Нормативный срок службы АКБ индивидуального легкового автомобиля составляет 4 года [1]. Однако, глубокие разряды или постоянный недозаряд АКБ резко уменьшают срок службы, что увеличивает затраты на эксплуатацию автотранспортных средств.

Постоянный недозаряд АКБ обусловлен необходимостью постоянного использования фар ближнего света при движении автомобиля. Недозаряд увеличивается при низкой частоте вращения коленчатого вала двигателя при движении автомобиля в городском цикле из-за нехватки мощности генератора.

В зимних условиях эксплуатации автотранспортных средств недозаряд усиливается, т.к. АКБ принимает заряд в сильной зависимости от температуры электролита [2]. Холодный запуск зимой, редкие непродолжительные поездки на протяжении рабочего дня не дают прогреться электролиту и, следовательно, зарядиться АКБ.

В условиях постоянного недозаряда АКБ следует периодически подзаряжать зарядным устройством (ЗУ), обеспечивающим максимально полный заряд АКБ и выравнивание плотности электролита в ее банках. В противном случае АКБ выйдет из строя гораздо раньше нормативного срока вследствие явления сульфатации (при которой поверхности пластин покрываются слоем слаборастворимого сульфата свинца, который постепенно кристаллизуется и слабо участвует в химических реакциях, и площадь и объем активной массы, участвующей в химических реакциях, уменьшается), что вызывает снижение остаточной емкости АКБ, рост ее внутреннего сопротивления, снижение максимального тока, отдаваемого стартеру при пуске двигателя, АКБ «не держит заряд» и быстро разряжается [3, 4, 5].

В нередких случаях водитель может забыть выключить свет фар или другие потребители энергии при неработающем двигателе, что вызовет глубокий разряд АКБ.

При глубоких разрядах АКБ разряжается до 6-8 и менее Вольт и возникает необходимость в использовании ЗУ, позволяющего заряжать сильно разряженные АКБ с ограничением тока заряда на номинальном уровне.

Следующей причиной преждевременного выхода из строя АКБ является ее перезаряд, что вызывает выкипание воды в банках. Это происходит при неисправном регуляторе напряжения генератора или при заряде АКБ от нерегулируемого ЗУ, напряжение холостого хода на клеммах которого достигает 15-16 В.

Большинство предлагаемых на рынке ЗУ не допускают перенапряжения за счет ограничения напряжения холостого хода на клеммах ЗУ на уровне 15-16 В, что, однако, не всегда позволяет предотвратить кипение электролита и обеспечить максимально полный заряд АКБ и выравнивание плотности электролита в ее банках.

Известны ЗУ, описанные в [6, 7]. Недостатками их являются отсутствие защиты от неправильного подключения аккумуляторной батареи и отсутствие индикации неправильного подключения.

В ЗУ, описанном в [8], отсутствует возможность автоматического регулирования параметров заряда в зависимости от внешних условий и степени изношенности подключенной АКБ.

В Пензенском государственном университете архитектуры и строительства разработано ЗУ [9], лишенное указанных недостатков, и позволяющее программными средствами, на основе микроконтроллера, задавать оптимальные параметры заряда в зависимости от внешних условий и степени изношенности подключенной АКБ, что позволит продлить срок ее службы. Блок-схема ЗУ приведена на рисунке.

Зарядное устройство для аккумуляторных батарей: 1 – сетевой фильтр, 2 – выпрямитель, 3, 5 – сглаживающие фильтры, 4 – преобразователь напряжения, 6, 8 – делители напряжения, 7 – узел защиты, 9 – узел разряда, 10 – заряжаемая аккумуляторная батарея, 11 – датчик тока, 12 – узел гальванической развязки, 13 – узел стабилизации, 14 – узел согласования и управления, 15 – узел индикации

Зарядное устройство для АКБ работает следующим образом.

Напряжение питания от сети переменного тока 220 В поступает через сетевой фильтр 1 на выпрямитель 2. С выхода выпрямителя 2 напряжение сглаживается при помощи первого сглаживающего фильтра 3, и поступает на вход преобразователя напряжения 4. На выходе преобразователя имеется напряжение постоянного тока низкого уровня, которое сглаживается при помощи второго сглаживающего фильтра 5. Зарядный ток с выхода второго сглаживающего фильтра 5 подается на заряжаемую АКБ через узел защиты 7 и резистивный датчик тока 11, которые включены последовательно с заряжаемой АКБ 10.

При отсутствии заряжаемой АКБ узел согласования и управления 14, анализируя напряжение U на втором делителе напряжения 8 (например, фиксируемое напряжение U<1 В), формирует запрещающий сигнал на узел защиты 7, удерживая его в закрытом состоянии.

При подключении АКБ к клеммам ЗУ узел согласования и управления 14 анализирует напряжение на втором делителе напряжения 8 (например, фиксируемое напряжение 1<U<16 В) и формирует разрешающий сигнал на узел защиты 7, электронный ключ в узле защиты 7 открывается и начинается процесс заряда.

В случае неправильного подключения АКБ к ЗУ (неверная полярность) узел согласования и управления 14 анализируя напряжение на втором делителе напряжения 8 (например, U<1 В) формирует запрещающий сигнал на узел защиты 7, удерживая его в закрытом состоянии.

При коротком замыкании выходных контактов ЗУ узел согласования и управления 14 также анализирует напряжение на втором делителе напряжения 8 (например, U<1 В) и формирует запрещающий сигнал на узел защиты 7, удерживая его в закрытом состоянии.

При коротком замыкании выхода ЗУ в процессе заряда АКБ, когда ключ в узле защиты 7 был открыт, узел согласования и управления 14 анализирует напряжение на втором делителе напряжения 8 (например, U<1 В) и формирует запрещающий сигнал на узел защиты 7, электронный ключ в узле защиты 7 закрывается и разрывает цепь заряда АКБ от ЗУ.

Узел индикации 15 индицирует наличие режима короткого замыкания и неправильного подключения АКБ, величину напряжения подключенной АКБ, а при заряде – величину тока заряда.

Стабилизация выходного напряжения преобразователя напряжения осуществляется путем подачи на первый и второй входы узла стабилизации 13 напряжения, снимаемого с первого делителя напряжения 6.

Узел стабилизации 13 через узел гальванической развязки 12 изменяет режим работы преобразователя 4 таким образом, чтобы автоматически происходила стабилизация зарядного тока или напряжения в зависимости от степени заряженности АКБ, что позволяет заряжать полностью разряженные АКБ.

В начале процесса заряда АКБ происходит стабилизация зарядного тока, который пропорционален напряжению, снимаемому с резистивного датчика тока 11, и подаваемому на второй и третий входы узла стабилизации 13. В конце процесса заряда происходит увеличение напряжения на АКБ 10, узел согласования и управления 14 анализирует напряжение на втором делителе напряжения 8 (например, U≥14,5 В) и подает посредством широтно-импульсного модулятора управляющее напряжение на узел стабилизации 13, который в свою очередь уменьшает ток, и зарядное устройство переходит в режим стабилизации напряжения на заданном уровне (например, 14,5 В), а через, например, 2 часа закрывает узел защиты 7, прекращая процесс заряда АКБ.

Узел стабилизации может быть выполнен на базе микросхемы ШИМ-контроллера. В качестве узла согласования и управления может быть применен микроконтроллер, содержащий аналого-цифровой преобразователь и широтно-импульсный модулятор.

Дополнительной функцией ЗУ является заряд реверсивным током, позволяющим несколько снизить степень сульфатации пластин [10]. При заряде реверсивным током, узел согласования и управления 14 поочередно открывает ключи в узлах защиты 7 и разряда 9, в соответствии с управляющей программой.

В разработанном ЗУ достигаются следующие технические результаты: разработано зарядное устройство на базе микроконтроллера, способное автоматически формировать оптимальные параметры зарядного импульсов в зависимости от внешних условий и степени изношенности подключенной АКБ, позволяет заряжать полностью разряженные АКБ и не допускать перенапряжения при заряде, имеет электронную защиту от перегрузок и неправильного подключения.

Для определения интенсивности транспортного потока применяются учётчики, а также видеосъёмка [3].

Учётчики, находясь на исследуемом участке дороги (перекрёстке), записывают в специальный журнал общее количество по типам транспортных средств в фиксированный промежуток времени.

Видеосъемка осуществляется путем установки на дорогу видеокамеры с последующим распознаванием числа транспортных средств по видеозаписи.

Главный минус данных способов определения интенсивности транспортного потока – это последующая трудоемкая камеральная обработка полученных данных.

Целью данной работы является автоматизация определения интенсивности транспортного потока.

Предлагается осуществлять подсчет интенсивности транспортного потока на основе фиксации на микрофон уровня шума с последующей обработкой аудиозаписи на электронно-вычислительной машине.

Шум – это акустическая характеристика потока, включающая в себя неупорядоченное сочетание различных по силе и частоте звуков [4].

На улице Красная города Пенза была произведена запись акустических характеристик потока на цифровую видеокамеру. Запись с нее преобразована в аудиофайл формата .mp3 и обработана в пакете «MATLAB».

Алгоритм обработки следующий.

Полученный аудиофайл преобразуется при помощи функции [y]=audioread (filename) [5] в массив и строится график (рис. 1).

Рисунок 1 – График представления аудиофайла после аналого-цифрового преобразования

Затем массив преобразуется по абсолютной величине y=abs (y) (рис. 2).

Рисунок 2 – График представления аудиофайла по абсолютной величине

По значениям массива с помощью фильтра Баттерворта [b, a]=butter (n, Wn) построена огибающая сигнала (рис. 3).

Рисунок 3 – Огибающая цифрового сигнала аудиофайла

Сопоставление видеосъёмки с графиком аудиофайла показало, что при приближении транспортного средства к микрофону уровень сигнала резко увеличивается, и, следовательно, максимальный уровень сигнала приходится на момент нахождения автомобиля перед микрофоном.

Таким образом, данный способ позволяет осуществлять подсчет интенсивности транспортного потока по амплитудным значениям сигнала. Однако, он требует дальнейших исследований при высокой интенсивности транспортного потока и в условиях зашумленности от влияния ветра и автомобилей, двигающихся по соседним полосам движения дороги. Стоит задача разработки алгоритмического обеспечения и схематических решений детектора транспорта.

Выявление и обработка шумовых характеристик транспортного потока позволяют осуществлять контроль интенсивности транспортного потока – т.е. количества автотранспортных средств, проходящих через сечение дороги в единицу времени [2, 3].

Подсчет интенсивности позволяет реализовать мероприятия по организации дорожного движения при реконструкции и в процессе эксплуатации дорог [4], что позволит обеспечить безопасность транспортных потоков и требуемую пропускную способностью дороги [5]. Подсчет интенсивности осуществляется при помощи детекторов транспорта, которые фиксируют проезд автомобиля через контролируемое сечение дороги [6, 7].

В работах [3, 8] показана перспективность подсчета интенсивности с использованием пассивного акустического детектора транспорта, устанавливаемого над проезжей частью, на базе направленного микрофона, позволяющего производить надежный подсчет числа автомобилей движущихся по контролируемой детектором полосе движения по амплитудным значениям сигнала.

Авторами проведены исследования и анализ шумовых характеристик транспортного потока с помощью направленных микрофонов двух типов: органного (две различных конструкции), “бегущая волна” [9]. Выбор данных микрофонов обусловлен малыми размерами, дешевизной и простотой исполнения.

Микрофоны подключались через микрофонный разъем к ноутбуку, оснащенного WEB-камерой, с последующей записью шумовых характеристик транспортного потока, преобразованием в цифровой аудиофайл и визуализированием в пакете «MATLAB». Микрофоны располагались на высоте 6 м и расстоянии 10 м от дорожного полотна и направлялись на ближнюю контролируемую полосу движения.

Микрофон органного типа со звукопоглощающим материалом внутри.

Микрофон представляет собой трубку, стенки которой обвернуты с внутренней стороны звукопоглощающим материалом (войлок), одна сторона микрофона остаётся открытой, а на другой – закреплен чувствительный элемент (конденсаторный микрофон).

Внешний вид реализованного авторами микрофона приведен на рис. 1. Результаты натурных испытаний приведены на рис. 2.

Сопоставление видеосъёмки с графиком аудиофайла (рис. 2) показало наличие сплошных помех, вызванное неспособностью микрофона эффективно гасить шумы с соседних полос движения, что не позволяет обеспечить приемлемую точность подсчета интенсивности движения транспортных средств.

Микрофон органного типа со звукопоглощающим материалом снаружи.

Микрофон представляет собой пластиковую трубку со звукопоглощающим материалом (войлок) снаружи, одна сторона микрофона остаётся открытой, а на другой – закреплен чувствительный элемент (конденсаторный микрофон).

Внешний вид реализованного авторами микрофона приведен на рис. 3, а результаты натурных испытаний приведены на рис. 4.

Сопоставление видеосъёмки с графиком аудиофайла (рис. 4) показало наличие шумовых помех от автомобилей, движущихся по соседним полосам движения, вследствие переотражения от стенок микрофона этих шумов и попадания их на чувствительный элемент, что обусловливает невысокую точность определения интенсивности транспортных средств.

Микрофон типа “бегущая волна”.

Микрофон представляет собой трубку, заглушенную с одной стороны, а с другой – закреплен чувствительный элемент (конденсаторный микрофон). По поверхности трубки просверлен ряд детектирующих отверстий. Микрофон работает следующим образом: так как скорость распространения звука внутри и снаружи трубки одна и та же, при падении звука по оси трубки все парциальные волны приходят к мембране одновременно, в фазе. При падении звука под углом к оси парциальные волны доходят до мембраны с различной задержкой, определяемой расстоянием от соответствующего отверстия до микрофона. При этом из-за их интерференции на поверхности мембраны происходит частичное или полное гашение, т.е. давление на поверхности мембраны микрофона уменьшается [10].

Внешний вид реализованного авторами микрофона приведен на рис. 5. Результаты натурных испытаний приведены на рис. 6.

Сопоставление видеосъёмки с графиком аудиофайла (рис. 6) показало, что использование данного микрофона позволяет нивелировать влияние шумовых помех от автомобилей, движущихся по соседним полосам движения.

По результатам натурных исследований направленных микрофонов можно сделать вывод, что применение микрофона типа “бегущая волна” позволяет обеспечить наименьшее влияние на точность подсчета транспортных средств, движущихся по соседней полосе движения.

Таким образом, из исследованных микрофонов, применение микрофона типа “бегущая волна” позволит осуществлять подсчет интенсивности транспортного потока по амплитудным значениям сигнала с наименьшей погрешностью.