Samochody autonomiczne stają się na naszych oczach rzeczywistością. Z technicznego punktu widzenia nie ma już w zasadzie przeszkód do ich produkcji seryjnej i wprowadzenia na rynek.

Stało się tak, dzięki zintegrowaniu poszczególnych układów wspomagania kierowcy w jeden spójny, centralnie sterowany system, charakteryzujący się redundancją. Przyjrzyjmy się, czym jest redundancja w samochodach i dlaczego nie ma bez niej zautomatyzowanych jazd.

Redundancją lub inaczej nadmiarowością przyjęło się określać takie podwojenie elementów kluczowych dla bezpieczeństwa układu, aby w razie awarii jednego z nich element rezerwowy natychmiast przejął jego rolę. Redundancja może być:

• strukturalna – polega na dublowaniu niektórych układów;
• funkcjonalna – polega na przystosowaniu niektórych elementów układu do pełnienia określonych dodatkowych funkcji w razie uszkodzenia innych elementów.

Przykładem redundancji strukturalnej jest dwuobwodowy układ hamulcowy w samochodach, natomiast funkcjonalnej – czujnik położenia wałka rozrządu, który awaryjnie może zastąpić działanie czujnika położenia wału korbowego.

Dlaczego redundancja jest potrzebna?

Wysoce zautomatyzowane pojazdy poziomu 3 (wg klasyfikacji SAE, patrz opis w ramce) zaczynają już się pojawiać na rynku. W przypadku tych pojazdów kierowca jest, co prawda, nadal potrzebny, ale w określonych warunkach drogowych funkcje związane z bezpieczeństwem mogą zostać całkowicie przeniesione na pojazd. Kierowcy będą potrzebowali pewnego czasu, aby zdać sobie sprawę, że ich interwencja jest konieczna. Redundancja zapewni, że w tym czasie wszystkie funkcje istotne z punktu widzenia bezpieczeństwa pozostają aktywne, nawet w rzadkich przypadkach wystąpienia awarii systemu. W pojazdach poziomu 4 i 5 wg SAE redundancja staje się jeszcze ważniejsza, ponieważ działają one jeszcze bardziej niezależnie od kierowcy i w razie potrzeby jego interwencja jest w większym stopniu opóźniona. W celu realizacji zautomatyzowanych jazd w ruchu, który ma być pozbawiony wypadków, absolutnie konieczne jest zastosowanie redundancji w systemach o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa – takich jak układ hamulcowy i układ kierowniczy.

Redundantny układ hamulcowy

Rozwiązanie firmy Bosch w zakresie redundantnego układu hamulcowego jest kombinacją elektromechanicznego urządzenia wspomagania hamulców iBooster oraz elektronicznego układu stabilizacji toru jazdy ESP. W rzadkim przypadku awarii jednego z obu zespołów drugi może przejąć funkcję hamowania pojazdu bez angażowania kierowcy. Zarówno iBooster, jak i ESP mogą tak regulować ciśnienie w układzie hamulcowym, aby nie doszło do zablokowania kół i można było kierować pojazdem także w trakcie hamowania.

Redundantny układ hamulcowy firmy Bosch przystosowany do zautomatyzowanej jazdy został nominowany w roku 2018 do nagrody PACE Awards (Premier Automotive Suppliers’ Contribution to Excellence) czasopisma „Automotive News”, która jest uznawana na całym świecie za prestiżowy punkt odniesienia dla innowacji w branży motoryzacyjnej. Firma Bosch została również uhonorowana nagrodą eMove360° w kategorii Automated Driving za redundantne rozwiązanie dla układu hamulcowego.

Redundantny układ kierowniczy

Układ kierowniczy z elektrycznym wspomaganiem (EPS) firmy Bosch z funkcją typu fail-operational umożliwia kierowcy lub autopilotowi w incydentalnym przypadku wystąpienia awarii bezpieczne manewrowanie samochodem, co jest kluczowym wymogiem na drodze do w pełni zautomatyzowanej jazdy.

System z funkcją fail-operational pozwala na samodzielny powrót do stanu minimalnego ryzyka (stanu bezpiecznego) dzięki uruchomieniu około 50-procentowego wspomagania elektrycznego układu kierowniczego za pomocą rozwiązania awaryjnego. Redundancja jest tutaj realizowana za pomocą drugiego siłownika (rys.), który może przejąć kontrolę, jeśli wystąpi usterka w pierwszym siłowniku. System jest w stanie wykryć awarię układu kierowniczego i przejść do awaryjnego wspomagania elektrycznego tak, że kierowca może bezpiecznie manewrować bez potrzeby nagłego przykładania większej siły do koła kierownicy.

Redundancja w innych systemach

Redundancja dla pojazdów autonomicznych wykracza poza samo hamowanie i kierowanie. Jest kilka innych ważnych systemów w samochodach, które również wymagają specjalnych rozwiązań rezerwowych. Obejmuje to takie systemy jak na przykład lokalizowanie położenia i planowanie trasy, wyświetlanie informacji i wskaźników oraz – co jest nie mniej ważne – inteligentną, dobrze zaprojektowaną architekturę E/E (Electric/Electronic), umożliwiającą realizację tych funkcji.

Aby zautomatyzowane prowadzenie samochodu stało się rzeczywistością, potrzeba głębokiego zrozumienia współzależności wszystkich systemów pojazdu.

Autor: Krzysztof Trzeciak, zdjęcia i rysunki: Bosch, Nissan, Aude.
Bosch Autospec Nr 01/2019