Bez kierownicy i pedałów łatwiej

W samochodzie, wywodzącym się w zasadzie z powozu, w którym konie zastąpił silnik spalinowy, stopniowo zmieniły się właściwie wszystkie podzespoły. Największą ewolucję przeszły: nadwozie, silnik, układ przeniesienia napędu, zawieszenie i hamulce. Nie zmieniło się tylko to, że samochód ma zazwyczaj 4 koła i układ kierowniczy, który (poza wprowadzeniem wspomagania) działa prawie tak samo jak na początku stulecia.

W samochodzie, wywodzącym się w zasadzie z powozu, w którym konie zastąpił silnik spalinowy, stopniowo zmieniły się właściwie wszystkie podzespoły. Największą ewolucję przeszły: nadwozie, silnik, układ przeniesienia napędu, zawieszenie i hamulce. Nie zmieniło się tylko to, że samochód ma zazwyczaj 4 koła i układ kierowniczy, który (poza wprowadzeniem wspomagania) działa prawie tak samo jak na początku stulecia.

Joystick zamiast kierownicy

Joystick zamiast kierownicy

Nadal kierowca ma przed sobą koło kierownicy, które za pośrednictwem mechanicznej przekładni porusza zwrotnicami, a te z kolei powodują, że przednie koła skręcają. To mechaniczne "połączenie" z kołami zapewnia kierowcy wyczucie drogi i umożliwia zachowanie kontroli nad skręcaniem nawet w wypadku awarii wspomagania (chociaż wtedy trzeba sporej siły).

Podobnie było jeszcze do połowy lat siedemdziesiątych w samolotach, w których mimo najnowocześniejszej technologii pilot zawsze bezpośrednio mechanicznie sterował statecznikami i lotkami. Zaczęło się to zmieniać, gdy w połowie lat siedemdziesiątych wprowadzono w samolotach bojowych system "fly by wire", w którym rolę mechanicznych połączeń przejęły komputerowo sterowane siłowniki, a pilot zamiast drążka sterowniczego otrzymał ulokowaną z boku kabiny dźwignię podobną do komputerowego joysticka. Obecnie takie systemy stosowane są również w samolotach komunikacyjnych.

W miarę jak sprzęt komputerowy stawał się tańszy, zaczęto elementy elektronicznego sterowania wprowadzać także do samochodów. Obecnie pojawiła się perspektywa skonstruowania samochodu wyposażonego w system "drive by wire".

Spójrzmy na współczesnego kierowcę. Podczas prowadzenia pojazdu ma zajęte obie ręce i nogi; musi obsługiwać sprzęgło, skrzynię biegów, gaz i hamulec, włączać kierunkowskazy i wycieraczki. Elektronika jest w stanie znacznie uprościć jego obowiązki - w eksperymentalnej wersji mercedesa SL większość tych funkcji połączono w specjalnym joysticku, a dokładniej w dwóch joystickach, z których jeden umieszczony jest na konsoli centralnej zamiast dźwigni zmiany biegów, a drugi na drzwiach. Oba pełnią te same funkcje i można ich używać zamiennie.

Układy elektroniczne sterowania joystickiem

Układy elektroniczne sterowania joystickiem

Joystick zastępuje kierownicę, pedał gazu i hamulec. Skrzynia biegów jest automatyczna. Na joysticku umieszczono też włączniki kierunkowskazów i sygnału dźwiękowego. Aby skręcić, należy pochylić drążek w prawo lub w lewo. Wywierając na drążek nacisk do przodu, przyspiesza się, a ciągnąc go ku sobie - hamuje. W odróżnieniu od komputerowego joysticka samochodowy drążek daje się przechylać tylko na boki, o 20 stopni w każdą stronę. Nacisk do przodu lub do tyłu nie powoduje przemieszczenia drążka (chociaż kierowcy wydaje się, że nieco go przesuwa), tylko jest przekazywany przez sensory rejestrujące siłę, z jaką chcemy przyspieszać lub hamować. Drążek jest dodatkowo sprzężony z niewielkim, sterowanym przez komputer silnikiem elektrycznym, który wytwarza opór imitujący siły odczuwane przez kierowcę, gdy koła samochodu znajdują się na różnych nawierzchniach i pokonują przeszkody. Na lodzie siła potrzebna do poruszenia joystickiem będzie niewielka, a przy wjeżdżaniu na krawężnik pojawi się spory opór.

Sercem całego systemu jest, oczywiście, komputer połączony z wieloma czujnikami, dostarczającymi informacji o pracy silnika i skrzyni biegów, o prędkości obrotowej każdego z kół, o kącie skrętu przednich kół, o siłach oddziałujących na samochód (przyspieszanie, hamowanie, siła odśrodkowa).

Czujnik bezwładności pozwala też określić, że samochód obraca się wokół swojej osi (w skręcie lub w poślizgu). Wszystkie te dane porównywane są z wzorcami zapisanymi w pamięci i matematycznym modelem dynamiki samochodu. Na tej podstawie komputer rozpoznaje sytuację pojazdu w stosunku do drogi Đ z jaką prędkością się porusza, czy jedzie prosto, czy skręca, jaka jest przyczepność każdego z kół do nawierzchni. Z joysticka przekazywane są sygnały od kierowcy: polecenia skrętu, przyspieszenia lub hamowania.

Schemat systemu "drive by wire"

Schemat systemu "drive by wire"

Uwzględniając uzyskaną wcześniej informację, komputer wysyła z kolei sygnały sterujące siłownikami, które powodują skręcanie przednich kół, steruje pracą silnika i skrzyni biegów oraz hamulców. Dba przy tym, by nie przekroczyć wartości granicznych, co wywołałyby np. boczny poślizg lub zablokowanie któregoś z kół. Możliwe jest nawet wyeliminowanie niektórych błędów kierowcy, np. maksymalne wychylenie drążka na bok przy dużej prędkości spowoduje wykonanie takiego skrętu, który w danej sytuacji nie wywoła utraty przyczepności. Z kolei podczas jazdy z małą prędkością komputer automatycznie tak zacieśni promień skrętu, jakby samochód był wyposażony w układ kierowniczy o zmiennym przełożeniu. Podczas przyspieszania lub hamowania na nawierzchniach o małej przyczepności nie dopuści ani do buksowania kół, na które przekazywany jest napęd, ani do ich zablokowania.

Gdy kierowca zdejmie rękę z drążka, komputer automatycznie utrzyma stałą prędkość i prosty tor jazdy niezależnie od tego, czy droga prowadzi z góry, czy pod górę, a nawet wtedy, gdy boczny podmuch wiatru będzie próbował zepchnąć samochód z drogi. W takiej sytuacji komputer sam błyskawicznie rozpozna siłę oddziałującą na samochód i ustawi przednie koła tak, by ją skompensować.

Spójrz na zdjęcie. Przed kierowcą jest dużo wolnego miejsca, kierownica już nie zasłania deski rozdzielczej i nie grozi urazem w przypadku kolizji. Można wybrać wygodną i bezpieczną pozycję, a samochód spokojnie i pewnie prowadzić jedną ręką.

Czy mały drążek, odchylający się tylko o 20 stopni na boki, umożliwi precyzyjne sterowanie samochodem? Testowe jazdy prototypem oraz testy na komputerowym symulatorze jazdy w Berlinie dowiodły, że jest to możliwe.

Nawet sceptycznie nastawieni kierowcy po opanowaniu nowego systemu, co zajmowało im około 2 godzin, oceniali go bardzo wysoko.

Interesujące są wyniki testów na symulatorze, przeprowadzonych w dwóch grupach 17-latków jeszcze nie mających prawa jazdy. Jedna grupa uczyła się jeździć samochodem z konwencjonalną kierownicą i pedałami, druga - z joystickiem. Obie grupy opanowały sztukę prowadzenia samochodu w podobnym tempie. Na zakończenie sprawdzono reakcje młodych kierowców w niebezpiecznych sytuacjach, gdy trzeba było gwałtownie skręcić i hamować, by uniknąć kolizji. W grupie używającej kierownicy i pedałów aż 8 z 32 osób nie było w stanie uniknąć kolizji, reagując nieprawidłowo lub za wolno. W grupie używającej joysticka wszystkim udało się uniknąć wypadku.

Dowodzi to, że system "drive by wire" oferuje również nowy standard bezpieczeństwa. Przykładem może być nagłe hamowanie. Stopę trzeba przenieść z pedału gazu na hamulec, co zajmuje przeciętnie 0,2 sek. W tym czasie samochód jadący z prędkością 50 km/godz. przejeżdża 3 metry.

Wygląda to niezwykle, ale podobno tak jest łatwiej prowadzić

Wygląda to niezwykle, ale podobno tak jest łatwiej prowadzić

Następnie stopa musi przemieścić pedał hamulca o kilka centymetrów, co też zajmuje cenne ułamki sekundy. A jak hamuje ręka spoczywająca na joysticku? Nie trzeba jej nigdzie przenosić. Poza tym droga, jaką musi przebiec impuls nerwowy z mózgu do ręki, jest krótsza niż z mózgu do stopy. Joysticka nie trzeba przy hamowaniu przesunąć nawet o milimetr. Sensory natychmiast wyczują nacisk oraz jego siłę i komputer uruchomi hamulce. Na każdym z tych etapów oszczędzamy czas, co oznacza skrócenie drogi hamowania.

Podobnie jest przy nagłym skręcie. Układ kierowniczy samochodów osobowych ma przełożenie w granicach 1:16 do 1:20. Oznacza to, że niewielki skręt kołami wymaga sporego ruchu kierownicą. Inaczej być nie może, bo kierowca nie byłby w stanie panować nad samochodem przy dużych prędkościach. W wypadku stosowania joysticka reakcja jest o wiele szybsza, bo jego maksymalne wychylenie jest niewielkie. Na dodatek komputer automatycznie zadba, by skręt był najbardziej skuteczny, nie dopuszczając do uślizgu żadnego z kół.

Żeby oferować takie bezpieczeństwo, system sam musi być bezpieczny. W konstrukcjach lotniczych "fly by wire", np. w airbusach, niektóre elementy systemu mają aż siedmiokrotne zabezpieczenie gwarantujące niezawodność.

W samochodach byłoby to zbyt kosztowne, ale i tu większość elementów musi mieć co najmniej podwójne zabezpieczenie - w razie awarii jednego, drugi przejmuje jego funkcje. System musi też być odporny na awarie zasilania i w skrajnym przypadku zawsze umożliwić bezpieczne zatrzymanie samochodu.

Samochody z joystickiem zamiast kierownicy nieprędko zobaczymy na naszych ulicach. Ten przyszłościowy system będzie jeszcze długo udoskonalany i testowany. A nie wiadomo, czy nie dłużej potrwa zmiana przepisów, wymagających obecnie, by system kierowniczy samochodu zapewniał kierowcy bezpośrednie mechaniczne połączenie z kołami.


Zobacz również