Радиолокационное устройство предупреждения аварийных ситуаций при движении по трассе (стр. 2 из 7)
Однако, следует заметить следующие особенности. Первое: все эти устройства устанавливаются или планируют устанавливаться на дорогих моделях. Второе: все они непосредственно обращаются к двигателю через системы подачи топлива или к тормозным системам, минуя водителя. Безусловно, это оправданно, удобно и эффективно, однако, следует заметить, что в России до сих пор выпускается большое количество автомобилей, не использующих электронную систему впрыска топлива, то есть карбюраторные двигатели. Таким образом, перечисленные выше системы для таких автомобилей не подходят. И третье: в свободной продаже подобных средств нет, а экспериментальные приборы подобного рода очень дороги.
2 Формулирование технических требований
Для того, чтобы определиться с техническими характеристиками используемых элементов, необходимы некоторые знания о движении автомобиля. Рассмотрим некоторые теоретические вопросы.
· Полная остановка
Полезно подсчитать, какова же длина полного остановочного пути при разных скоростях движения, например, при 30, 60, 90 и 120 км/ч. Если принять среднее время реакции водителя равным 0,8 сек, а время срабатывания тормозного привода 0,2 сек. Тогда от момента возникновения замеченной шофером опасной ситуации до начала торможения проходит целая секунда. За это время автомобиль соответственно начальной скорости пройдет 8,3; 16,7; 25,0 и 33,4 м.
Если принять, что у легкового автомобиля при резком торможении среднее замедление составляет 5 м/сек2 (для этого надо иметь хорошие тормоза), то, добавляя к тормозному пути расстояние качения по инерции, определим, что машина сможет остановиться через 15, 45, 85 и 145 м.
Эти расстояния наименьшие, соответствующие идеальным условиям — хорошей дороге, отличному состоянию тормозов. Практически же идеальных условий не бывает. Особенно на больших скоростях, когда нагрев резко снижает эффективность тормозов. В таких случаях тормозной путь растет примерно вдвое, а тепло при торможении выделяется столь интенсивно, что если водитель даже захочет заблокировать колеса чуть позже начала торможения, это ему не удастся.
Вообще эксплуатационное снижение эффективности действия тормозов существует всегда и обуславливается множеством причин. Вкупе они учитываются коэффициентом К (для легковых машин его принимают 1,2 1,3).
Все предыдущие рассуждения относились к сухой дороге. На скользкой же практически тормозной путь следует считать вдвое большим.
· Дистанция безопасности
На каком расстоянии следует держаться от впереди идущей машины? На таком, чтобы можно было успеть остановиться, если она неожиданно затормозит. Это понятно. Очевидно и другое: чем больше, скорость, тем длиннее должна быть и дистанция. Передний начинает тормозить раньше, а задний — примерно через секунду (время реакции и время срабатывания тормозного привода). Тогда при 30 км/ч теоретическая дистанция безопасности должна быть минимально 8,3 м плюс 1 — 2 м запаса — нельзя же останавливаться буфер в буфер. Кроме того, водитель не может неотрывно следить за впереди идущей машиной. Поэтому разумно будет прибавить еще полсекунды (4—5 м пути при скорости 30 км/ч) на всякие неучтенные обстоятельства, из-за которых шофер не сразу заметит начало торможения передней машины.
Итак, 8,3 м за секунду движения плюс 1—2 м запас, плюс 4—5 м на неучтенные обстоятельства — в сумме 13,3—15,3 м или округленно 15 м. Эта цифра удобна еще и тем, что она как раз равна половине численной величины скорости, выраженной в километрах в час.
Такая рекомендация — держи дистанцию в метрах, равную половине скорости в километрах, удобна для запоминания и обеспечивает безопасность. Просто держаться подальше нельзя — чем больше дистанция между автомобилями, тем меньше пропускная способность дороги.
Итак, дистанция безопасности равна половине скорости. Однако это положение справедливо для однотипных машин с тормозами одинаковой эффективности. А если за «Москвичом-408» следует тяжелый грузовик, например МАЗ-500, у которого замедление меньше — всего 4,2 м/сек2? Кстати, у него еще и время срабатывания привода больше. Поэтому водитель грузовика, двигаясь за легковой машиной, должен увеличить «половинную» дистанцию. Ее должен увеличить и водитель однотипного вида транспорта, который в пути обнаружил, что его тормоза имеют пониженную эффективность.
Таким образом, для получения информации о находящимся впереди препятствии, необходимо применять устройство, способное определять скорость сближения и дистанцию до помехи. В качестве такого прибора можно использовать лазерные, ультразвуковые или радарные установки. Однако, лазерные приборы очень дороги и требовательны при эксплуатации, а точность и дальность их работы зависит от погодных условий. Так же практическая установка подобного устройства вызовет ряд проблем. Следует учесть, что на дороге постоянно есть какая-то грязь, которая будет забивать лазерный прибор, поэтому его установка возможна только в салоне, что тоже вызовет некоторые неудобства. Использование ультразвуковых приборов не возможно из-за небольшой дальность действия (в лучшем случае до 50 метров).
Таким образом, остановим наш выбор на радиолокационном приборе измерения скорости и дальности до помехи.
Также для анализа полученных от радара данных необходимо микропроцессорное устройство. Оно будет сравнивать значения с радара с критическими данными, и в случае их превышения подавать сигнал на звуковое устройство. Кроме того, в системе будут использованы элемент ввода, для выбора состояния дорожного покрытия и индикаторная панель для отображения дистанции до препятствия и подачи светового сигнала.
3 Составление структурной схемы
На основании рассмотренных выше требований можно составить структурную схему системы, блок-схему которой можно видеть на рисунке 1.
 |
Рисунок 1
4 Выбор элементной базы
4.1 Выбор радара
Радары, применяемые в аналогичных импортных приборах в основе своей используют эффект Доплера. Рассмотрим теорию этого явления.
Эффект Доплера – это зависимость частоты от скорости источника или наблюдателя. После того, как было доказано, что эффекту Доплера подвержены все волновые процессы, в том числе и свет, стал вопрос: нельзя ли с его помощью определить абсолютную скорость относительно эфира. Теория относительности однозначно ответила, что нет, поскольку нельзя отличить, кто движется – источник или наблюдатель, так как результат в обеих случаях получается одинаковым. Напишем эти формулы:
Наблюдатель движется к источнику:
f = f0(1+B)/U, B = v/c, U =
(1)От источника:
f = f0(1-B)/U (2)
В перпендикулярном направлении:
f = f0/U (3)
Источник движется к наблюдателю:
f = f0U/(1-B) (4)
От наблюдателя:
f = f0U/(1+B) (5)
В перпендикулярном направлении:
f = f0U (6)
Эйнштейн ввёл в традиционные формулы эффекта Доплера коэффициент замедления времени U. В результате, формулы для наблюдателя и источника стали идентичными.
Действительно, формулы 1 и 4, после раскрытия получаются одинаковыми.
Его теория предсказала наличие поперечного эффекта Доплера, который был вскоре обнаружен в эксперименте и существование которого в классическом варианте не могло быть.
У.И. Франкфурт и А.М. Френк в книге «Оптика движущихся тел» отразили только внешнюю сторону эффекта Доплера, показав идентичность формул 1 и 4, не затрагивая внутренних механизмов излучения и приёма. А ведь источник и наблюдатель могут меняться местами. Источника и наблюдателя следует рассматривать как отдельные инерциальные системы, внутри которых действуют свои законы.
Скорость света в физике определяется как произведение частоты на длину волны:
c = f (7)
Естественно, эта формула должна действовать во всех ИСО. Реализация этой формулы является одним из способов определения скорости света, так как позволяет определить её с большой точностью. Теория относительности утверждает, что скорость света во всех ИСО в пустоте одинакова и равна с, причём одинакова по всем направлениям. Следовательно, и, произведение частоты на длину волны во всех ИСО должно быть одинаковым. Посмотрим, как теория Эйнштейна справилась с этой задачей.
Здесь следует отметить два момента: первый – частота определяется длиной секунды, т.е. часами и их точность уже достигла 10-12сек; второй момент – длина волны, она определяется другой физической величиной – метром. Точность её измерения достигла 10-9. Международный стандарт метра утверждён как определённое количество длин волн определённого перехода определённого атома. Что из этого следует? Во-первых, длина волны и частота определённых переходов атомов во всех ИСО должны быть хотя бы численно одинаковы, согласно первому постулату. Во-вторых, если частота зависит от длительности секунды, то как это сказывается на длине волны и сказывается ли?
Источник и наблюдатель находятся каждый в своей инерциальной системе и могут меняться своими функциями: наблюдатель может посылать сигналы источнику и тамошний наблюдатель принимать их и наоборот. Рассмотрим эти моменты:
1. Рассмотрим движение наблюдателя, когда свет входит к нему с перпендикулярного направления. Длина линейки в этом направлении согласно теории у всех наблюдателей одинакова, скорость света по мнению наблюдателя, находящегося в ИСО покоящегося источника, в движущейся ИСО равна cU. По часам «неподвижного» наблюдателя свет входит в ИСО движущегося наблюдателя с частотой f0 и длиной волны 0. Скорость света, входящая в ИСО равна
f00 = c (8)
Частота при входе и в самой ИСО движущегося наблюдателя, как носитель энергии, не меняется. Меняется длина волны как 0U. Поэтому скорость света у него