Datorer gör bilarna säkrare

Transkript

1 Datorer gör bilarna säkrare Torbjörn Nyberg Eric Johansson Vetenskapsmetodik CDT212 VT

2 1 SAMMANFATTNING Säkerheten i trafiken är viktig för många människor, och framför allt den inbyggda säkerheten i bilen, det vill säga, det som gör en bil säker. Dagens säkerhetsutrustning i en modern bil består till stor del av datorer och det är med datorns hjälp säkerheten i bilen kan förbättras ytterligare. Dagens bilar är redan väldigt säkra med många avancerade säkerhetssystem och bilfabrikanterna fortsätter att utveckla systemen och göra dem ännu bättre. Trots detta omkommer 1.2 miljoner människor i trafiken varje år och med allt fler fordon på våra vägar fortsätter den siffran att öka. Vi ska i denna rapport redogöra för vad en dator bidrar med för att göra bilen säkrare. Både med dagens teknik och vad framtiden har att erbjuda. Vi kommer att redogöra för två olika sorters system, de förebyggande och de aktiva säkerhetssystemen i form av airbag, anti-lock braking system, electronic stability control, alkolås och inte minst Volvos utveckling av deras system collition warning with auto brake och det spännande framtidsprojektet SARTRE. 2

3 2 INNEHÅLLSFÖRTECKNING 1 SAMMANFATTNING INNEHÅLLSFÖRTECKNING INLEDNING DATORER GÖR BILARNA SÄKRARE Aktiva säkerhetssystem Airbag Anti-lock braking System ABS Electronic Stability Control - ESC Collision Warning with Auto Brake - CWAB Förebyggande säkerhetssystem Alkolås Driver Alert System - DAS Framtidens säkerhetssystem SLUTSATSER REFERENSER INLEDNING Dagens bilindustri präglas av ordet "säkerhet". "- En bil ska vara säker, annars är det ingen bra bil.", resonerar många, och med all rätt. Visst ska vi alla vara säkra när vi åker till jobbet eller skjutsar våra barn till fotbollsträningen. Både vi som förare, medpassagerare, medtrafikanter och fotgängare ska vara säkra när vi rör oss ute i trafiken. Ända sedan bilen uppfanns har olyckor inträffat och säkerheten har varit huvudämnet i diskussionerna. Världens första dokumenterade dödsfall i trafiken inträffade 1869 på Irland då den framstående forskaren Mary Ward omkom i en olycka med en hemmabyggd bil som drevs av en ångmotor [UC]. Sedan dess har utvecklingen och framstegen inom bilindustrin bara gått framåt allt snabbare och snabbare. I dag kanske vi anser att en bil är rätt säker, men fortfarande sker det många olyckor runt om i hela världen med dödlig utgång eller där personer skadas allvarligt. Uppskattningsvis omkommer 1.2 miljoner personer per år i trafiken, år 2000 var den siffran 1.26 miljoner [Annan03]. Trots detta gör bilfabrikanterna sitt bästa för att förbättra säkerheten, främst för att en säker bil helt enkelt säljer bättre. Vi lever nu på 2000-talet och dagens teknik är i allra högsta grad datorer. Allt idag innehåller en dator på ett eller annat vis, din telefon, din tvättmaskin, din ugn, till och med bilnyckeln till 3

4 din nya bil innehåller en liten dator. Likaså innehåller en bil datorer, men inte bara en! En modern bil kan innehålla upp mot 100 olika datorer, eller så kallade microprocessorer [Turley08]. Dessa styr allt i din bil, dina elstyrda backspeglar, fönsterhissar, stolar mm. Datorer har även en betydande roll i dagens säkerhetssystem där mycket styrs av just datorer. Vi ska därför ta en titt på vad en dator gör för att göra våra bilar säkrare, och eftersom vi lever i Sverige och flertalet av bilarna som rullar på de svenska vägarna är av märket Volvo så kommer vi att kasta ett litet extra öga på just deras säkerhetssystem. Volvo är dessutom världsledande inom trafiksäkerhet och detta passar oss utmärkt till denna rapport. 4 DATORER GÖR BILARNA SÄKRARE 4.1 Aktiva säkerhetssystem Aktiva säkerhetssystem är en benämning på sådana system som aktivt förhindrar en olycka från att inträffa till skillnad mot passiva säkerhetssystem som till exempel bilbälten och deformationszoner. För att ett system aktivt ska kunna känna av farliga situationer och förhindra att en olycka inträffar krävs ett avancerat datoriserat system. Vi ska nu ge några exempel på kanske de viktigaste aktiva säkerhetssystemen som används i personbilar i dag Airbag Bakgrund Bilbältet var länge den dominerande säkerhetsanordningen i bilar, men på 80-talet gjorde airbagen sitt inträdande i bilvärlden. Denne spåddes en lysande framtid där airbagen helt skulle ersätta bilbältet. Det visade sig dock att det inte var någon bra idé att helt byta ut bilbältet mot airbagen då airbagen fungerar som bäst när personerna i bilen befinner sig i sitt respektive säte och inte flyger omkring i kupén, vilket ofta blir resultatet vid en trafikolycka om förare och passagerare inte är fastspända. Att använda airbag utan bilbälte kan därför snarare ha en motsatt effekt och bli rent farlig. Man ska inte använda airbag i samband med bakåtvänd bilbarnstol då detta kan resultera i förödande konsekvenser för barnet i barnstolen, varningsmärken för detta sitter i regel klistrade på handskfacket i många bilar med airbag på passagerarsidan. Men även om inte airbagen helt ersatte bilbältet så kompletterar dessa två system varandra utmärkt och sedan slutet av 80-talet har airbagen blivit standard i mer eller mindra alla bilmodeller. Airbagen var visserligen inte ett helt datoriserat system från början, utan själva airbagen utlöstes av en sensor som placerades i fronten av bilen och var ett ganska simpelt system. Det var först på 90-talet som systemet helt datoriserades då biltillverkarna ville ha bättre precision på systemet och även införandet av flera airbags och fler sensorer utplacerade runt om i bilen som ett datoriserat system krävdes. I dagens bilar sitter det inte bara en airbag i ratten, utan airbag på passagerarsidan är även det standard. Andra placeringar av airbags som börjar bli allt mer standard inom bilindustrin, åtminstone i de lite dyrare bilarna på marknaden, är sidoairbags och gardiner som är placerade i dörrarna och i taket som ska skydda föraren och passagerare vid en sidokollision. Det finns även andra typer av airbags på marknaden, till exempel: 4

5 Airbags som fälls ut runt benen för att förhindra skador på ben och knän. Airbag som fälls ner mellan passagerare i baksäten och som hindrar passagerare att slås mot varandra vid till exempel en rullning. Airbags inbyggt i bilbälten. Dessutom en hel del andra mer eller mindre lyckade placeringar av airbags. På senare tid har även airbagen kompletterats av andra system för att förbättra dess funktion. Ett sådant system är bältesspännaren som vid en kollision spänner bältet och eliminerar slacket som annars finns i bälten. Detta för att försäkra sig om att personerna i bilen ska sitta kvar i sina säten och airbagen kan användas till sin fulla potential Konstruktion En airbag består av en luftkudde som fylls med kvävgas när en sensor löser ut. Det tar cirka två till tre hundradelssekunder för en airbag att fyllas helt med kvävgas, men detta förlopp fördröjs en aning efter att olyckan inträffat och sensorn löst. Detta på grund av att airbagen är fylld med hål så att gasen ska åka ur kudden i lagom takt så det blir en mjuk uppfångning av personen som träffar denna. Men gasen får inte åka ut för tidigt, därför fördröjs uppfyllningen av den med cirka en tiondels sekund så att personen kommer träffa airbagen i bästa tänkbara tidpunkt och få en så mjuk inbromsning som möjligt. När airbagen ska lösas ut bestäms av en Airbag Control Unit (ACU). ACU'n beslutar om airbagen ska lösas ut med hjälp av flera sensorer utplacerade i bilen. Bland annat används accelerationssensorer, kollisionssensorer, bromstryckssensorer och hjulhastighetssensorer för att avgöra när airbagen ska lösas ut. I figur 1 kan vi se hur luftkudden fylls med kvävgas när kollisions sensorn lösts ut. Figur 1. Illustration av en airbag. Källa: [Chemlab06] Anti-lock braking System ABS ABS, även kallade låsningsfria bromsar, är ett system som hindrar hjulen från att låsa sig vid en kraftig inbromsning. Detta förhindrar att föraren tappar kontrollen över fordonet vid halt väglag eller underlag med ojämnt väggrepp. Det ger även på de flesta, dock inte alla, underlag en kortare bromssträcka samt att styrförmågan inte går förlorad då däcken låser sig. Vid normal inbromsning kommer bromspedalen på en bil utan ABS och en med ABS känns i stort 5

6 sätt lika, dock vid kraftiga inbromsningar känner man en pulsering i pedalen om man kör en bil med ABS och man kan även höra ett klickande ljud då ABS:en arbetar. Detta kan ge felaktiga signaler till en oerfaren förare eller en förare som tidigare inte kört en bil med ABS, genom att föraren kan tro att denne gör något fel på grund av att bilen uppför sig "annorlunda". ABS-systemet använder sensorer på vardera av hjulen som övervakar hjulens hastighet. Om ett hjul håller på att låsa sig märker systemet detta och reducerar bromstrycket så att hjulet inte låser sig. När hjulet sedan snurrar igen återfås bromstrycket på hjulen och systemet läser av rotationen igen om det håller på att låsas eller ej. Detta upprepas så länge hjulen riskerar att låsas. Cirka 15 gånger i sekunden upprepas detta och är källan till pulseringen i pedalen och det klickande ljudet vi beskrev tidigare [Nice]. I figur 2 ses ett diagram över ett ABS systems konstruktion. ABS är ett väldigt viktigt säkerhetssystem i dagens bilar och har funnits som standard eller tillval i de flesta bilmodeller sedan slutet av 80-talet. Idag är det standard på de allra flesta bilmodeller och från 2011 kommer alla bilar som säljs i Europa att vara utrustade med ABS [Rikk]. Det finns dock lägen då ABS inte är till någon fördel, till exempel när man kör på grus eller snö kan det vara fördelaktigt att inte ha ABS, då däcken "gräver" sig ned i dessa material om de låser sig vilket resulterar i en snabbare inbromsning och en kortare bromssträcka. En duktig förare kan även få en lika bra eller till och med bättre inbromsning utan ABS genom att härma ABS-systemet själv. Det vill säga att man pumpar på bromsen för att få en liknande effekt. Figur 2. Diagram över ett ABS-system. Källa: [Jupitercar08] Electronic Stability Control - ESC Electronic Stability Control, ESC, är ett system som har till uppgift att förhindra föraren från att tappa kontrollen över fordonet. Till exempel vid halt väglag, snö eller regn, i kombination med en undanmanöver eller att föraren tar en kurva i för hög fart är det väldigt lätt att förlora kontrollen över fordonet. Systemet detekterar när bilen inte uppför sig så som föraren vill att den ska göra och den hjälper då till att med hjälp av bromsarna få bilen att åka dit hjulen pekar. 6

7 Systemet använder sensorer vid varje hjul som mäter hur fort vardera av dem roterar. Den mäter även hur stort rattutslag föraren har samt fordonets rotation. Programmet kan då avgöra om bilen rör sig i samma riktning som ratten och hjulen pekar, om så inte är fallet går systemet in och bromsar de hjul den finner lämpligt. På så vis hjälper de bromsande hjulen till att vrida bilen i rätt riktning. Detta illustreras i figur 3 där vi kan se att när en bil understyr hjälper ESC till att bromsa det inre bakhjulet och på det viset rotera bilen i rätt riktning. Figur 3. Illustration av hur ESC fungerar. Källa: [IIHS2] ESC utnyttjar en kombination av andra säkerhetssystem, bl.a. ABS för att hjulen inte ska låsa sig vid inbromsning och Anti Spin för att hjulen inte ska tappa greppet med vägbanan vid acceleration. I dag är de allra flesta bilmodellerna utrustade med ESC, antingen i standardutförande eller som tillval. EU-kommissionen har lagt fram ett förslag att göra ESC till standard i alla bilmodeller som säljs i Europa från år 2011, detta ska enligt dem rädda 4000 liv om året [NT]. Kanada har redan infört en liknande lag där alla bilar byggda efter 1:a september 2011 ska vara utrustade med ESC [TC]. Många studier har utförts för att utreda hur effektivt ESC är. Många av dessa visar att om alla bilar var utrustade med ESC i trafiken skulle en tredjedel av alla olyckor med dödlig utgång kunna förhindras [IIHS1]. Antalet dödsolyckor som involverar bilar av SUV-typ, Submision Utility Vehicle, eller Stadsjeep på svenska, skulle minskas med hela 63 % [Dang04] Collision Warning with Auto Brake - CWAB Volvo har under många år filat på hur man ska få bukt med så kallade "rear-end collisions", alltså en kollision mellan två bilar där en bil blir påkörd av en annan bakifrån när denne inte hinner eller kan stanna i tid. Dessa olyckor motsvarar cirka en tredjedel av alla olyckor ute på vägarna [Zercustoms1] och resulterar ofta i svåra nackskador, så kallade whiplash-skador. För att försöka förhindra denna typ av olyckor introducerade Volvo därför år 2006 deras system "Collision Warning with Brake Support". Detta system använder sig av radarsensorer i fronten på bilen som håller koll på framförvarande objekt. Om avståndet ändras för snabbt och systemet anser att risken för en kollision är överhängande så ges en varning till föraren via ett rött varningsljus som projiceras på vindrutan. Detta ska då uppmärksamma föraren om 7

8 faran och indikera för denne att bromsa, samtidigt beräknar bilens dator om bromskraften från inbromsningen är tillräklig för att stanna i tid. Om datorn anser att bromkraften verkar vara för liten kompenserar den genom att tillföra mer bromskraft. Men Volvo slutade inte där, nästa steg var att se till att om föraren inte insåg faran alls, bromsar bilen automatiskt. Detta system har fått namnet "Collition Warning with Auto Brake" eller CWAB. Till CWAB används samma metod för att varna föraren men när varningen sänds ut och om inte föraren reagerar tar bilen vid och bromsar själv för att kunna stanna eller att åtminstone få ner hastigheten innan kollisionen. Till detta system används förutom radar i fronten också en kamera som samarbetar med detektion av objekt framför bilen. Radarn kan "se" 150 meter framför bilen och kameran ser cirka 55 meter. Den automatiska bromsningen sker enbart då både kameran och radarn är överens om att det är nödvändigt att bromsa bilen. Detta system finns nu ute i de nyaste Volvo-bilarna och man håller på att testa det allra nyaste tillägget till systemet, ett projekt som kallas Pedestrian Detection som ska upptäcka fotgängare och cyklister. Med detta hoppas Volvo att få ner antalet olyckor i statskörning som involverar oskyddade trafikanter. Nedan i figur 4 kan vi se en illustration av hur CWAB fungerar, de blå cirklarna/halvcirklarna representerar radarns detektion, det triangelformade ljuset som kommer från vindrutan är kamerans detektionsområde och den röda biten av vägen är där de automatiska bromsarna kommer att aktiveras. Figur 4. Illustration av CWAB. Källa: [Zercustoms1] 4.2 Förebyggande säkerhetssystem Förebyggande säkerhetssystem är en benämning på sådana system som försöker förebygga och förhindra att en situation uppstår där det kan hända en olycka Alkolås Som vi alla vet gör alkoholen oss till sämre bilförare och de allra flesta av oss undviker att köra bil när vi är påverkade av alkohol. Detta dels för att lagen kräver det men också för att vi förstår att vi löper mycket större risk att försätta oss i osäkra situationer och att hamna i olyckor med alkohol i kroppen. Alkolåset är ett system som helt förhindrar att bilen kan startas om föraren har alkohol i kroppen. Systemet består av ett munstycke som föraren blåser i innan bilen kan startas, detta munstycke visas i figur 5. Om utandningsluften består av mer än vad som motsvarar 0.2 8

9 promille alkohol i blodet, vilket motsvarar den lagliga gränsen i Sverige, så går bilen inte att starta [VV1]. Politiker i bland annat Sverige vill införa Alkolås obligatoriskt i privata personbilar. Detta menar dem skulle betyda att antalet olyckor som är relaterade till rattfylleri delvis eller kanske helt skulle förhindras. Idag omkommer cirka 125 personer per år i Sverige i alkoholrelaterade bilolyckor, detta motsvarar cirka 25 procent av alla dödsolyckor i Sverige [VV2]. Men än finns inget krav på att bilar måste vara utrustade med alkolås, detta kan det dock ändras på i framtiden. Redan idag använder många kommuner alkolås i sina fordon, bland annat skolskjutsar och persontransporter för att försäkra sig om att deras förare kör nyktra och barnen är säkra på vägen till skolan Driver Alert System - DAS Figur 5. Bild på munstycke till alkolås. Källa: [Wiki09] Volvo implementerade i slutet av 2007 i flertalet av sina bilmodeller ett system som de kallar Driver Alert System, eller DAS, som ska ge varningar till föraren om hur denne kör. Detta system innefattar två delar: Driver Alert Control och Lane Departure Warning Driver Alert Control - DAC DAC är ett system som under körning analyserar förarens körstil och utvärderar om föraren verkar trött eller okoncentrerad. Om DAC-systemet tycker att så är fallet varnar den med en signal och meddelandet "dags för en paus" tillsammans med en bild på en kaffekopp dyker upp på displayen i mitten av varvräknaren i bilen. Detta ska förhindra att förare somnar vid ratten eller att de är allt för okoncentrerade när de kör bil. Cirka 90% av alla olyckor i trafiken orsakas av okoncentrerade förare [Zercustoms2]. Som vi tidigare skrivit så analyseras körstilen, Daniel Levin, som är projektledare för DAC säger att de ofta får frågan varför man valt att göra på det viset och inte hålla koll på förarens ögon. Han svarar då att de inte tycker att den tekniken är tillräckligt utvecklad än. [Duemotori07] Lane Department Warning - LDW LDW är ett system som ska förhindra en förare från att köra in i en bil som åker i ett annat körfält [Zercustoms2]. Systemet använder en kamera som sitter på baksidan av backspegeln som inspekterar vägmarkeringar och kan på det viset upptäcka om föraren håller på att vika ut ur sitt körfält och riskerar att kollidera med andra bilister i andra körfält. Detta system har dock en del begränsningar, bland annat när det är snö ute, om det är dålig sikt eller dåligt ljus så kommer detta system att deaktiveras eftersom det då inte ser vägmarkeringar och liknande för att avgöra om föraren håller sig i sitt körfält. 9

10 4.3 Framtidens säkerhetssystem Utvecklingen går alltid framåt, även inom trafiksäkerhet, och framtidens säkerhetssystem innehåller allt fler och mer avancerade datorer och datorsystem. Vi har valt att dedicera detta stycke till ett projekt som vi finner fascinerande, nämligen SARTRE-projektet Safe Road Trains for the Environment - SARTRE Ett väldigt intressant framtidsprojekt som beräknas komma i drift om ca 10 år är SARTREprojektet [Dahlquist09]. SARTRE står för Safe Road Trains for the Enviroment och som namnet antyder fungerar de i korthet enligt följande: En förare som är bekant med en viss sträcka, till exempel en taxi- eller lastbilschaufför, används som ledarbil och trafikanter som ska åt samma håll kan koppla upp sig till ledarbilen. Sedan tar bilen själv över körningen och följer efter den utnämnda ledarbilen. Bilen styr, bromsar, gasar och håller lagom avstånd från framförvarande bil helt automatiskt. Man tror att man ska kunna ha sex till åtta bilar i en konvoj i framtiden. När föraren i en "påhakad" bil kommer till sin avkörningsplats kontaktar den ledarbilen, kopplar ur sig och föraren tar själv över kontrollen av bilen igen. Detta system kommer att eliminera den mänskliga faktorn och på så sätt tros många olyckor kunna undvikas. Bland annat olyckor som inträffar på grund av att föraren somnar bakom ratten eller är okoncentrerad kommer att förhindras då bilen kör sig själv. Andra fördelar med detta system är att bilarna i en konvoj kan åka med ett kortare avstånd mellan dem och kan på så vis dra nytta av det minskade luftmotståndet vilket resulterar i minskad bränsleförbrukning och minskade utsläpp av avgaser. Detta leder även till att man kommer längre på mindre bränsle samt att miljön tar mindre skada. Man tror att fordon som färdas i konvojen ska kunna spara upp till 20 % bränsle på detta sätt. Då allt kommer att vara inbyggt i bilarna så kommer man inte att behöva göra några modifikationer på vägar och vägnät utan de befintliga vägarna kommer att användas. Dock kommer detta system enbart att användas på motorvägar till en början där säkerheten redan är bättre än på landsvägar då mötande trafik undviks. Under tiden då bilen kör sig själv i en konvoj, vad ska då föraren göra? Detta är kanske den största anledning till att detta projekt har potential att bli verklighet då föraren istället kan spendera tiden med att jobba eller läsa en bok på vägen till och från jobbet, pendla till jobbet kommer innebära helt nya möjligheter. Volvo säger sig ha en nyckelroll i detta projekt, de har för närvarande fyra-fem man som jobbar på projektet och de tror att de ska ha en prototyp redo till SLUTSATSER När man tittar på detta område upptäcker man att det finns hur mycket som helst att skriva om och det utvecklas konstant nya säkerhetssystem till bilar. Vi har i denna rapport riktat in oss mycket på vad Volvo gör för att deras bilar ska vara säkrare. Dels för att det är ett svenskt märke i grunden och dels för att de faktiskt ligger i framkant när det gäller säkerhet i bilar. Många av oss vet nog inte hur mycket datoriserade system som faktiskt finns i bilen vi kör och med denna rapport hoppas vi kunna framföra en del av de system som faktiskt var och varannan människa har i sin bil utan att veta om det. 10

11 I dagsläget finns det massor med datoriserade säkerhetssystem i våra bilar och de utvecklas hela tiden. Det kommer dock alltid, så länge det är en människa som sitter bakom ratten, att finnas en mänsklig faktor som gör att man inte kan förhindra alla olyckor. Men det kommer nya lösningar hela tiden på hur man reducerar olyckor och vem vet, i framtiden kanske man till och med kan borträkna den mänskliga faktorn, om SARTRE-projektet blir lyckat kanske nästa steg blir att inte ens behöva ha en ledarbil. Kanske kör bilen helt själv i framtiden. 6 REFERENSER [Annan03] Secretary-General of the United Nations Kofi Annan, "Global road safety crisis", page 2, 2003, läsd 2/ ( ad_traffic_injuries.pdf) [Chemlab06] Gas Laws and Airbags, 2006, läsd 3/ ( [Dahlquist09] Hans Dahlquist, Om tio år kör bilen sig själv, 2009, läsd 28/ ( [Dang04] Jennifer N. Dang, "Preliminary results analyzing the effectiveness of electronic stability control (ESC) systems", 2004, läsd 28/ ( [Duemotori07] Duemotori, Volvo introduces new systems for alerting tired drivers, 2007, läsd 28/ ( rting_tired_drivers.php) [IIHS1] Insurance Institute For Highway Safety, "Electronic stability control could prevent nearly one-third of all fatal crashes and reduce rollover risk by as much as 80%; effect is found on single- and multiple-vehicle crashes", 2006, läsd 3/ ( [IIHS2] Insurance Institute For Highway Safety, " ESC and how it helps drivers maintain control", 2006, läsd 3/ ( [Jupitercar08] Auto Repair, 2008, läsd 3/ ( [Nice] Karim Nice, How Anti-Lock Brakes Work, läsd 5/ ( [NT] Ny Teknik, Ann Norrby, "Smartare bilar höjer säkerheten", 2007, läsd 3/ ( [Rikk] Rikk, All cars equipped with ABS from 2011, 2010, läsd 3/ ( [TC] Transport Canada, "Electronic Stability Control", 2010, läsd 3/ ( [Turley08] Jim Turley, "Motoring with microprocessors", 2008, läsd 3/ ( [UC] "Mary Ward ", läsd 24/ ( 11

12 [VV1] "Alkolås", 2009, läsd 27/ ( droger/alkolas/) [VV2] "Hur tar du dig hem ikväll", 2009, läsd 2/ ( df) [Wiki09] Alkolås, 2009, läsd 2/ ( [Zercustoms1] "Volvo Collision Warning with Auto Brake", 2007, läsd 5/ ( Brake.html) [Zercustoms2] "Volvo Driver Alert Control and Lane Departure Warning", 2007, läsd 25/ ( Control-and-Lane-Departure-Warning.html) 12