ارائه روشی جدید جهت پردازش سیگنالهای سنسورهای بیسیم در ECU خودروها

مجله فناوری اطلاعات در طراحی مهندسی

مقاله 1، دوره 6، بهار و تابستان 1392 - شماره پیاپی 61، شهریور 1393، صفحه 26-38   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

چکیده

چکیده: امروزه خودروها یکی از بزرگترین بخشهایی هستند که در آنها از سنسور استفاده می شود، به طـوری که سنسورها نقش بسیار مهمـ ی در سیسـتم هـای الکترونیکـی خودرو هـا بـر عهـده دارنـد . عملکـرد بهینـه خودروهای امروزی تا حد زیادی به نوع، تعداد و عملکرد سنسورهای مختلف مورد استفاده در آنها بستگی دارد. سیگنالهای ارسالی از این سنسورها به واحد کنترل الکترونیکی (ECU ، (باید توسط این واحد پردازش شده و پاسخ های مناسب به عمل کننده ها داده شود. در این مقاله، یک الگوریتم جدید جهـت دسـته بنـدی و پردازش سیگنال های ارسالی از این سنسورها در ECU ارائه گردیده که می تواند به میزان زیـادی سـرعت پردازش را افزایش دهد. به منظور تایید عملی الگوریتم ارائه شده، از ECU خودروی پراید مدل صـبا جهـت استفاده الگوریتم و مقایسه نتایج به دست آمده در این حالت با وضعیت قبلی استفاده شده است.نتایج بدست آمده، سرعت پردازش بیشتری را با استفاده از الگوریتم ارائه شده نشان می دهد

کلیدواژه‌ها

سنسورها؛ CWAT؛ ECU؛ الگوریتم

اصل مقاله

1 -مقدمه : سنســـورها از لحـــاظ تجـــاری از طریـــق ســــازندگانی از قبیــــل Sinsoria و Crossbow Technology قابل دسترسی مـی باشـند . در بهـار 2002 ،آزمایشـگاه تحقیقـاتی اینتـل در برکلـی بـ ا دانشکده آتلانتیک و دانشگاه کالیفرنیا شبکه ای را در جزیره گریت داک توسعه دادند. این سنسورها وضــیعت آب و هــوایی را در داخــل و اطــراف پناهگــاههــا نمــایش داده و بطــور متنــاوب دمــا ، رطوبت، فشار هوا به ایستگاه اصلی کـامپیوتر در جزیره گزارش مـی دادنـد . در جـولای 2004 یـک شبکه سنسور بی سیم کوچـک از سـه گـره روی آتشفشان تـا نگـورا بـه عنـوان یـک نشـانه کلـی ، گسترش داده شد. این گره ها بـه میکـروفن هـایی مجهز شدند تـا بتواننـد داده هـای مـا فوق صـوتی ممتد را از فوران آتشفشان مذکور بدست آورنـد . کاربردهای شبکه سنسور می توانـد بـه صـورت سـه طبقـه بـر اسـاس تحویـل داده هـا و الگـوی ارتباطی بـین سنسـوره ا و ایسـتگاه اصـلی طبقـه بنــدی شــوند. در ایــن زمینــه چنــدین الگــو ریتم خوشهای در این سـال هـای اخیـر پیشـنهاد شـده است. اغلب این الگوریتمها ذهنی هستند و منظـور از آنها به حداقل رساندن تعداد خوشـه هـا بـوده است. برخی از الگوریتمها، سنسورها را در داخل خوشهها سازماندهی میکنند، این در زمانی است که به حداقل رساندن مصرف انـرژی بـرای جمـع آوری اطلاعــات و ارتبــاط اطلاعــات در ایســتگاه اصلی (مبداء) مورد نیاز اسـت . شـاید اولـی تـرین روشهای خوشهای شدن الگوریتم ذهنی مبتنی بر شناساگر است که الگوریتم خوشهای پیوند شده نام دارد. چنانچه حسـگر بـالاترین تعـداد شناسـایی در میان تمام حسـگر بـین یـک جهـش از مجاورهـا یـا همسایههای آنها باشد انتخاب حسـگر مـی توانـد در ایـــن حالـــت سرشـــاخه یـــا سرخوشـــه باشـــد . الگوریتمهای ذهنی با محوریت اتصـال ، حسـگرهای دارای حداکثر تعداد همسـایه هـای یـک جهشـ ی (بـه عبارت دیگر بالاترین درجه) که میتوانـد سرشـاخه باشد را انتخاب مـی کنـد . الگـو ریتمهـای خوشـه ای شونده موزن شده، تعداد همسایه ها، قـدرت انتقـال، قابلیــت حرکــت و اســتفاده بــاطری را در انتخــاب خوشه ها اعمال میکند. این مورد، تعداد حسگرها را در یک شاخه محدود میکند، طوری که سرخوشهها میتوانند بدون کم شـدن عملکـرد آنهـا بـار را اداره کنند. این روشهای خوشه ای شدن متکـی بـه عمـل کردن سرساعتی همزمان برای مبادله اطلاعات بـین حسگرهـا اسـت و بـه طورنمونـه، ایـن الگـو ریتمهـا نسبت به شبکههای کوچکتر محدود میگردند [1.[ امروزه خودروها یکی از بزرگترین بخـش هـایی هستند که در آنها از سنسور استفاده مـی شـود، بـه طوری که سنسورها نقش بسیار مهمـ ی در سیسـتم های الکترونیکی خودروها بر عهـده دارنـد . عملکـرد بهینه خودروهای امروزی تـا حـد زیـادی بـه نـوع، تعداد و عملکرد سنسور های مختلف مورد اسـتفاده در آنها بستگی دارد. سـیگنال هـای ارسـالی از ایـن 1 سنسور هـا بـه واحـد کنتـرل الکترونیکـی ،(ECU) باید توسط این واحد پردازش شده و پاسخ هـای 1. ECU: Electronic control unit خودروها ECU سیم در های سنسورهای بی ارائه روشی جدید جهت پردازش سیگنال 27 مناسب به عمل کننده ها داده شود. از آنجایی کـه هــر روز بــه تعــداد و نــوع سنســورهای مــورد استفاده در خودروها افزوده می شـود، بنـابراین الگوریتم های جدید تری نیز باید جهـت پـردازش سریع تـر و دقیـق تـر ایـن سـیگ نال هـا در واحـد کنترل الکترونیکی، بـه کـار گرفتـه شـود . در ایـن مقالـه، ضـمن معرفـی انـواع سنسـورهای مـورد اسـتفاده در خودروهـا ، یـک الگـوریتم جدیـد نیـز جهت دسته بندی و پردازش سیگنال های ارسالی از این سنسورها در واحد کنترل الکترونیکی ارائه گردیده که مـی توانـد بـه میـزان زیـادی سـرعت پردازش را افزایش دهـد . بـه منظـور تا ییـ د عملـی الگوریتم ارائه شده، از ECU خودروی پراید مـدل صبا جهت استفاده الگوریتم و مقایسـه نتـایج بـه دست آمده در این حالت با وضعیت قبلی استفاده شده است. 2 -انـواع سنسـور هـای مـورد اسـتفاده در خودرو ها 2-1 -سنسور های فشار امروزه سنسورهای فشار به طور گسـترده ای در خودروهــا مــورد اســتفاده قــرار مــی گیرنــد. تاریخچه سنسورهای فشار به سال 1979 ،بـرای اندازه گیـری فشـار مطلـق منیفو لـد جهـت کنتـرل احتراق در موتور برمی گـردد . ولـ ی کاربردهـای دیگری نیز برای نواحی فشار بالا مانند تشـخیص فشار سیستم تعلیق و فشار مـایع مبـرد سیسـتم تهویه خـودرو پیـدا کـرد . بعـد از مصـرفی OBD (اسـتاندارد عیـب یـابی board-on (کـاربرد ایـن سنسور ها به نـواحی کـم فشـار نظیـر تشـخیص نشتی بخار بنزین نیز گسترش پیدا کـرد . امـروز ه سنسورهای فشار در نواحی با فشار بسیار زیـاد نظیر سیستم های سوخترسانی بنزینی و دیزلـی ریل مشترک نیز کاربرد زیادی پیدا کرده اند[4 .[ 2-2 -سنسور های فشار بالا در خودروهای جدید لازم است که فشـارهای زیاد در محدود 100 تا 2000 بار نیز اندازهگیری شود که این کار به خاطر مقررات جدید مربوط به ایمنی خودروها و تولید آلایندگی آنها می باشد و لزوم استفاده از سنسور های فشار بـالا بـ ا دقـت قابل قبول، طول عمر زیـاد و هزینـه پـایین را بـ ه وجود آورده است. این نوع سنسـور ها در مـوارد زیر به کار می روند[2 :[ 1 -ترمز های الکتروهیدرولیکی (EHB( 2 -برنامه پایداری الکترونیکی (ESP( 3 -تزریق مستقیم بنزین 4 -تزریق مستقیم سوخت گازوئیل 2-3 -سنسور های دما کـــاربرد سنســـورهای دمـــا در خودروهـــا ، تاریخچه ای طولانی دارد. کنترل دمای موتـور بـا استفاده از سنسور دما، یکی از اولین کاربردهـای سنسور در خـودرو بـوده اسـت در خودروهـای مدرن امروزی، دما یکی از مهمترین پارامترهـای فیزیکــی اســت کــه انــدازه گیــری مــی شــود و کاربردهـای آن عبـارتانـد از مـدیریت و کنتــرل پارامترهای موتور، اندازه گیری دمای سیال مبرد بازگشتی جهت کنترل سـرعت فـن، کنتـرل دمـای روغـن گیــربکس، انــدازه گیــری دمــای ســو خت، ی ـ مهندس در طراحـی ات ـ اوری اطلاع ـ ه فن ـ مجل 28 اندازهگیری دمای هوای ورودی، اندازه گیری دمـای هوای محیط، اندازه گیری دمـای قسـم ت مسـافران، اندازه گیری دمـای گاز هـای خروجـی قبـل و بعـداز کاتالیزور و اندازه گیری دمای هوای فشرده بعـد از توربو شارژ یا سوپر شارژر. به طور کلی سنسـور های دما، برای عیب یابی، کنترل عملکـرد خـودرو و تهیــه اطلاعــات مــورد نیــاز سیســ تم هــای کنتــرل آلاینـدگی و تجهیـزات متـداول بـه کـار مـی رونـد . امــروزه در یــک خــودروی مــدرن، بــین 5 تــا 10 سنسور دما مورداستفاده قرار میگیرد [3 .[ 2-4 -سنسور های دبی جریان برای کنتـرل مصـرف سـوخت و نیـز آلاینـدگی خودروهـا، سیســتم هــای تزریـق ســوخت مــدرن، نیازمنــد انــدازه گیــری دقیــق جــرم هــوای ورودی میباشـند . بـرای انـدازه گیـری دبـی جرمـی هـ وای ورودی از دو روش مستقیم و غیرمستقیم میتـوان استفاده کرد. در روش غیر مسـتقیم ، چگـال ی هـوای بالا دسـت سـوپاپ هـای ورودی ، از طریـق انـدازه گیری فشار و دما و دبی حجمی هـوا نیـز از طریـق اندازه گیری دور موتور و کـورس پ یسـتون، تعیـین می شوند. به این ترتیب مـی تـوان رانـدمان حجمـی موتــور را نیــز بــه دســت آورد . روش غیرمســتقیم معایبی از قبیل adulteration ناشـی از بـاز چـرخش گازهای خروجی و تغییرات راندمان حجمی دارد که روش مستقیم فاقد آنها میباشد. 2-5 -سنسورهای زاویه میل لنگ و بادامک سنسور زاویه بادامـک، اطلاعـات مـورد نیـاز برای تعیین شماره سیلندر نسبت به میل بادامـک را فراهم کرده و سنسور زاویه میل لنگ نیز برای تعیین دور موتور و موقعیت پیسـتون نسـبت بـه میل لنگ مورد استفاده قرار می گیرد[4 .[ 2-6 -سنسورهای زاویه فرمان سنســـور هـــای زاویـــه فرمـــان (SAS ،(در سیستمهـای ESP بـه کـار مـی رونـد، زیـرا ایـن سیستم هـا بـرای اطـلاع از بـیش فرمـانی یـا کـم فرمانی خودرو نیاز به اطلاعات مربوط به زاویـه فرمان، سرعت چرخ ها و شـتاب جـانبی خـودرو دارد تا بتواند با اعمال نیروی ترمز جداگانه روی چرخ هـا، خـودرو را بـه وضـعیت اول برگردانـد . امروزه SAS در بسیاری از خودروهای سـواری و کامیون ها به عنوان بخشی از سیستم های زیر مورد استفاده قرار می گیرند[3و4 : [ 1 -ESP) برنامه پایداری الکترونیکی) 2 -EPS) کنترل برقی) 3 -ABC) کنترل فعال بدنه) 4 -BCD) میرایی در کنترل بدنه) 5 -ACC) کروز کنترل تطبیقی) 6 -سیستم های ناوبری 7 -چراغ جلو هوشمند 8 -AFS) فرمان پذیری فعال جلو و عقب) 2-7 -سنسورهای نیرو و گشتاور سنســور هــای نیــرو تنهــا در ماشــین هــای کشاورزی برای اندازه گیـری بـار وا رد بـر میلـه اتصال و نیز در خودروهای تحت آزمایش بـرای توسعه سیستم ها و یا تایید نتایج شـبیه سـازی، مــورد اســتفاده قــرار مــی گیرنــد . سنســورهای خودروها ECU سیم در های سنسورهای بی ارائه روشی جدید جهت پردازش سیگنال 29 گشتاور نیز در سیستم های فرمان برقی کـاربرد دارند[6 .[ 2-8 -سنسور اکسیژن از این سنسور برای اندازه گیری نسبت هوا به سوخت و کنترل بهینه آن و نیز تصفیه کامل گـاز های خروجی توسط مبـدل کاتـالیزوری اسـتفاده می شود. 2-9 -سنسور های شیمیایی غیر از سنسور اکسیژن که در بالا دست مبدل کاتالیزوری قرار داشته و برای کنترل نسبت هـوا به سوخت استفاده می شود، سنسور دیگری نیـز در پایین دست مبـدل کاتـالیزوری قـرار گرفتـه و عملکرد آن را بررسی می کند[5 .[ 2-10 -سنسور فشار باد تایر این سنسور وظایف زیر را بر عهده دارد[6 : [ 1 -تشخیص وضعیت چرخ ها 2 -بررسی فشار باد تایر 3 -نشان دادن فشار باد تایر به راننـده موقـع شروع حرکت خودرو 4 -هشدار در موقع کم شدن باد تایر 5 -عیب یابی سیستم 3 -الگوریتمخوشهبندی از طریقتایمرتاخیر خوشه بندی سنسـورها امکـان خـود تنظیمـی آنهــا را فــراهم مــی ســازد و چــون هــر خوشــه اطلاعات خود را با سـر خوشـه مبادلـه مـی کنـد، ترافیک شبکه کمتر شده و سـرعت انتقـال بیشـتر می شود. همچنین خوشه بندی بر اساس مقیـاس مقدار انرژی باقی مانده نسبت به همسـایه هـا بـه طور متناوب انتخاب می شود تا مصـرف انـرژی بهینه شده و هزینه ارتباطی به حداقل برسد. این بخش یک الگوریتم توزیع شده تصادفی را تشریح میکند که خوشهها را به صورت خودکار در یک شبکه ادهاک شکل میدهـد . در اینجـا هـیچ گونه ایستگاه مبداء برای فعالیتهای همـاهنگی یـا نظارتی در بین حسگرها وجود نـدارد . از ایـن رو حسـگرها مـیبایسـتی تمـام تصـمیمات را بـدون ارجاع به یک کنترل کننده متمرکز، انجام دهند. هر کـدام از پخـش کننـده حسـگرهای فعـال حضـور خودشــان را از طریــق ســیگنال «ســلام» (Hello( اعلان میکنند و به «سلام» همسایگان خود گـوش میدهند. حسگرهایی که اغلب صداهای همسایهها را می شنوند، کاندیدای خوبی برای آغـاز کـردن خوشه جدید هسـتند و آنهـا یی کـه از همسـایگان صـداهای کمـی مـی شـنوند مـی بایسـتی فرصـت تاخیر را داشته باشند. حسـگرها از طریـق تنظـیم کــردن تایمرهــای تــاخیر تصــادفی خودشــان میتوانند در داخل خوشههـای حسـاس همکـاری کنند، طوری که بعـداً بتـوان بـه عنـوان متقاضـی بـرای ارتبــاط بیشــتر و پـردازش دادههــا مــورد استفاده قرار بگیرند. بعد از به کار گیری هر کدام از حسگرها یک تـایمر تـأ خیر تصـادفی را تنظـیم میکنند چنانچه زمان تـایمر سـپری شـد در ایـن صورت خود حسگر اعـلان مـی کنـد کـه یـک سـر خوشـه و یـک نقطــه کـانونی یــک خوشـه جدیــد میگردد. فرض را بر این بگذارید که ارزش اولیـه ( 0 ( زمـان تـاخیر یـک حسـگر برابـر بـا i i و DT ی ـ مهندس در طراحـی ات ـ اوری اطلاع ـ ه فن ـ مجل 30 باشد. این مورد یک نمونه از توزیع (1,0(u..c است که این درحالی است α,c ارقام مثبت می باشـند و (1,0(U یــک توزیــع یکنواخــت اســت . در مرحلــه خوشهای شدن شبکه، هر حسـگر پیغـام «سـلام » پخش میکند که در یک زمان رندم است. این امر ایـن امکـان را بـه هـر حسـگر مـی دهـد تـا تعـداد همسایههایی که وجود دارند را مورد برآورد قرار دهد. حسگرها اطلاعات همسـایه خودشـان را بـه روز میکنند (بـه عبـارت دیگـر ایـن طـور کنتـرل میکنند که چـه تعـدادی از همسـایه هـا را حسـگر مورد شناسایی قرار داده است) و بر اسـاس هـر پیغام "سلام" جدیـد دریافـت شـده زمـان تـاخیر تصادفی را کاهش میدهند. ایـن امـر حسـگرها را تشویق میکند تا با خیلی از همسایه ها سرخوشه بشوند. فرمول برای به روز کـردن زمـان تـأ خیر تصادفی حسگر i به شکل زیر است[8 و9 : [ k i k DT DT k . 1    (1) DTi k این در صورتی است که زمـان تـاخیر حسگر i در گام زمان k و 1<ß

مراجع

1. C.Y.WEN, “Distributed Algorithms For Localization And Management in Wireless Ad-Hoc sensor networks”, 2005 2. “EPCOS AG, NTC Thermostats”, data book, 2002 3. Bauer, H. (ed.) “Automotive Handbook”, 4th edn, Bosch, Stuttgart, 1996 4. K. Mohri, T. Uchiyama, L.V. Panina, “Sensors and Actuators” 1997 5. G. Lechner, H. Nauheimer, Fahrzeugantriebe, Springer, Berlin, 1994 6. Bosch, Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 24th edn., Vieweg, Wiesbaden 2002 7. Bosch, Gasoline-Engine Management, 1st edn., “SAE Society of Automotive Engineers and Robert Bosch GmbH”, Stuttgart, 1999 8. N. Kato, H. Kurachi, Y. Hamada, SAE Technical Paper 980170 9. F. Herrmann, B. Jakoby, J. Rabe, S. Büttgenbach, in Sensors Update, Vol. 9, (Baltes, Hesse, Korvink, eds.), VCH, Weinheim 2001 10. B. Jakoby, M. Scherer, M. Buskies, H. Eisenschmid, in Proc. IEEE Sensors 2002, Orlando, FL, June, 2002 ی ـ مهندس در طراحـی ات ـ اوری اطلاع ـ ه فن ـ مجل 38 11. Sidhu, S. K. Packaging, “Very High Pressure Transducers from Common Rail Diesel injection Systems”, SAE Technical 12. L. Tomasi, G. Kroetz, E. Wieser, W. Suedkamp, P. Thiele, E. Obermerier, “Advanced icrosystems for Automotive Applications Yearbook 2005”, Springer, 2005 13. S. Basagni, “Distributed Clustering For Ad Hoc Networks,” in Proceedings of International Symposium on Parallel Architectures, Algorithms and Networks pp. 310-315, June 2008. 14. M. Chatterjee, S. K. Das, and D. Turgut, “WCA: A Weighted Clustering Algorithm For Mobile Ad hoc Networks,” Journal of Cluster Computing, Special issue on Mobile Ad hoc Networking, No. 5, pp. 193-204, 2009. 15. B. Das and V. Bharghavan, “Routing in Ad-Hoc Networks Using Minimum Connected Dominating Sets,” in Proceedings of ICC, 2007. 16. A. K. Parekh, ‘Selecting Routers in Ad-Hoc Wireless Networks,” in Proceedings of ITS, 2004. 17. M.J. Handy, M. Haase, D. Timmermann, “Low energy adaptive clustering hierarchy with deterministic cluster-head selection,” 4th International Workshop on Mobile and Wireless Communications Network, pp. 9-11, Sept. 2006 18. C.F. Chiasserini, I. Chlamtac, P. Monti and A. Nucci, “Energy Efficient design of Wireless Ad Hoc Networks,” in Proceedings of European Wireless, February 2005.