой датчик расстояния HC-SR04
Ультразвуковые датчики расстояния очень востребованы в робототехнических проектах из-за своей относительной простоты, достаточной точности и доступности. Они могут быть использованы как приборы, помогающие объезжать препятствия, получать размеры предметов, моделировать карту помещения и сигнализировать о приближении или удалении объектов. Одним из распространенных вариантов такого устройства является датчик расстояния, в конструкцию которого входит ультразвуковой дальномер HC SR04.
Способность ультразвукового датчика определять расстояние до объекта основано на принципе сонара – посылая пучок ультразвука, и получая его отражение с задержкой, устройство определяет наличие объектов и расстояние до них. Ультразвуковые сигналы, генерируемые приемником, отражаясь от препятствия, возвращаются к нему через определенный промежуток времени. Именно этот временной интервал становится характеристикой помогающей определить расстояние до объекта
Описание датчика HC SR04
Датчик расстояния является прибором бесконтактного типа, и обеспечивает высокоточное измерение и стабильность. Диапазон дальности его измерения составляет от 2 до 400 см. На его работу не оказывает существенного воздействия электромагнитные излучения и солнечная энергия. В комплект модуля с HC SR04 также входят ресивер и трансмиттер.
Ультразвуковой дальномер HC SR04 имеет такие технические параметры:
• Питающее напряжение 5В;
• Рабочий параметр силы т ока – 15 мА;
• Сила тока в пассивном состоянии < 2 мА;
• Обзорный угол – 15°;
• Сенсорное разрешение – 0,3 см;
• Измерительный угол – 30°;
• Ширина импульса – 10-6 с.
Датчик оснащен четырьмя выводами (стандарт 2, 54 мм):
• Контакт питания положительного типа – +5В;
• Trig (Т) – выход сигнала входа;
• Echo (R) – вывод сигнала выхода;
• GND – вывод «Земля».
Схема взаимодействия с Arduino
Для получения данных, необходимо выполнить такую последовательность действий:
• Подать на выход Trig импульс длительностью 10 микросек;
• В ультразвуковом дальномере hc sr04 подключенном к arduino произойдет преобразование сигнала в 8 импульсов с частотой 40 кГц, которые через излучатель будут посланы вперед;
• Когда импульсы дойдут до препятствия, они отразятся от него и будут приняты приемником R, что обеспечит наличие входного сигнала на выходе Echo;
• На стороне контроллера полученный сигнал при помощи формул следует перевести в расстояние.
При делении ширины импульса на 58.2, получим данные в сантиметрах, при делении на 148 – в дюймах.
Точность измерения расстояния датчиком HC SR04
Точность датчика зависит от нескольких факторов:
• температуры и влажности воздуха;
• расстояния до объекта;
• расположения относительно датчика (согласно диаграммы излучения);
• качества исполнения элементов модуля датчика.
В основу принципа действия любого ультразвукового датчика заложено явление отражения акустических волн, распространяющихся в воздухе. Датчик, испуская волны и замеряя время до их возврата, не догадывается, в какой именно среде они будут распространяться и берет для расчетов некоторую среднюю величину. В реальных условиях из-за фактора температуры воздуха HC-SR04 может ошибаться от 1 до 3-5 см.
Фактор расстояния до объекта важен, т.к. растет вероятность отражения от соседних предметов, к тому же и сам сигнал затухает с расстоянием.
Также для повышения точности надо правильно направить датчик: сделать так, чтобы предмет был в рамках конуса диаграммы направленности. Проще говоря, “глазки” HC-SR04 должны смотреть прямо на предмет.
Для уменьшения ошибок и погрешности измерений обычно выполняются следующие действия:
• усредняются значения (несколько раз замеряем, убираем всплески, потом находим среднее);
• датчик устанавливается на серводвигатель, с помощью которого мы “поворачиваем голову”, перемещая диаграмму направленности влево или вправо.
Плата Arduino Nano
Arduino Nano входит в тройку самых популярных плат ардуино. Она позволяет создавать компактные устройства, использующие тот же контроллер, что и в Arduino Uno. Название платы нано говорит само за себя – она действительно имеет небольшие размеры при той же функциональности. В этой статье мы рассмотрим плату поближе: разберемся с распиновкой платы, узнаем особенности подключения и сделаем краткий обзор шилдов и плат расширения.
Nano – одна из самых миниатюрных плат Ардуино. Она является полным аналогом Arduino Uno – так же работает на чипе ATmega328P, но с меньшим форм-фактором. Из-за своих габаритных размеров плата часто используется в проектах, в которых важна компактность. На плате отсутствует вынесенное гнездо внешнего питания, Ардуино работает через USB (miniUSB или microUSB). В остальном параметры совпадают с моделью Arduino Uno.
Технические характеристики Arduino Nano:
• Напряжение питания 5В;
• Входное питание 7-12В (рекомендованное);
• Количество цифровых пинов – 14, из них 6 могут использоваться в качестве выходов ШИМ;
• 8 аналоговых входов;
• Максимальный ток цифрового выхода 40 мА;
• Флэш- память 16 Кб или 32 Кб, в зависимости от чипа;
• ОЗУ 1 Кб или 2 Кб, в зависимости от чипа;
• EEPROM 512 байт или 1 Кб;
• Частота 16 МГц;
• Размеры 19 х 42 мм;
• Вес 7 г.
Для получения информации от датчика на пин D11 подключенный к контакту Trig подается высокое напряжение с помощью команды digitalWrite.
Через 10 микросекунд на пине устанавливается низкое напряжение, что запускает процесс измерения расстояния. С помощью команды pulseIn к нам возвращается длинна сигнала в виде микросекунд. Полученный результат сохраняется в переменную duration, далее переменная используется в формуле преобразования времени в расстояние.
Так мы получаем расстояние от потолка до головы человека. Взяв среднее расстояние от плеча до макушки человека которое равно 4/21 среднего роста человека по России и получив результат 31 сантиметр, мы используем полученное число в формуле расчета количества шагов двигателя.
Проект автоматического регулировщика высоты ремня нацелен на увеличение удобства и безопасности водителя и пассажиров
Принцип работы заключается в получении данных от датчика расстояния, обработки этой информации и установки уровня ремня безопасности в оптимальном положении
В начале работы, двигатель опускается до нулевого состояния, где останавливается ограничителем. Затем у него есть два варианта дальнейшей работы: Автокалибровка и Ручная калибровка. При выборе автокалибровки включается датчик расстояния.
При нажатии кнопки ручной регулировки ремня безопасности подается сигнал на шаговый двигатель, который начинает двигать ремень вниз или вверх в зависимости от кнопки. В случае если ремень достигает максимального или минимального положения шаговый двигатель останавливают ограничители, на которых расположены кнопки при активации которых посылается сигнал прекращающий работу шагового двигателя.
Перспективы
Перспективы дальнейшего развития:
Автоматический регулировщик высоты ремня безопасности является одним из устройств системы автоматической настройки эргономики автомобиля под разных людей.