سنسورهای خودرو چیست و اهمیت آنها در ماشین‌ها چیست؟

نحوه عملکرد سنسورهای خودرو: از ورودی فیزیکی به پاسخ هوشمند وسیله نقلیه

تبدیل داده‌های واقعی—دما، فشار، حرکت—به سیگنال‌های دیجیتال

سنسورهای خودرو کمی شبیه سیستم عصبی درون وسایل نقلیه عمل می‌کنند و به طور مداوم تغییرات فیزیکی مختلفی را که در زیر کاپوت اتفاق می‌افتد، تشخیص می‌دهند. آنها چیزهایی مانند دمای موتور، تغییرات در فشار هیدرولیک و حتی سرعت چرخش هر چرخ را بخاطر قطعات حسگر خاص داخل آنها شناسایی می‌کنند. سنسورهای مایع خنک‌کننده دارای ترمیستورها هستند که مقاومت الکتریکی خود را بر اساس اندازه‌گیری دما تغییر می‌دهند. در همین حال، سنسورهای ضربه حاوی کریستال‌های پیزوالکتریک هستند که هرگاه ارتعاشی ناشی از ناهمواری کار موتور وجود داشته باشد، ولتاژ تولید می‌کنند. تمام این سیگنال‌ها در ابتدا به صورت اطلاعات آنالوگ شروع می‌شوند. قبل از ارسال به مغز کامپیوتر خودرو، این سیگنال‌ها از فرآیندهای فیلتر کردن و شکل‌دهی عبور می‌کنند تا داده‌ها تمیز شده و به درستی مقیاس‌بندی شوند. پس از این پردازش، سیگنال‌ها به مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال می‌رسند و به کد دودویی تبدیل می‌شوند که واحد کنترل الکترونیکی (ECU) بتواند آن را درک کند. آنچه بعد از این اتفاق می‌افتد نیز بسیار مهم است. وقتی سنسورهای اکسیژن مشکلی در گازهای خروجی متوجه می‌شوند، سیستم می‌تواند در کسری از ثانیه تزریق سوخت را تنظیم کند. همین واکنش‌های سریع است که باعث می‌شود خودروهای امروزی در مقایسه با مدل‌های قدیمی تنها چند دهه پیش بسیار هوشمندتر به نظر برسند.

تغییر از کنتورهای آنالوگ به سنسورهای خودکار یکپارچه که نگهداری پیش‌بینانه و کنترل تطبیقی را ممکن می‌سازد

سنسورهای خودرویی که امروزه مشاهده می‌کنیم، نشان‌دهنده تحول بزرگی نسبت به کنتورهای مکانیکی قدیمی هستند که به طور مستقل کار می‌کردند. در گذشته که رانندگان تنها به دیال‌های ساده دمای آنالوگ برای اطلاعات متکی بودند، این دیال‌ها تنها نشانگرهای غیرفعال بودند که خواندن‌های پایه‌ای ارائه می‌دادند. امروزه سنسورهای مایع خنک‌کننده اطلاعات دیجیتالی را مستقیماً به واحد کنترل موتور (ECU) ارسال می‌کنند. ECU سپس این اطلاعات را با سیگنال‌های دریافتی از سایر قسمت‌های خودرو از جمله سنسورهای ضربه، سنسور موقعیت میل لنگ و دستگاه‌های اندازه‌گیری جرم جریان هوا مقایسه می‌کند. تمام این سیگنال‌های مختلف سنسور که به صورت همکاری عمل می‌کنند، چیزی را ایجاد می‌کنند که تعمیرکاران آن را ادغام سنسوری (sensor fusion) می‌نامند. و این ادغام کارهای شگفت‌انگیزی را برای عملکرد خودرو و ایمنی در سطح گسترده‌ای انجام می‌دهد.

• تشخیص پیشگویانه : الگوهای لرزش از سنسورهای سرعت چرخ، فرسودگی بلبرینگ را تا ۱۵٪ زودتر از روش‌های سنتی بازرسی تشخیص می‌دهند
• عملکرد تطبیقی : سنسور‌های موقعیت دمپاش و دبی جرمی هوا به‌طور مشترک نسبت هوا به سوخت را هنگام تغییر ارتفاع یا بار به‌روزرسانی می‌کنند
• خودبهینه‌سازی : سنسور‌های فشار و دمای روغن گیربکس در شرایط سرمای شدید به‌صورت همکاری منطق تغییر دنده و جبران ویسکوزیته را تنظیم می‌کنند

با تبدیل داده‌های خام فیزیکی به هوش متنو، این سیستم‌ها خرابی‌های مربوط به پیشرانه را ۲۲٪ کاهش می‌دهند و ویژگی‌های ایمنی فعال مانند کنترل کشش را فراهم می‌کنند—که بدون دخالت راننده در حین لغزش فشار ترمز را تنظیم می‌کند.

سنسور‌های خودرو به‌عنوان پایه سیستم‌های ایمنی وسیله نقلیه

وسیله‌های نقلیه مدرن به سنسور‌های خودرو وابسته‌اند تا به‌عنوان مکانیزم‌های حیاتی ایمنی، داده‌های زنده محیطی و دینامیکی را به اقدامات نجات‌بخش تبدیل کنند. این اجزا حرکت وسیله نقلیه، موقعیت سرنشینان و محیط اطراف را نظارت می‌کنند تا به‌طور فعال از تصادف‌ها پیشگیری کرده و شدت آسیب‌ها را کاهش دهند.

عملکرد‌های ایمنی حیاتی که توسط سنسور‌های خودرو تأمین می‌شوند: باز کردن کیسه هوا، سیستم ترمز ممانعت از قفل (ABS) و تشخیص نقطه کور

هنگامی که ماشین تصادف می‌کند، سنسورهای ضربه فعال شده و در عرض تنها ۲۰ تا ۳۰ میلی‌ثانیه ایربگ‌ها را باز می‌کنند. در همین حال، سنسورهای سرعت چرخ به‌طور مداوم اطلاعاتی را به سیستم ترمز ضدقفل (ABS) ارسال می‌کنند تا در صورت ترمز ناگهانی در شرایط اضطراری، چرخ‌ها قفل نشوند. برای نقاط کور، خودروها امروزه از امواج التراسونیک یا فناوری رادار استفاده می‌کنند تا وسایل نقلیه کناری که راننده نمی‌تواند ببیند، شناسایی شوند. مؤسسه بیمه‌ی ایمنی در بزرگراه‌ها دریافته که این فناوری واقعاً تصادفات ناشی از تغییر خط را حدود ۱۴٪ کاهش می‌دهد. در مجموع، این سیستم‌های هوشمند سنسوری جان‌ها را نیز نجات می‌دهند. تخمین زده می‌شود که آن‌ها سالانه بیش از ۲۰ هزار مرگ را جلوگیری می‌کنند، فقط به این دلیل که خطاهایی را که انسان‌ها در پشت فرمان اجتناب‌ناپذیراً مرتکب می‌شوند، جبران می‌کنند. در نهایت، اداره ملی ایمنی ترافیک در بزرگراه‌ها گزارش داده که انسان‌ها حدود ۹۴٪ از تمام تصادفات را باعث می‌شوند.

ادغام سنسورها در سیستم‌های کمک راننده پیشرفته (ADAS): چگونه سنسورهای راداری، دوربینی و التراسونیک خودرویی برای جلوگیری از برخورد با هم همکاری می‌کنند

سیستم‌های پیشرفته کمک راننده امروزی به وضوح نشان می‌دهند که چگونه سنسور‌های مختلف با یکدیگر همکاری می‌کنند. این سیستم‌ها اطلاعات حاصل از رادار، دوربین‌ها و سنسور‌های اولتراسونیک را ترکیب می‌کنند تا چندین لایه از آگاهی درباره شرایط اطراف وسیله نقلیه ایجاد شود. رادار به‌ویژه در تشخیص فاصله اشیا و سرعت حرکت آن‌ها عملکرد بسیار خوبی دارد، حتی در شرایط نامساعدی مانند باران شدید یا شب‌های مه‌آلود. دوربین‌ها به درک ماهیت واقعی چیزی که در جاده دیده می‌شود کمک می‌کنند، چیز‌هایی مانند موقعیت لانه‌ها، خواندن علائم ترافیکی و تشخیص پیاده‌روی قبل از ورود به مسیر ترافیک. سنسور‌های اولتراسونیک نیز اندازه‌گیری‌های بسیار دقیقی از اشیای نزدیک ارائه می‌دهند که در هنگام پارک یا حرکت آهسته در فضاهای تنگ بسیار حیاتی است. با ترکیب همه این اطلاعات، خودرو به‌مراتب بهتر می‌تواند در تصادفات را اجتناب کند. اگر سیستم از طریق حداقل دو نوع سنسور مختلف احتمال برخورد را تشخیص دهد، به‌صورت خودکار ترمز را با فشار دقیق لازم فعال می‌کند. هدف اصلی این رویکرد لایه‌ای، حفظ ایمنی خودرو حتی در شرایطی است که یکی از اجزا به‌درستی کار نمی‌کند. در اینجا ایمنی به شانس سپرده نمی‌شود.

سنسورهای خودکار برای بهبود کارایی موتور، کنترل انتشارات و قابلیت اطمینان در رانندگی

سنسورهای کلیدی تراکم قدرت خودرو—اکسیژن (O2)، جرم هوا (MAF)، دمای مایع خنک‌کننده و ضربه—و نقش آنها در بهینه‌سازی احتراق

موتورهای امروزی اتومبیل به شدت به شبکه‌ای از سنسورها متکی هستند که با کار کردن در کنار هم، به اهداف سخت‌گیرانه مربوط به بازدهی و محدوده‌های انتشار آلاینده‌ها دست می‌یابند، در حالی که همچنان تا سال‌های مداوم رانندگی دوام دارند. به عنوان مثال، سنسور اکسیژن به طور مداوم میزان محتوای خروجی از لوله فلایش را بررسی می‌کند تا کامپیوتر بتواند ترکیب سوخت را به درستی تنظیم کند. این امر تضمین می‌کند که مبدل کاتانیک به طور بیشترین عملکرد کار کند و مواد مضری مانند هیدروکربن‌ها و اکسید نیتروژن را در مقایسه با سیستم‌های قدیمی که این حلقه فیدبک را نداشتند، حدود ۹۰٪ کاهش می‌دهد. سنسور‌های دیگری نیز وجود دارند مانند سنسور جرمی جریان هوا که میزان هوای ورودی به موتور را با دقت خوبی (+/- ۲٪) اندازه‌گیری می‌کند، که به تضمین احتراق مناسب در هر بار شلیک شمع جرقه کمک می‌کند. وقتی دمای داخل بلوک موتور بالا می‌رود، سنسور دمای مایع خنک‌کننده فعال می‌شود تا پیش از گرم شدن بیش از حد، فن‌ها را روشن کند یا تنظیمات زمان‌بندی را تغییر دهد. و همچنین نباید از سنسور‌های ضربه نیز فراموش کرد—این سنسور‌ها به صداهای غیرعادی که نشان‌دهنده احتراق زودرس هستند گوش می‌دهند و در عرض میلیونیم‌های ثانیه تنظیمات جزئی در زمان جرقه انجام می‌دهند تا موتور در هنگام شتاب شدید در برابر آسیب محافظت شود. تمام این اجزا به عنوان بخشی از سیستمی که مکانیک‌ها آن را سیستم حلقه بسته می‌نامند، دست در دست هم کار می‌کنند و به طور مداوم نحوه احتراق سوخت را بر اساس هر شرایطی که وسیله نقلیه با آن مواجه می‌شود، تنظیم می‌کنند.

چالش‌ها و روندهای آینده در فناوری سنسور خودرو

فناوری سنسور خودرو همچنان با موانع روبرو می‌شود در حالی که در حال توسعه است. اول از همه، یکپارگی واحدهای کنترل الکترونیکی مختلف کاری بسیار دشوار برای تولیدکنندگان است. علاوه بر این، مشکل عوامل محیطی که عملکرد را مختل می‌کنند نیز وجود دارد، به‌ویژه زمانی که رطوبت باعث ضعیف شدن سیگنال‌های رادار می‌شود. و نباید افزایش روزانه خطرات امنیت سایبری را فراموش کرد، به‌ویژه در خودروهایی که به اینترنت متصل می‌شوند و به‌روزرسانی‌های بی‌سیم دریافت می‌کنند. مسئله دیگری نیز از سیستم‌های ارتباطی اختصاصی ناشی می‌شود که باعث می‌شود قطعات به‌سختی با یکدیگر کار کنند، و این موضوع برای مکانیک‌ها در تشخیص مشکلات یا نصب به‌روزرسانی‌ها در آینده دردسر ایجاد می‌کند. همچنین موضوع هزینه نیز مهم است. سنسور‌های با کیفیت بالا مانند رادار حالت جامد یا لیدار زمان پرواز به‌آهستی وارد خودروهای اقتصادی می‌شوند، حتی‌الحالی که مقررات هر روز بیشتر بر ویژگی‌هایی مانند ترمز اضطره‌ای خودکار و سیستم نگه‌دارنده خط می‌فشارند.

در آینده، سه روند در حال تسریع هستند:

• کوچک‌سازی و جایگذاری توکار ، که امکان یکپارچه‌سازی بدون درز را در مؤلفه‌های ساختاری فراهم می‌کند، بدون آنکه به زیبایی یا آیرودینامیک صدمه بزند
• تحلیل‌های غنی‌شده با هوش مصنوعی ، که در آن مدل‌های یادگیری ماشین نصب‌شده روی خودرو، جریان داده‌های سنسورها را تفسیر می‌کنند تا خرابی‌ها را پیش از وقوع تشخیص دهند و تا ۳۵٪ در کاربردهای ناوگانی از توقف‌های برنامه‌ریزی‌نشده بکاهند
• معماری‌های ادغام سنسورهای مقاوم ، که رادار، لیدار و دوربین‌های با دامنه دینامیکی بالا را با دروازه‌های V2X (وسیله‌نقلیه به همه) ترکیب می‌کند تا هشدارهای خطر را با زیرساخت و وسایل نقلیه نزدیک به اشتراک بگذارد

پیش‌بینی‌های بازار نشان می‌دهد که صنعت جهانی سنسورهای خودرو تا سال ۲۰۳۰ به حدود ۳۲۳ میلیارد دلار برسد. این رشد عمدتاً به این دلیل است که خودروهای الکتریکی و وسایل نقلیه خودران به تعداد بسیار بیشتری سنسور نیاز دارند که در فضاهای کوچک‌تری قرار گرفته و همچنان به‌طور قابل اعتمادی کار کنند. دستاوردهای فناوری جدید نیز در حل برخی از مشکلات قدیمی کمک شایانی می‌کنند. طراحی‌های MEMS خودکالیبره و آرایه‌های اولتراسونیک که داده‌ها را در محل پردازش می‌کنند، تفاوت‌های چشمگیری ایجاد کرده‌اند. این پیشرفت‌ها به رفع مشکلاتی مانند قرائت‌های ناسازگار، زمان پاسخ‌دهی کند و مقاومت سنسورها در برابر شرایط آب و هوایی سخت می‌پردازند. در نتیجه، حالا شروع به دیدن خودروهایی می‌کنیم که می‌توانند واقعاً پیش‌بینی کنند چه اتفاقی بعداً در جاده می‌افتد، نه اینکه فقط پس از وقوع واکنش نشان دهند.

سوالات متداول

سنسورهای خودرو چیستند و چگونه در وسایل نقلیه عمل می‌کنند؟

سنسورهای خودرو اجزایی درون وسایلهای نقلیه هستند که تغییرات فیزیکی مانند دما، فشار و حرکت را تشخیص می‌دهند و اندازه‌گیری می‌کنند. این سنسورها داده‌های واقعی را به سیگنال‌های دیجیتال تبدیل می‌کنند که توسط سیستم‌های کامپیوتری خودرو پردازش می‌شوند تا پاسخ‌های هوشمندی مانند تنظم تزریق سوخت یا باز کردن کیسه‌هوا را تسهیل کنند.

سنسورهای خودرو چگونه به ایمنی وسیله نقلیه کمک می‌کنند؟

سنسورهای خودرو نقش مهمی در سیستم‌های ایمنی ایفا می‌کنند، با نظارت بر شرایط خودرو و محیط اطراف تا از بروز تصادف جلوگیری کنند. به عنوان مثال، سنسور‌های ضربه می‌توانند به سرعت کیسه‌هوا را پس از برخورد باز کنند، در حالی که سنسور‌های سرعت چرخ در مکانیسم‌های ABS نقش دارند که از قفل کردن چرخ در ترمز‌های ناگهانی جلوگیری می‌کنند.

چالش‌های پیش روی صنعت سنسور خودرو چیست؟

چالش‌ها شامل یکپارچه‌سازی واحدهای مختلف کنترل الکترونیکی، عوامل محیطی که عملکرد سنسور را تحت تأثیر قرار می‌دهند، ریسک‌های امنیت سایبری، سیستم‌های ارتباطی اختصاصی و کندی در پذیرش سنسور‌های پیشرفته به دلیل محدودیت‌های هزینه است.