איך זה עובד: חיישן רוורס
מה קורה כשאתם מעבירים להילוך אחורי והאוטו מצפצף ברעש הולך וגובר כדי שלא תדפקו את האוטו בעמוד? עידו גנדל חוזר - לאחור
בשנים האחרונות, כמעט כל מכונית חדשה מצוידת במערכת התראה לנסיעה לאחור. המערכת הזו כוללת לרוב, שלושה אלמנטים: 1) רביעיית חיישנים, שמותקנים לרוחב הפגוש האחורי וכל אחד מהם נראה מבחוץ כמו עיגול בתוך עיגול. 2) תצוגת אורות או טקסט בתא הנהג, בתוספת רמקול שמצפצף.
3) קופסה עם מחשב זעיר שטמונה אי-שם ברכב ומנהלת את כל העסק.
וכמו שאנחנו יודעים שהמערכת מודדת את המרחק לאובייקטים שנמצאים מאחורי הרכב ומתריעה, בעצבנות הולכת וגוברת, ככל שהם קרובים יותר. אבל איך זה עובד מאחורי הקלעים?
שתי הבהרות קצרות, לפני שנתחיל. ראשית, לפעמים יש במכוניות גם מערכת התראה קדמית – היא פועלת בדיוק באותו אופן כמו האחורית שתתואר כאן. שנית, יש סוג נוסף של מערכות, שמבוססות על שינויים זעירים בשדה אלקטרומגנטי. הן נדירות יותר, נכון להיום, החיישנים שלהן אינם גלויים, ושיטת הפעולה שלהן שונה לגמרי. כאן נדבר רק על הדגם הפשוט והנפוץ: מערכות אולטרה-סוניות.
העיקרון: מדידה על-קולית
כאשר גלי קול פוגעים במשטח כלשהו, הם חוזרים ממנו כהד. בחיי היומיום, מסיבות אקוסטיות ופיזיולוגיות, קשה לנו להבחין בהדים האלה, אלא אם אנחנו נמצאים בתוך חלל ריק גדול. אך מסתבר שאם גלי הקול ממוקדים יחסית, והתדר שלהם גבוה, מיקרופון פשוט מסוגל לקלוט את ההדים.
מהירות הקול (באוויר רגיל, בגובה פני הים ובטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס) היא 343.2 מטרים לשנייה. חשבון פשוט מראה שגלי הקול עוברים מטר אחד ב-2.914 אלפיות השניה. כלומר, הזמן שלוקח לצליל להגיע מרמקול למכשול שנמצא במרחק מטר אחד, ואז לחזור חזרה כהד אל המיקרופון, הוא 5.828 אלפיות השניה. על פי אותו חישוב, הזמן שנדרש כאשר המכשול נמצא במרחק סנטימטר אחד בלבד הוא 58.28 מיליוניות השניה.
המספר הזה הוא המפתח למערכת ההתראה. מיקרו-בקר כלשהו שולח את הצלילים, סופר כמה זמן, במיליוניות השניה, עובר עד לקליטת ההדים, מחלק את התוצאה ב-58.82 ואז מצפצף, מאיר או מציג מידע טקסטואלי לנהג/ת בהתאם לספי קירבה שהוגדרו מראש.
אותו מספר הוא גם הסיבה לפופולריות של המערכות שמבוססות על חיישנים אולטרה-סוניים. מיקרו-בקרים מודרניים מסוגלים להתמודד בקלות עם משכי זמן כאלה, וזה הופך את המערכת כולה לפשוטה וזולה יחסית. מדידת מרחק על סמך תזמון של החזרי אור, למשל, היתה מחייבת התמודדות עם סדרי גודל של מהירות האור – פי 873,500 (פלוס מינוס) ממהירות הקול – שמהווים אתגר מורכב בהרבה.
מבחר חיישנים
הפשטות והמחיר הפכו את החיישנים האולטרה-סוניים לנפוצים גם בקרב המייקרים חובבי האלקטרוניקה. המודול שבתמונה למעלה הוא דגם נפוץ ביותר, בשם HC-SR04. הוא כולל רמקול ומיקרופון (הגלילים הכסופים, בקוטר של 1.5 ס"מ), ומספר רכיבים אלקטרוניים שמטפלים בשליחת הצליל ובקליטתו.
פרט לאספקת החשמל, יש לו שני פינים לחיבור: "Trig", שדרכו מודיעים למודול להתחיל מחזור של שידור-קליטה, ו-"echo" שדרכו מוחזרת התוצאה, בצורת פולס חשמלי שנמשך מסיום השידור ועד לסיום הקליטה, או עד 38 אלפיות השניה, המוקדם מביניהם. חיישנים אלה, כמו רוב החיישנים האולטרה-סוניים, פועלים בתדר צליל של 40 קילוהרץ, הרחק מעבר לטווח השמיעה האנושי, אם כי כלבים וחתולים יכולים בהחלט לשומעו. מלבד העובדה שתדר זה אינו מפריע לעוברי אורח אנושיים, בנסיבות רגילות הוא אינו מופיע סתם כך בסביבה, ולכן מהווה "ערוץ" נקי יחסית מהפרעות ושיבושים.
חיישנים מתקדמים ויקרים יותר, כמו זה שבתמונה למטה, מחליפים את המיקרופון ואת הרמקול הנפרדים ברכיב יחיד, שנקרא מתמר (Transducer). מכיוון שלא ייתכנו שידור וקליטה בו-זמנית – לפחות לא במדידה מעשית – המתמר פולט גלי קול כרמקול, וקולט את ההד כמיקרופון. כך אין שוני במיקום המרחבי של שתי הפונקציות, שעלול להפריע למדידה, והמודול כולו יכול להיות קומפקטי יותר.
בתוך הפגוש
החיישנים שמותקנים בפגוש הרכב, לרוע המזל, הרבה פחות מעניינים. אלו הם למעשה מתמרים, ומתמרים בלבד, ללא כל אלקטרוניקה. מכל מתמר גולמי כזה יוצאים רק שני חוטי חשמל (בתוך כבל אחד), כמו מכל רמקול או מיקרופון רגילים. השידור, הקליטה והתזמון מנוהלים במלואם על ידי יחידת העיבוד המרכזית. יחידה זו אוספת את הנתונים ברציפות מכל ארבעת המתמרים, ומציגה לנהג/ת התראה בהתאם למדידה הקטנה ביותר שמתקבלת.
הסיבה להתקנה של ארבעה מתמרים דווקא היא פשרה בין יכולת הכיסוי של המערכת לבין המורכבות שלה מבחינת מספר חיישנים, הפרעות הדדיות שלהם וכדומה.
בתמונה הבאה מוצג מתמר סטנדרטי לרכב. ארבעת פסי המתכת הבולטים על ההיקף מיועדים אך ורק להדק את המתמר למקומו בחור שנקדח בפגוש. בפנים, כפי שמוצג מימין למטה בתמונה, יש בעיקר חומרים למניעה ושיכוך של זעזועים: מעין ספוג סיליקון צפוף, דסקית שעם, ודסקית נוספת דמוית צמר גפן. כל זה כדי למזער את התנודות שמקורן ברכב ובמנוע, אשר עלולות לשבש את פעולת המתמר ואת המדידה או לפגוע בחיווט העדין. בקצה שפונה כלפי חוץ, צמוד לצדו הפנימי של הפלסטיק, נמצא לב המתמר: רמקול/מיקרופון פיאזואלקטרי, בדיוק כמו זה שראינו בתוך גלאי העשן, רק קטן יותר.
יתרונות וחסרונות
מערכת התראה אולטרה-סונית היא, כאמור, פשוטה וזולה יחסית, ואינה סובלת מהפרעות של אור וחושך, חום סביבתי או קרינה אלקטרומגנטית שעלולים להשפיע על סוגי חיישנים אחרים.
עם זאת, גם לה יש חסרונות בולטים. הצלילים אינם מוחזרים היטב ממשטחים רכים או מחוררים (למשל רשתות, שיחים או חיות בית שעירות), וטווח הכיסוי של כל מתמר מוגבל למדי, כך שיש "שטחים מתים" ביניהם, אשר עלולים לכלול עמוד צר או רגל של אדם.
כמו כן, ישנו חיסרון שמשותף לכל מערכת התראה שהיא, ומקורו לא בטכנולוגיה אלא במשתמשים: הנטייה של אנשים לפעול ביתר זהירות כאשר הם מרגישים סיכון רב יותר, ולהיפך. בשפה המקצועית, נטייה זו מכונה Risk homeostasis או Risk compensation. כאשר נהג אינו יודע כלל מה יש מאחוריו, רוב הסיכויים שייסע באיטיות של צב, יסתכל כל הזמן בכל המראות וישמור מרחק רב מכל מכשול. לעומת זאת, שיש לו מערכת התראה, סביר להניח שיסמוך עליה בעיניים עצומות, תרתי משמע, וינהג בצורה פחות זהירה, מה שיחמיר כל פגיעה פוטנציאלית במקרה של כשל כזה או אחר.
לסיום, הנה מערכת התראה שיצרתי למשאית צעצוע על בסיס חיישן HC-SR04:
תודה ל"אביזרי רכב יוסי רעננה" על חיישן הרוורס (מתמר) לרכב.
