UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
ESTUDIO DE UN SISTEMA DE CONTROL Y REGISTROS DE
DATOS TÉCNICOS AUTOMOVILÍSTICOS PARA MODALIDAD
KARTING UTILIZANDO PLATAFORMAS LIBRES.
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
GABRIEL JEFFERSON TITUAÑA LÓPEZ
DIRECTOR: ING. GONZALO GUERRÓN
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 17215680-0
APELLIDO Y NOMBRES: Tituaña López Gabriel Jefferson DIRECCIÓN: Chilibulo 0e 10-57 y Juan de Herrada
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 022 648 020
TELÉFONO MOVIL: 0998 472 877
DATOS DE LA OBRA
TITULO: Estudio de un sistema de control y registros de datos técnicos automovilísticos para modalidad karting utilizando plataformas libres.
AUTOR O AUTORES: Tituaña López Gabriel Jefferson FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN:
03 de Junio de 2016
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
Ing. Gonzalo Guerrón
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN: En este proyecto se estudió los sistemas de registros de datos técnicos utilizados en el deporte automovilístico, así como los sensores que captan las magnitudes físicas del entorno donde se ejecutaron tales como giro del volante, posición del pedal del acelerador, tiempo de vuelta, las aceleraciones laterales y la posición GPS en la que se encuentra. Los sensores midieron estos parámetros brindando información al dispositivo que recolectó los datos censados mediante la plataforma de Arduino y las grabó en una tarjeta SD siendo esta la parte hardware del dispositivo. En la parte del software, se utilizó LabVIEW para interpretar la información obtenida gráficamente. Mediante el estudio realizado se logró desarrollar un sistema de adquisición de datos de bajo coste en comparación con los sistemas de adquisición de datos comerciales. Este dispositivo se utiliza de una manera sencilla, cuenta con tres indicadores LED que informan cuando el dispositivo esta encendido con un color blanco, cuando existe
un error por la tarjeta SD con un color rojo y cuando está en funcionamiento con un color verde; es ligero y compacto para transportarlo, su alimentación de energía puede proveerse con una batería de nueve voltios o vía USB a una computadora. El proyecto implicó la recolección de información de los parámetros censados. Esta información permite al piloto analizar en qué aspectos puede mejorar su forma de conducción identificando la trazada, la aceleración transmitida por el pedal del acelerador y en las curvas el giro del volante tendrá una acción directa en la velocidad ya que puede producir un subviraje o sobreviraje al girar el volante demasiado pronto o demasiado tarde y estos aspectos infundirán directamente en el tiempo de vuelta obtenido. Debido a que el dispositivo no se encuentra instalado en un vehículo, se simuló los patrones de manejo del piloto para posteriormente analizar los datos en una computadora ya que en la actualidad es imprescindible contar con un sistema de adquisición de datos para que el piloto pueda registrar su progreso mediante el análisis en la forma de manejo y mejorar en la misma. Este proyecto se elaboró con el fin de que el conductor aficionado pueda contar con las herramientas adecuadas para mejorar en su conducción y mantenerse competitivo mediante la toma de decisiones basándose en el análisis de los datos del sistema obtenidos mediante pruebas comprendiendo que solo con la práctica puede llegar a mejorar y optimizar la conducción.
PALABRAS CLAVES: Adquisición de datos Arduino
Automovilismo LabVIEW
use. It has three LEDs of different colors that report when the device is on with a white color, when there is an error on the SD card with a red and when in operation with a green; it is lightweight and compact for portability. It can be powered by a nine volt battery or plugging it, via USB, to a computer. Once the variables are measured, this information allows the pilot to analyze what aspects can improve in their driving behavior by identifying the ideal line and trying to follow it, as well as the acceleration transmitted by the accelerator pedal and turning the steering wheel will have a direct action on speed as it can produce understeer or oversteer when turning the steering wheel too early or too late, or in special cases overtaking generated by a sudden movement of the steering wheel and these aspects will infuse directly in time obtained back. Because the device is not installed in a vehicle, a typical driving pattern was simulated. The data on a computer as it is now essential to have a system of data acquisition for the pilot to record his progress through analysis in the form of driving and improve on it. This project was developed in order that the amateur driver can improve their driving and stay competitive by making decisions based on the analysis of the system data obtained by testing tools, and understanding that only with practice you can improve and optimize your driving.
KEYWORDS Arduino
Data acquisition LabVIEW Motorsports
Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio Digital de la Institución.
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, TITUAÑA LÓPEZ GABRIEL JEFFERSON, CI.172105680-0 autor del proyecto titulado: Estudio de un sistema de control y registros de datos técnicos automovilísticos para modalidad karting utilizando plataformas libres, previo a la obtención del título de INGENIERO AUTOMOTRIZ en la Universidad Tecnológica Equinoccial.
1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una copia del referido trabajo de graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión pública respetando los derechos de autor.
2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial a tener una copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un Repositorio que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual vigentes.
Quito, 28 de junio de 2016
DECLARACIÓN
Yo GABRIEL JEFFERSON TITUAÑA LÒPEZ, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Estudio de un sistema de control y registros de datos técnicos automovilísticos para modalidad karting utilizando plataformas libres”, que, para aspirar al título de Ingeniero Automotriz, fue desarrollado por Gabriel Tituaña, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería e Industrias; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 19,27 y 28.
DEDICATORIA
Este trabajo de investigación con el cual finalizó mis estudios superiores quiero dedicarlo a mis padres ALFREDO y BERTHA por haber hecho hasta lo imposible por brindarme una educación superior, por el apoyo brindado incondicionalmente quienes me han sabido aconsejar, apoyar y motivar durante este lapso de mi vida.
A mis demás familiares quienes siempre me brindaron su apoyo y su motivación, y jamás dejaron de incentivarme, que siempre se mantuvieron a lado en los momentos difíciles y me animaron a seguir adelante para lograr terminar mi formación profesional.
A mis docentes por el conocimiento que compartieron durante mi proceso de enseñanza, transfiriendo su conocimiento desinteresadamente.
AGRADECIMIENTO
Agradezco a Dios por darme la sabiduría y la salud para poder alcanzar este sueño anhelado, superando los obstáculos que en la vida se me han presentado.
A mis padres ALFREDO y BERTHA por enseñarme que en la vida nada es fácil, sino que debo dar todo de mí sin importar el costo y aprovechar las oportunidades viviendo al límite cada día, pero sobre todo me enseñaron que la educación es lo más importante en la vida, pero no los títulos sino el conocimiento.
A mi director de tesis, Ing. Gonzalo Guerrón por su tiempo, dedicación, esfuerzo, experiencia, conocimiento y motivación logró que culmine mis estudios con mucha satisfacción.
Un agradecimiento especial al Ing. Diego Vaca ya que más que un profesor fue un amigo que me guío en mis estudios profesionales y que con cuya paciencia supo guiarme en el camino correcto del éxito.
i
ÍNDICE DE CONTENIDO
PÁGINA
RESUMEN ... viii
ABSTRACT ... x
1. INTRODUCCIÓN ... 1
2. MARCO TEÓRICO ... 4
2.1 SINGLE BOARD COMPUTERS (SBC) ... 4
2.1.1 MICROCONTROLADORES ... 4
2.1.2 TARJETAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS. ... 6
2.1.2.1 Arduino ... 6
2.1.2.2 Raspberry Pi ... 8
2.1.2.3 Comparación entre Arduino y Raspberry Pi ... 9
2.1.3 LENGUAJE DE PROGRAMACIÓN UTILIZADO POR ARDUINO ... 9
2.2 SENSORES ... 11
2.2.1 CLASIFICACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE LOS SENSORES ... 12
2.2.1.1 Sensores de velocidad ... 14
2.2.1.2 Sensores de posición ... 14
2.2.1.3 Potenciómetros ... 14
2.2.1.4 Global Position System (GPS) ... 15
2.2.1.5 Sensores de aceleración ... 16
2.3 EL CAMINO DE LA INFORMACIÓN ... 17
2.3.1 TRANSDUCTOR. ... 17
2.3.2 ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL ... 18
2.3.3 VISUALIZACIÓN DE LA SEÑAL ... 18
ii
3. METODOLOGÍA ... 21
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 23
4.1 DESARROLLO DEL REGISTRADOR DE DATOS ... 23
4.1.1 ARDUINO MEGA 2560 ... 24
4.1.2 HARDWARE EXTERNO ... 26
4.1.2.1 Acelerómetro MMA7361 ... 27
4.1.2.2 Potenciómetro de giro del volante y posición del acelerador ... 30
4.1.2.3 Módulo GPS ... 33
4.1.2.4 Sensor infrarrojo de precisión ... 35
4.1.2.5 Tarjeta SD ... 36
4.2 DESARROLLO DEL SOFTWARE ... 37
4.2.1 ACELERÓMETRO ... 40
4.2.2 POTENCIÓMETRO VOLANTE ... 43
4.2.3 POTENCIÓMETRO PEDAL DEL ACELERADOR ... 45
4.2.4 MÓDULO GPS ... 46
4.2.5 SENSOR INFRARROJO DE PRECISIÓN ... 48
4.2.6 TARJETA SD ... 48
4.3 CONSTRUCCIÓN DEL DISPOSITIVO ... 49
4.3.2 PRESUPUESTO DEL PROYECTO ... 53
4.3.3 REGISTRADORES DE DATOS COMERCIALES ... 54
4.4 DISCUSIÓN DE RESULTADOS ... 56
4.4.1 INSTRUCCIONES DE USO DEL SISTEMA ... 59
4.4.2 INTERPRETACIÓN DE LOS DATOS OBTENIDOS ... 62
4.4.2.1 La trazada ... 62
4.4.2.2 La aceleración ... 65
4.4.2.3 Tiempo de vuelta ... 69
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. ... 70
iii 5.2 RECOMENDACIONES ... 72
BIBLIOGRAFÍA ... 73
iv
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Estructura básica de programación ... 10
Tabla 2. Estructura básica de inicio en setup ... 10
Tabla 3. Estructura básica de loop ... 11
Tabla 4. Categorías de la Comisión Internacional de Karting ... 20
Tabla 5. Especificaciones técnicas del Arduino Mega 2560 ... 25
Tabla 6. Ajuste de sensibilidad ... 28
Tabla 7. Especificaciones del sensor MMA7361 ... 28
Tabla 8. Conexiones entre el acelerómetro y Arduino Mega2560 ... 29
Tabla 9. Conexiones entre el módulo GPS y la tarjeta Arduino Mega2560 ... 34
Tabla 10. Características del sensor infrarrojo industrial ... 36
Tabla 11. Conexión de la tarjeta SD con Arduino Mega2560 ... 36
Tabla 12. Tipos de datos ... 38
Tabla 13. Asignaciones compuestas ... 38
Tabla 14. Tipos de cable ... 39
Tabla 15. Presupuesto detallado del estudio ... 53
Tabla 16. Costo total del proyecto ... 53
Tabla 17. Características de algunos registradores de datos comerciales ... 54
Tabla 18. Características del registrador de datos basado en Arduino ... 55
v
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Esquema de bloques general de un microcontrolador ... 5
Figura 2. Esquema de adquisición de datos ... 6
Figura 3. Tarjeta Arduino ... 7
Figura 4. Tarjeta Raspberry Pi ... 8
Figura 5. Interacción del sensor ... 12
Figura 6. Funcionamiento del GPS ... 16
Figura 7. Sistema de medición y los elementos que lo conforman ... 17
Figura 8. Kart de competición ... 19
Figura 9.Tarjeta Arduino Mega 2560 ... 24
Figura 10.Diagrama de pin Arduino Mega 2560 ... 26
Figura 11.Descripción de pines del sensor MMA7361 ... 27
Figura 12.Diagrama de componentes de fuerza en 3D ... 29
Figura 13.Conexiones entre el acelerómetro y Arduino Mega2560 ... 30
Figura 14.Símbolo del potenciómetro ... 30
Figura 15. Resistencia terminal de un potenciómetro: (a) entre terminales exteriores; (b) entre las tres terminales ... 31
Figura 16. Conexión entre el potenciómetro de giro del volante y la tarjeta Arduino Mega2560 ... 32
Figura 17.Conexión entre potenciómetro del pedal del acelerador y la tarjeta Arduino Mega2560 ... 33
Figura 18.Módulo GPS6MV2 ... 34
Figura 19. Conexiones entre el módulo del GPS y la tarjeta Arduino Mega2560 ... 35
Figura 20.Sensor infrarrojo industrial ... 35
Figura 21.Conexión de la tarjeta SD con Arduino Mega2560 ... 37
Figura 22.Inclusión de librería y variables ... 40
Figura 23.Preparación del programa ... 41
Figura 24.Programación secuencial ... 41
Figura 25.Datos de salida ... 42
vi
Figura 27.Programación del volante ... 44
Figura 28.Diagrama de bloque del volante ... 45
Figura 29.Programación del pedal del acelerador ... 45
Figura 30.Diagrama de bloques del pedal del acelerador ... 46
Figura 31.Programación del módulo GPS ... 47
Figura 32.Diagrama de bloques del módulo GPS ... 48
Figura 33.Programación de la tarjeta de memoria ... 49
Figura 34. Conexión de los sensores en conjunto ... 50
Figura 35. Forma de recepción de datos ... 50
Figura 36. Diagrama de bloques de funcionamiento del sistema ... 51
Figura 37. Características técnicas del dispositivo ... 52
Figura 38. Adaptación del volante y pedal ... 52
Figura 39.Graficas estática de interpretación de datos ... 58
Figura 40.Graficas dinámica de interpretación de datos ... 58
Figura 41.Indicador de encendido ... 59
Figura 42.Indicador de error ... 59
Figura 43.Indicador de funcionamiento ... 60
Figura 44. Perillas ... 61
Figura 45.Panel frontal del registrador de datos ... 62
Figura 46.Trazada de prueba ... 63
Figura 47.Aceleración en los 3 ejes ... 66
Figura 48.Fuerza g ... 67
Figura 49.Giro del volante ... 67
vii
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA ANEXO 1.
viii
RESUMEN
ix conductor aficionado pueda contar con las herramientas adecuadas para mejorar en su conducción y mantenerse competitivo mediante la toma de decisiones basándose en el análisis de los datos del sistema obtenidos mediante pruebas comprendiendo que solo con la práctica puede llegar a mejorar y optimizar la conducción.
x
ABSTRACT
In this project we studied the data acquisition systems used in motorsports, as well as the sensors that capture physical quantities such as the steering angle, the accelerator pedal position, the lap time, the lateral acceleration and the position. The sensors measured these parameters providing information to the device that collected the data based on an Arduino platform and recorded them in a SD memory, being these devices the hardware part of the system. To develop the software, LabVIEW was used to graphically interpret the information obtained. In this study, it was possible to develop a low cost data acquisition system, compared to commercial acquisition systems. This device is simple to use. It has three LEDs of different colors that report when the device is on with a white color, when there is an error on the SD card with a red and when in operation with a green; it is lightweight and compact for portability. It can be powered by a nine volt battery or plugging it, via USB, to a computer. Once the variables are measured, this information allows the pilot to analyze what aspects can improve in their driving behavior by identifying the ideal line and trying to follow it, as well as the acceleration transmitted by the accelerator pedal and turning the steering wheel will have a direct action on speed as it can produce understeer or oversteer when turning the steering wheel too early or too late, or in special cases overtaking generated by a sudden movement of the steering wheel and these aspects will infuse directly in time obtained back. Because the device is not installed in a vehicle, a typical driving pattern was simulated. The data on a computer as it is now essential to have a system of data acquisition for the pilot to record his progress through analysis in the form of driving and improve on it. This project was developed in order that the amateur driver can improve their driving and stay competitive by making decisions based on the analysis of the system data obtained by testing tools, and understanding that only with practice you can improve and optimize your driving.
1
1. INTRODUCCIÓN
El karting es el primer paso que un piloto dará para ingresar al mundo de la competición. Además, este deporte se caracteriza la fusión de propulsión mecánica con la tecnología, siendo la adquisición de datos una herramienta fundamental para que el piloto mejore su desempeño. Por este motivo, la presente tesis se enfoca en la búsqueda de sistemas de registro de datos de bajo costo que permita al conductor amateur integrarse al mundo del karting. El karting nace en 1956 en una base área de Estados Unidos donde Arthur Ingels, considerado como el padre del karting, decide crear una especie de coche con elementos que tenía a la mano tales como tubos de acero, piezas en des-uso y un motor de cortar césped con lo que da vida al primer kart. Al inicio de la historia del karting, los karts escasamente alcanzaban los cincuenta kilómetros por hora pero los mismos tuvieron un desarrollo constante. No fue hasta el año de 1957 que inician las competencias de karting las cuales se realizaban en estacionamientos o sitios similares en donde los pilotos consideraban apto para correr sus coches. El karting comienza a expandirse en el año de 1960 con su llegada a Italia y Europa con lo que en poco tiempo gana gran popularidad y aficionados al mismo para posteriormente llegar a España en los setenta. En conclusión, hace más de medio siglo lo que comenzó como el producto del aburrimiento, se convirtió en una disciplina única y vital en el automovilismo deportivo (Molano Galeano, 2011).
2 decir consta con una pantalla LCD y es utilizado como un dispositivo independiente. Registradores y adquisición de datos se utilizan simultáneamente pero no son lo mismo ya que un registrador de datos necesariamente incluye la adquisición de los datos pero la adquisición de datos no necesariamente utiliza un registrador.
Los registradores de datos con software y hardware privado utilizados en el ámbito profesional del karting son el MyChron(plus, gold, extreme) pertenecientes a la empresa AiMSports y el( PRO+LV y el Astro LV) pertenecientes a la empresa Alfano los cuales se concentran en medir los siguiente parámetros: tiempos de vuelta, tiempos parciales, GPS, RPM, velocidad de la rueda, posición de marcha, temperatura, sensor del freno, sensor del volante, sensor lambda, entre otras según la versión que obtenga, mientras que los registradores de datos de bajo costo incluyen software gratis para registrar los datos, desarrollados en programas tales como LabVIEW o Signal Express. Estos programas gozan de un entorno interactivo para graficar y registrar datos sin requerir un conocimiento amplio de programación.
En competición es muy importante entender los datos obtenidos para así poder mejorar la puesta a punto del kart, mejorar la habilidad de conducción del piloto y su rendimiento en competencia a partir del análisis de su conducción a través de la adquisición de datos, examinando su forma de conducir en detalle, ya que en el mundo del automovilismo ganar una milésima de segundo puede representar la diferencia entre la victoria y la derrota.
3 Mediante este sistema de registro de datos que recogerá información de los sensores para guardarlos en una interfaz y posteriormente analizarlos. Se genera un historial del conductor para que de esta manera pueda observar en que parámetros puede cambiar su estilo de conducción para mejorar la misma, ya que no basta con tener los datos y medirlos, sino que se tiene que hacer algo con ellos, por lo que se tiene que dedicar tiempo y esfuerzo a convertir esos datos en resultados viables para el piloto.
El uso de software libre se da con la finalidad de brindar acceso al conocimiento y de generar un sistema asequible, debido a que se tendrá una libertad de trabajo al momento de usar un programa o adquirir un código de fuente de la misma. Además, los derechos de como la copia y distribución del programa serán libres, lo que permite compartir conocimiento y de esta manera formar comunidades de aprendizaje para modificar o mejorar el programa.
4
2. MARCO TEÓRICO
2.1 SINGLE BOARD COMPUTERS (SBC)
Los ordenadores de una placa u ordenador de placa reducida (en inglés: Single Board Computers) son equipos completos con todos sus componentes integrados en una sola placa. El diseño se centra en un microprocesador con la memoria del programa (RAM), interfaces de entrada/salida, memoria de solo lectura (ROM). La mayoría de ordenadores de una placa realizan todas las funciones de una computadora estándar pero éstas son de un tamaño reducido y permiten aprender sobre el hardware y software del ordenador. Son utilizadas por ingenieros, electrónicos y aficionados debido a que no requiere mucho conocimiento en programación. Una muestra de los ordenadores de una placa son:
Arduino. Raspberry Pi. Banana Pi. Cubieboard.
Un SBC es una computadora completa en una sola tarjeta. La tarjeta incluye procesador, RAM, (entradas/salidas) y (puertos / dispositivos de red) para la interconexión. Los Ordenadores de una placa se utilizan como computadoras de bajo costo en el ámbito académico y de investigación. El uso de las computadoras de una sola placa es muy frecuente, muchos individuos y organizaciones han desarrollado y lanzado productos bases totalmente funcionales en las computadoras de una sola placa (Pajankar, 2015).
2.1.1 MICROCONTROLADORES
5 unidad central de procesos (CPU), memorias (ROM Y RAM), y líneas de entrada/salida (periféricos), lo que indica que en su interior contiene las unidades funcionales de una computadora. Un microcontrolador está diseñado para reducir costos económicos y consumo de energía de un sistema por lo cual el tamaño de la CPU, la cantidad de memoria y los periféricos variarán de acuerdo a la aplicación que la quieran dar. Los microcontroladores son dispositivos electrónicos versátiles, capaces de procesar señales de cualquier tipo de sensor, pueden utilizarse para diferentes fines como: manejo de sensores, controladores, control de motores, calculadoras, etc… (Valdés, 2007).
Al ser fabricado el microcontrolador no contiene datos en la memoria ROM. Para ejecutar algún proceso es necesario especificar su funcionamiento por software a través de programas que generen las instrucciones que el microcontrolador deba ejecutar. Para ello debe ser codificado en sistema numérico hexadecimal que es el formato con el cual trabaja el microcontrolador (Valdés, 2007).
El microcontrolador en definitiva es un circuito integrado que incluye todos los componentes de un computador. Debido a su reducido tamaño es posible montar el controlador en el propio dispositivo al que gobierna como se observa en la figura 1 (Pérez, 2013).
Figura 1. Esquema de bloques general de un microcontrolador
6 2.1.2 TARJETAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS.
La adquisición de datos es la toma de muestras del mundo real, es decir señales físicas que se desea medir mediante un sensor para convertirlas en señales eléctricas, y de esta manera generar datos que puedan ser manipulados por un ordenador. Se necesita una etapa de acondicionamiento de señal física a digital. A este intermediario se lo conoce como tarjeta de adquisición de datos y una vez los datos se encuentren en una memoria se puede procesar de una mejor manera para ayudar en la toma de decisiones. Los sistemas de adquisición de datos pueden adoptar la forma de un instrumento en especial diseñado para ese fin, el cual se conoce como registrador de datos como se indica en la figura 2 (Bolton, 2014).
Figura 2. Esquema de adquisición de datos
(Bolton, 2014)
2.1.2.1 Arduino
7 utilizar en clase pero que funcione bajo cualquier sistema operativo (Pérez, 2013).
Arduino es una plataforma de código abierto basado en hardware y software libre, basada en una sencilla placa que cuenta con entradas y salidas analógicas/digitales y un entorno de desarrollo que requieren programar al microcontrolador para que este siga instrucciones. Estas instrucciones se escriben utilizando lenguaje de programación para lo cual se puede usar el Arduino Programming Language (basado en Wiring) y el Arduino Development Environment (basado en processing) para de esta manera poder programar y configurar el sistema de acuerdo a cada necesidad, Arduino está diseñado tanto para programadores experimentados como aficionados a la misma, debido a que no requiere de un conocimiento extenso de programación y que de esta manera se pueda crear objetos o entornos interactivos donde el límite es la imaginación (Arduino, 2016). Las placas como la que se observa en la figura 3 se pueden ensamblar a mano o encargarlas pre ensambladas; el software se puede descargar gratuitamente. Los diseños de referencia del hardware (archivos CAD) están disponibles bajo licencia open-source, por lo que el usuario es libre de adaptarlas a sus necesidades. Arduino recibió una mención honorífica en la sección Digital Communities del Ars Electronica Prix en 2006 (Arduino, 2016).
Figura 3. Tarjeta Arduino
8 2.1.2.2 Raspberry Pi
Raspberry Pi se crea como fundación sin ánimo de lucro desde el 2001 pero que llega a su auge en el 2012. Esta placa computadora de bajo costo fue desarrollada en el Reino Unido, diseñada con el fin de estimular la enseñanza de computación en las escuelas y que pueda llegar a la mayor cantidad de usuarios posibles. Este mini ordenador cuenta con una serie de conexiones, puertos de entrada y salida de propósito general, que permite realizar interfaces de hardware como el control de otros dispositivos, encendido y apagado de luces, etc… (Raspberry , 2016).
Este mini ordenador no es más grande que una tarjeta de crédito, pero cuenta con varios puertos desde entradas USB para conectar ratones, teclados, etc… hasta puertos de conexión a internet, conexión de HDMI, salidas de altavoces, salida de video y algunos puertos más dependiendo de la placa que se adquiera. En su placa viene alojada un chip que contara con un procesador RAM, observando de esta manera que cumple con todas las funciones que ofrece una computadora. Para poder usar esta tarjeta primero se debe descargar en una tarjeta SD un programa que permita ejecutar un sistema operativo basado en Linux. Una vez insertada la tarjeta SD se debe dar corriente a la tarjea Raspberry Pi mediante un cargador de celular para poder empezar a utilizarla. La atracción principal de esta tarjeta que se puede observar en la figura 4, es que se puede realizar lo mismo que en una computadora de escritorio pero a un precio accesible y con un tamaño cómodo para ser transportado (Pajankar, 2015).
Figura 4. Tarjeta Raspberry Pi
9 2.1.2.3 Comparación entre Arduino y Raspberry Pi
Arduino y Raspberry Pi son los exponentes más representativos de hardware libre en la actualidad, ya que han ganado una gran cantidad de adeptos en muy poco tiempo debido a la sencillez de su uso como a la de costo de adquisición de las mismas. Tienen un sin número de posibilidades de uso de acuerdo al proyecto que se va a desarrollar. El Raspberry Pi es un mini ordenador en la cual se tiene una tarjeta autónoma con una funcionalidad superior a la de Arduino, pero Arduino simplifica el proceso de abstracción del microcontrolador de modo que ofrece una ventaja significativa para los usuarios menos experimentados; su sistema operativo es compatible con Windows, es más barato que Raspberry Pi y su lenguaje de comunicación es más amigable, cuenta con una gran cantidad de modelos con diferentes características en cuanto a tamaño, formas, funciones y precios. Así mismo todos los modelos Arduino tienen microcontroladores y son capaces de comunicarse con un ordenador por medio de una conexión USB. Existen muchos modelos de sensores que se pueden conectar al Arduino y lograr resultados óptimos. Su funcionamiento es relativamente fácil ya que se tiene una interfaz de entrada conectada a los periféricos la cual llevará la información al microcontrolador que es la encargada de procesar los datos y comunicar la información obtenida a través de la interfaz de salida donde se puede conectar a una pantalla para mostrar la versión final de los datos.
2.1.3 LENGUAJE DE PROGRAMACIÓN UTILIZADO POR ARDUINO
La estructura básica del lenguaje de programación de Arduino es simple y se compone de al menos dos partes. Estas dos partes fundamentales, o funciones, encierran bloques que contienen declaraciones, estamentos o instrucciones mostradas (Arduino, 2016).
10
Tabla 1. Estructura básica de programación Primera parte Segunda parte
Void setup Void loop
{ {
Estamentos; Estamentos;
} }
(Arduino, 2016)
En donde setup() es la parte encargada de recoger la configuración y loop() es la que contiene el programa que se ejecutará cíclicamente. Ambas funciones son necesarias para que el programa trabaje (Arduino, 2016). La función de configuración “setup” debe contener la declaración de las variables. Es la primera función a ejecutar en el programa, se ejecuta sólo una vez, y se utiliza para configurar o inicializar el modo de trabajo de las entradas/salidas, configuración de la comunicación en serie y otras (Arduino, 2016).
En la tabla 2 se describe un ejemplo de la declaración de inicio con la que se ejecuta un programa, en donde se declara el estado de señal con los que van a funcionar sea alto o bajo, así como los pines de entrada y salida que se va a utilizar.
Tabla 2. Estructura básica de inicio en setup Programación Observaciones
Void setup()
{
pinMode(pin, OUTPUT); // configura el pin como salida
digitalWrite(pin, HIGH); // pone el pin en estado HIGH
}
11 La función setup() se llama una sola vez cuando el programa inicia. Debe ser incluido en un programa aunque no haya declaración que ejecutar. Así mismo se puede utilizar para establecer el estado inicial de las salidas de la placa (Arduino, 2016).
Después de llamar a setup(), la función loop() se ejecuta de forma cíclica, lo que posibilita que el programa esté respondiendo continuamente ante los eventos que se produzcan en la placa (Arduino, 2016).
La función bucle “loop” contiene el código que se ejecutará continuamente, esta función es el núcleo de todos los programas de Arduino y la encargada de realizar la mayor parte del trabajo (Arduino, 2016).
En la tabla 3 se observa un ejemplo de la estructura de programación básica que se encuentra en void loop, definiendo el tiempo y la instrucción que se repite constantemente mientras funcione el programa.
Tabla 3. Estructura básica de loop Programación Observaciones
Void loop()
{
digitalWrite(pin, HIGH); // pone en uno (on, 5v) el pin
delay(1000); // espera un segundo (1000 ms)
digitalWrite(pin, LOW); // pone en cero (off, 0v.) el pin
delay(1000);
}
(Arduino, 2016)
2.2 SENSORES
12 El término sensor se refiere a un elemento que produce una señal relacionada con la cantidad medida. La señal de salida de un sensor no suele ser válida para su procesado por los circuitos actuadores, por lo tanto necesita ser adaptada y amplificada (Serna, 2010).
Un sensor es un dispositivo que, a partir de la energía del medio donde es medida, arroja una señal de salida en función de la variable medida como se observa en la figura 5. Sensor y transductor se emplean a veces como sinónimos, pero sensor sugiere un significado más extenso, la ampliación de los sentidos para adquirir conocimiento de cantidades físicas que, por su naturaleza o tamaño, no pueden ser percibidas directamente por los sentidos. Transductor en cambio, sugiere que la señal de entrada y la de salida no deben ser homogéneas (Pallás, 2003).
Figura 5. Interacción del sensor
(Alciatore, 2008)
2.2.1 CLASIFICACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE LOS SENSORES
En la actualidad se tiene una gran cantidad de sensores por lo cual se dificulta hacer una clasificación única pero entre los más generales se encuentran los sensores que de acuerdo a su principio de funcionamiento se dividen en activos y pasivos.
13 los conoce como generadores de señal. Un sensor es activo cuando la magnitud física a detectar proporciona la energía necesaria para la generación de la señal eléctrica (Dominguez, 2012).
Los sensores pasivos son aquellos que requieren de una alimentación para poder realizar su función y solo detectan dos estados abierto y cerrado por los que se los conoce también como detectores binarios.
Los sensores pasivos necesitan de un dispositivo electrónico para ser activados. Los más usuales son del tipo mecánico y se utilizan fundamentalmente para determinar posiciones (Serna, 2010).
La respuesta que proporciona un sensor depende de la magnitud física que puede ser detectada y traducida en una variación eléctrica y del principio físico en que se base. Según el principio de funcionamiento se pueden clasificar los sensores en (Dominguez, 2012):
Magnéticos. Por efecto hall.
De conductividad eléctrica. Termoeléctricos.
Fotoeléctricos. Piezoeléctricos. Por ultrasonidos. Por radiofrecuencia.
Interruptores y conmutadores.
14 2.2.1.1 Sensores de velocidad
El sensor de velocidad detecta la velocidad real a la que se desplaza el vehículo ya sea lineal o angular. Entre ellas se tiene varios tipos de sensores que dan a conocer la velocidad de giro de un motor tales como los sensores basados en el corte de un haz luminoso a través de un disco perforado sujetado al eje del motor. Dependiendo de la frecuencia con la que se corte el haz luminoso indicará la velocidad a la que se encuentra el motor. En la actualidad, los sensores de velocidad en su mayoría son de efecto hall la cual garantiza la calidad de señal digital aun estando en bajas revoluciones (López, 2015).
2.2.1.2 Sensores de posición
Los sensores de posición sirven para detectar recorridos y posiciones angulares en relación a un punto de referencia y son los más utilizados en el campo automotriz. Los más usados son los sensores de contacto por su funcionamiento y economía. Estos sensores se los puede utilizar en los pedales de acelerador y freno. También se tienen los sensores sin contacto los cuales no tienen contacto físico entre el objeto y el sensor.
El sensor de posición del acelerador va montado en el cuerpo del pedal del acelerador y convierte el movimiento del pedal del acelerador y su posición en dos o tres señales eléctricas de acuerdo a su diagrama de funcionamiento. Existen dos tipos de sensores de posición del pedal del acelerador, el tipo lineal y el tipo de elemento hall (Dominguez, 2012).
2.2.1.3 Potenciómetros
15 resistor al cual se le puede variar su resistencia y de esta manera controlar la intensidad de corriente si la conecta en paralelo o controlar la diferencia de potencial si se lo conecta en serie (Bolton, 2014).
El potenciómetro rotacional está compuesto de un canal circular con devanado de alambre o por una capa de plástico conductor. Sobre la pista rota un contacto deslizante giratorio y esta puede ser una sola circunferencia o helicoidal. Si la resistencia de la pista por unidad de longitud es constante, entonces la salida es proporcional al ángulo a lo largo del cual gira el deslizador. En este caso un desplazamiento angular se puede convertir en una diferencia de potencial (Bolton, 2014).
2.2.1.4 Global Position System (GPS)
El sistema de posicionamiento global (GPS) es un sistema de navegación basado en satélites y está integrado por 24 satélites que se encuentran puestos en órbita por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos. El GPS funciona las 24 horas del día en cualquier parte del mundo sin importar la condición climatológica (Ravizé, 2016).
16 satélites GPS, puede calcular su posición en tres dimensiones: longitud, latitud y altitud (Ravizé, 2016).
Figura 6. Funcionamiento del GPS
(Ravizé, 2016)
2.2.1.5 Sensores de aceleración
Los sensores de aceleración pretenden detectar las aceleraciones en las curvas y variaciones de velocidad en los vehículos. La magnitud de medición de la misma es la fuerza ya que es el resultado de la aceleración que sufre un cuerpo así cada vez que el sensor pase por una curva a alta velocidad se medirá la fuerza que experimenta el vehículo y de esta manera conocer las fuerzas G que soportan. Los sensores de aceleración se clasifican por: efecto hall y capacitivos (Sáenz, 2010).
El sensor de aceleración de efecto hall para un correcto funcionamiento deberá ser instalado lo más cerca posible del centro de gravedad del vehículo, ya que indicará si existen fuerzas laterales que intenten sacar el vehículo de la trayectoria deseada así como detectar su intensidad (Meganeboy, 2014).
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2.3 EL CAMINO DE LA INFORMACIÓN
Se puede considerar que el camino que toma la información consta de tres partes, la primera es el sensor que toma la magnitud física de su entorno dada como salida una señal relacionada con la cantidad medida. Como segundo el acondicionador de la señal toma la señal del sensor y la manipula para que en la tercera parte, el sistema de presentación visual despliegue la salida que produjo el acondicionador de señal como se observa en la figura 7 (Bolton, 2014).
Figura 7. Sistema de medición y los elementos que lo conforman
(Bolton, 2014)
2.3.1 TRANSDUCTOR.
Un transductor es un dispositivo que proporciona una salida utilizable en respuesta a una magnitud física que se desea medir. Generalmente se trata de un dispositivo utilizado para convertir un fenómeno físico en una señal eléctrica.
Los transductores se definen como un elemento que al someterlo a un cambio físico experimenta un cambio relacionado (Serna, 2010).
18 transductor, y la señal de salida podría ser de cualquier forma física útil (Pallás, 2003).
2.3.2 ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL
La señal de salida del sensor por lo general debe ser procesada de una forma adecuada para la siguiente etapa de la operación. La señal puede ser muy pequeña y sería necesario amplificarla. Si es analógica, requiere su digitalización, y si es no lineal, requiere su linealización. A todas estas modificaciones se las conoce con el término de acondicionamiento de señal las mismas que se podrán realizar interconectándose con un microprocesador mediante puertos que requieren entradas de tipo digital (Alciatore, 2008).
Un acondicionador de señal toma la señal del sensor y la manipula para convertirla a una forma adecuada para su presentación visual o en el caso de un sistema de control para ejercer una acción de control (Bolton, 2014).
2.3.3 VISUALIZACIÓN DE LA SEÑAL
Para presentar datos se cuenta con una amplia gama de elementos que se clasifica en dos grupos: indicadores y registradores. Los indicadores proporcionan una indicación visual instantánea de la variable medida, mientras que los registradores graban la señal de salida durante cierto tiempo y proporcionan en forma automática un registro permanente. El registrador es la opción más deseable si el evento tiene una alta velocidad y es imposible que un observador lo siga o bien si existe una gran cantidad de datos (Bolton, 2014).
19 datos adquiridos en forma individual para su mejor comprensión (Bolton, 2014).
2.4 VEHÍCULOS KARTING.
Los karts son vehículos monoplazas terrestres de 4 ruedas no alineadas de las cuales 2 ruedas aseguran la tracción y las otras 2 ruedas la dirección, no posee suspensión, tiene un bajo centro de gravedad, los motores montados en estos vehículos y que dan propulsión no pasan los 400 centímetros cúbicos, es propenso al derrape, estos vehículos se utilizan para entretenimiento o para competiciones deportivas, dichas competiciones se desarrolla en circuitos cerrados con sus respectivos dispositivos de seguridad, teniendo en cuenta que aunque se cumpla con las normas de seguridad este deporte constituye una práctica de riesgo, en la figura 8 se puede observar un kart de competición, en la cual se puede apreciar los parámetros mencionados anteriormente (León, 2014).
Figura 8. Kart de competición
20 De acuerdo al motor que se encuentra montado en el chasis del kart se los clasifica para su competición en categorías, en la mayoría de competencias se utiliza un motor de 125 centímetros cúbicos y de acuerdo a la categoría en la que se requiere competir va a tener limitaciones de revoluciones, así como la edad para poder concursar en la misma, la cual se puede observar las diferentes categorías detalladamente en la tabla 4 (Santín , 2013).
Tabla 4. Categorías de la Comisión Internacional de Karting
(CIKFIA, 2015)
21
3. METODOLOGÍA
El presente estudio tiene por objeto realizar un análisis de lo importante que es la toma de datos de un vehículo, a través del desarrollo de un simulador de control y registro de datos técnicos, para que el piloto logre comprender el estado en el que se encuentra la máquina, brindándole una absoluta confianza en la misma y proporcionando un equilibrio proporcional entre el hombre y la máquina, la cual se verá reflejada en los resultados de competencia, tomando como referencia la base histórica de datos que se genera mediante el sistema de registro de datos de Arduino y que posteriormente se visualiza gráficamente en LabVIEW, el piloto puede seguir paso a paso su progreso y poder trasladar esta información a su forma de conducción para mejorar en el progreso de sus habilidades, ya que no importa que tanta potencia tenga el vehículo si el piloto no sabe manejarla adecuadamente y mediante este proyecto tratar de mantener el mayor número de circunstancias bajo control.
Para la elaboración del dispositivo se necesitó varios materiales considerados como hardware externos que complementen la función de registro de datos, tanto en la toma de las magnitudes físicas encontradas alrededor de los sensores como la interpretación de la señal que se realiza en el dispositivo, se logró crear un dispositivo compacto mediante la unión de las partes por medio de cables eléctricos cortos que actuaron como vía para que sea posible transcurrir una señal, localizados dentro de una pequeña caja compacta que es liviana para poder ser transportada sin ningún inconveniente, teniendo como hardware especifico los siguientes materiales:
Sensores. Potenciómetros. Caja.
22 Destornilladores.
Para la operación del dispositivo fue necesario el uso de herramientas de programación tanto para receptar los datos como para poder interpretarlos para lo cual se utilizó las siguientes herramientas mencionadas a continuación:
Plataforma libre Arduino.
Software de programación LabVIEW. Computadora.
Se analizaron elementos que tienen que ver con la ingeniería básica del producto que se deseó implementar, para ello se tuvo que hacer la descripción detallada del mismo con la finalidad de mostrar todos los requerimientos para hacerlo funcional, mediante el uso de métodos de investigación, la cual permitió el desarrollo del tema de una forma experimental para un mejor entendimiento en función de los conocimientos adquiridos en la vida estudiantil, por tal motivo el presente proyecto posee el debido sustento científico.
Para el análisis del dispositivo se empleó el método deductivo, debido a que permite partir de un conocimiento general para lograr un conocimiento particular, es decir de nuestro conocimientos generales sobre las bases de datos utilizados en el ámbito del deporte del automovilismo, para poder establecer los diferentes parámetros principales que son objetivo de análisis en conducción, dentro de los cuales pueden causar una modificación y promover una mejora en la conducción del piloto en competencia (Cegarra, 2011).
23
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
4.1 DESARROLLO DEL REGISTRADOR DE DATOS
En el presente capítulo se describe los detalles físicos del proyecto, es decir el hardware utilizado y los elementos externos tales como sensores que servirán para la recolección de los datos. Ya que el propósito es diseñar e implementar un registrador de datos usando una plataforma libre, y luego de haber realizado el análisis de diferencias entre el Arduino y Raspberry Pi, así como las necesidades del proyecto, y teniendo en cuenta el presupuesto, se optó como mejor opción el Arduino Mega2560. Esta tarjeta ofrece los suficientes pines de entrada y salida para recolectar la información, así como también para conectar los dispositivos externos para el correcto funcionamiento del registrador de datos.
Al manejar, cada persona está acostumbrada o bien tiene una forma de conducir arraigada y cree que es la mejor manera de hacerlo. Sin embargo, mediante el análisis de su conducción y con la ayuda de algunos parámetros que permiten censar los caracteres de la misma, se pueden identificar estos patrones para que el conductor pueda mejorar su forma de conducción mediante la ayuda de un registrador de datos. Esto es fundamental en el automovilismo deportivo, ya sea profesional o aficionado.
Para realizar el registrador de datos es necesario recopilar las magnitudes físicas a monitorear. En este caso se monitorea 5 variables para su posterior análisis en un computador, para lo cual se necesita la ayuda de algunos sensores, para censar las magnitudes físicas que serán recolectadas por la tarjeta Arduino mega 2560, utilizada como interface entre las señales de los sensores y los datos que se registran en el computador.
24 aceleración, el cual va a tomar 3 datos cada una referente a un eje, y los potenciómetros, los cuales mediante adaptaciones podrán realizar la lectura tanto de posición del volante como el de posición del acelerador.
Todas las magnitudes físicas obtenidas se deben recopilar en una tarjeta de almacenamiento de datos masivos (Tarjeta SD). La cual recopilara la raid de datos, la misma que es una cadena de caracteres, por medio de bloques de programación en LabVIEW se leen los datos de la tarjeta SD y se interpreta una visualización en la pantalla de los datos registrados.
4.1.1 ARDUINO MEGA 2560
El Arduino MEGA 2560 es una placa electrónica basada en el ATmega 2560. Cuenta con 54 pines digitales de (entrada/salida), de las cuales 15 pueden utilizarse como salidas analógicas y 16 pines de entradas analógicas. Cuenta con 4 puertos de hardware serial, un oscilador de 16MHz, una conexión USB, un conector de alimentación y un botón de reinicio como se observa en la figura 9, con lo cual brinda mucho espacio y oportunidades para desarrollar proyectos complejos (Arduino, 2016).
Figura 9. Tarjeta Arduino Mega 2560
25 En la tabla 5 se puede observar las especificaciones técnicas que tiene la tarjeta Arduino Mega 2560.
Tabla 5. Especificaciones técnicas del Arduino Mega 2560
Microcontrolador ATmega 2560
Voltaje de funcionamiento 5V
Voltaje de alimentación (recomendada) 7-12V Voltaje de alimentación (límite) 6-20V
Pines digitales entrada/salida 54 (de las cuales 15 dan salida PWM) Pines de entrada analógica 16
Corriente continua para pines entrada/salida 20mA
Corriente continua para pines de 3,3V 50mA
Memoria flash 256KB, 8KB utilizado por el gestor de arranque
SRAM 8KB
EEPROM 4KB
Velocidad de reloj 16MHz
Longitud 101.52mm
Ancho 53.3mm
Peso 37g
(Bigtronica, 2016)
El Arduino Mega 2560 tiene un polyfuse reajustable que protege a los puertos USB del ordenador de una sobre corriente, aunque la mayoría de computadores cuentan con su propia protección, el fusible proporciona una protección adicional. El Mega 2560 puede ser alimentado a través de la conexión USB o con una fuente de alimentación externa; su fuente de alimentación se selecciona automáticamente. Los puertos seriales se identifican por (“RX” Y “TX”) donde RX se utiliza para recibir datos y TX para transmitir datos.
26
Figura 10. Diagrama de pin Arduino Mega 2560
(Bigtronica, 2016)
4.1.2 HARDWARE EXTERNO
27 4.1.2.1 Acelerómetro MMA7361
Los acelerómetros son dispositivos electromecánicos que miden fuerzas estáticas y dinámicas, miden la diferencia de velocidad ejercida sobre un objeto, la misma que se mide en metros sobre segundo al cuadrado o también conocidas como fuerzas g. El acelerómetro mide el cambio de velocidad pero cuando se encuentra estático la única aceleración que detecta es la gravedad que tira hacia debajo de este. Para calcular esta fuerza se usa la segunda Ley de Newton la cual indica que fuerza es igual a la masa por la aceleración (Circelli, 2015).
El acelerómetro es un instrumento de medida que proporciona lecturas de la variación de la aceleración de un móvil con el tiempo. En algunos casos los valores obtenidos se indican en unidades g (aceleración de la gravedad: 9.8m/s2) (Ibarra , 2007).
Este sensor es un acelerómetro analógico de 3 ejes (x,y,z), el cual soporta una fuerza máxima de hasta 6g. Es un dispositivo capacitivo que posee compensación de temperatura, auto prueba. Este sensor se observa en la figura 11, el cual consume poca energía por lo que lo hace ideal para utilizarlo en equipos portátiles ya que cuenta con el modo sleep para consumir aún menos energía así como también detección de 0g para caída libre.
Figura 11. Descripción de pines del sensor MMA7361
(Haro, 2015)
28 sensor. Además cuenta con el pin GND para tierra. La tarjeta cuenta con tres pines de control y uno de salida digital los cuales se detallará a continuación (Haro, 2015):
ST (Self Test): Es la función de auto verificación que permite comprobar la integridad mecánica y eléctrica del acelerómetro en cualquier momento antes o después de la instalación (Haro, 2015).
0g-Detect: el sensor ofrece una función que proporciona una señal lógica alta cuando los tres ejes están en 0g (Haro, 2015).
GS (g-Select): Esta característica permite la selección entre dos sensibilidades 1.5g o 6g. La sensibilidad se puede cambiar en cualquier momento durante la operación del acelerómetro (Haro, 2015).
En la tabla 6 se puede observar los ajustes de sensibilidad que se le programa al acelerómetro.
Tabla 6. Ajuste de sensibilidad
g-Select g-Rango Sensibilidad
0 1.5g 800 mV/g
1 6g 200 mV/g
(Haro, 2015)
En la tabla 7 se observa las especificaciones del sensor MMA7361.
Tabla 7. Especificaciones del sensor MMA7361 Bajo consumo de corriente 400 μA
Modo de espera 3 μA
Operación de baja tensión 2.2V-3.6V Alta sensibilidad 800 mV/g – 1.5g Sensibilidad seleccionable ±1.5g , ± 6g
Vuelta rápida tiempo de calentamiento 0.5 ms tiempo de respuesta activa
(Haro, 2015)
29 aplicada, esa fuerza se puede descomponer como componentes de fuerza parciales sobre los 3 ejes, es decir (Rx, Ry y Rz) como se observa en la figura 12 (Circelli, 2015).
Figura 12. Diagrama de componentes de fuerza en 3D
(Circelli, 2015)
Para que el acelerómetro funcione correctamente se realiza las siguientes conexiones con la tarjeta Arduino Mega2560 especificadas en la tabla 8.
Tabla 8. Conexiones entre el acelerómetro y Arduino Mega2560 Pin Acelerómetro Pin tarjeta Arduino Mega2560
Sleep Pin 13
Self test Pin 12
Og-detect Pin 11
g-select Pin 10
X Pin A0
Y Pin A1
Z Pin A2
3.3V 3.3V
3.3V Referencia
30 Una vez realizadas las conexiones se obtendrá el siguiente resultado que se observa en la figura 13.
Figura 13. Conexiones entre el acelerómetro y Arduino Mega2560
4.1.2.2 Potenciómetro de giro del volante y posición del acelerador
El potenciómetro es una resistencia variable que permite controlar la intensidad de corriente si se conecta en paralelo o la diferencia de potencial al conectarlo en serie. Este cuenta con tres terminales donde sus extremos son dos resistencias conectadas en serie y la del medio es una perilla, la cual varía la cantidad de resistencia total en dos resistencias de valor variable y cuya suma es la resistencia total, por lo que al mover la perrilla una aumenta y la otra disminuye. El potenciómetro se usa para el control de niveles de potencial, el símbolo para identificar a un potenciómetro se observa en la figura 14 (Boylestad, 2004).
Figura 14. Símbolo del potenciómetro
31 Los resistores variables pueden tener dos o tres terminales, si tiene dos terminales se lo conoce como reóstato pero si tiene tres terminales se lo conoce como potenciómetro, se aprecia la forma de medir la resistencia de un potenciómetro en la figura 15.
Figura 15. Resistencia terminal de un potenciómetro: (a) entre terminales exteriores; (b) entre las tres terminales
(Boylestad, 2004)
El potenciómetro registra una tensión variable dependiente de la posición del volante, conforme a una línea característica programada se calcula la posición del volante a partir de la tensión. Con el cual se va a identificar el ratio de dirección. En los vehículos de competición se emplean ratios de dirección bajos para agilizar la reacción, en el kart se expresa en una relación de 3:1 o de 4:1 la cual expresa el número de grados que se debe girar el volante para lograr el giro de un grado en las ruedas ya que tiene que presenciar cambios bruscos de trayectoria (García, 2005).
32 posición de manos. Se debe recordar que la función principal de la dirección es mantener un control preciso tanto en rectas como en curvas para poder maniobrar en altas y bajas velocidades sin mayor dificultad (García, 2005). Para la simulación del giro del volante se realiza un acople entre el volante y el potenciómetro de 100Hz. Mediante esta conexión se debe realizar un cálculo para determinar correctamente los grados que gira el volante con los grados que giro el potenciómetro y los datos enviados a la tarjeta, para que la tarjeta pueda interpretarlo correctamente se realiza la siguiente conexión que se observa en la figura 16 debido a que este actuará como sensor analógico.
Figura 16. Conexión entre el potenciómetro de giro del volante y la tarjeta Arduino Mega2560
33 que va acoplado a la perilla del potenciómetro con lo que transforma el movimiento lineal del pedal en movimiento angular que es detectado por el potenciómetro y este a su vez comunica a la tarjeta Arduino mediante la conexión que se puede observar en la figura 17.
Figura 17. Conexión entre potenciómetro del pedal del acelerador y la tarjeta Arduino Mega2560
4.1.2.3 Módulo GPS
Se obtiene los datos GPS del satélite y se guarda los datos en la tarjeta SD para posteriormente ser interpretado por el controlador de datos que trabaja con LabVIEW. Se utiliza el módulo GY-GPS6MV2 debido a su economía y porque cumple bien con su propósito. Este sensor viene con un módulo 6 U-Blox de serie integrado, cuenta con una EEPROM, indicador LED, conectores y una antena de cerámica, se transmite los datos mediante comunicación serial y trabaja con un voltaje de 3 a 5 voltios.
34 dejarse libre para que no se interrumpa la señal, esta antena es del mismo porte del sensor.
Figura 18. Módulo GPS6MV2
(Naylamp, 2016)
La conexión se realizará en dos fases una para transmitir los datos y otra para receptar la información del GPS por lo cual se realiza las siguientes conexiones entre el modulo GPS y el Arduino Mega 2560 como se puede observar en la tabla 9.
Tabla 9. Conexiones entre el módulo GPS y la tarjeta Arduino Mega2560 Pin módulo GPS Pin Tarjeta Arduino Mega2560
Vcc 3.3V
Rx Pin 7 y Rx1
Tx Pin 8 y Tx1
GND GND
35
Figura 19. Conexiones entre el módulo del GPS y la tarjeta Arduino Mega2560
4.1.2.4 Sensor infrarrojo de precisión
Se seleccionó el sensor infrarrojo de precisión para ayudar al sistema de cronometraje, este sensor se puede observar en la figura 20. También existen otras posibilidades de medir los tiempos de vuelta por medio de sensores magnéticos ya que en algunas pistas de kart cuentan con una banda magnética localizada al inicio de la pista, pero al ser un proyecto adaptable y no saber con especificación si la pista cuenta con dicha banda magnética se optó por la utilización del infrarrojo tipo barrera ya que es una solución barata y eficaz. Los sensores infrarrojos son utilizados principalmente para detección y posicionado de objetos. Al estar montado en el sistema de Arduino va a necesitar una caja de recepción pequeña alado de la pista.
Figura 20. Sensor infrarrojo industrial
36 En la tabla 10 se puede observar las características que posee el sensor infrarrojo.
Tabla 10. Características del sensor infrarrojo industrial
Alimentación 5V
Diámetro 18mm
Longitud 45mm
Corriente 100mA
Rango de detección 30cm-80cm
Cables Rojo (positivo), verde (negativo), amarillo (señal).
(Electronica, 2016)
4.1.2.5 Tarjeta SD
Una tarjeta SD (Secure Digital) es una pequeña tarjeta que permite guardar información y se diferencia por sus medidas, capacidad de almacenamiento y la velocidad que transmiten y copias datos. Debido a la factibilidad de uso y coste se optó por trabajar con una tarjeta SD de 2 gigabytes que es una cantidad suficiente para recolectar los datos del registrador, teniendo en cuenta de que el análisis se realizara posteriormente en el ordenador por lo cual para el siguiente almacenamiento de datos se puede formatear la tarjeta para contar con el suficiente espacio disponible. Además que los datos registrados se archivaran en formato “txt” por lo que al realizar el formateo de la tarjeta se lo realiza en (“fat” predeterminado) para de esta manera seleccionar el tipo de archivos que almacenara en su interior.
Al ser la tarjeta SD el medio por el cual se adquiere los datos de las variables censadas esta debe ser conectada a la tarjeta de Arduino como se puede observar en la tabla 11.
Tabla 11. Conexión de la tarjeta SD con Arduino Mega2560 Pin SD Pin tarjeta Arduino Mega2560
Cs Pin 53
Sck Pin 52
Mosi Pin 51
Miso Pin 50
Vcc Vcc
37 La conexión física de la tarjeta se puede observar en la figura 21.
Figura 21. Conexión de la tarjeta SD con Arduino Mega2560
4.2 DESARROLLO DEL SOFTWARE
En el presente capítulo se describe los aspectos necesarios para la programación del proyecto, ya que el código es la parte esencial para especificar las características de funcionamiento. La programación es necesaria para transformar la información de la adquisición de datos mediante Arduino en información digital, así como la visualización de los datos adquiridos mediante LabVIEW. Mediante la cooperación de estos dos sistemas de lenguaje de programación se puede obtener por completo la funcionalidad del registrador de datos.
38 programación de Arduino se tiene varios parámetros que ayudan a reconocer si la estructura del código está bien desarrollada recurriendo al uso de llaves para abrir y cerrar un bloque de instrucciones. Cada instrucción acaba con (;) y los comentarios se indican con (//). Dentro de los códigos se necesita evidenciar datos, variables, operaciones aritméticas, constantes y sentencias condicionales (Ruiz, 2007).
En la tabla 12 se presentan los tipos de datos que puede manejar Arduino.
Tabla 12. Tipos de datos
Dato Función
Byte Almacena un valor numérico de 8 bits. Int. Almacena un valor entero de 16 bits. Long. Almacena un valor entero de 32 bits.
Float. Almacena un valor decimal.
Array Conjunto de elementos al que se
accede con un número índice.
(Arduino, 2016)
Las operaciones aritméticas que incluye el entorno de programación son 4 básicas: suma, resta, multiplicación y división. De estas operaciones se pueden combinar con variables asignadas teniendo así las siguientes operaciones que se puede observar en la tabla 13 (Ruiz, 2007).
Tabla 13. Asignaciones compuestas formulación Igual que operación
X ++ X= x+1 Incrementa x en +1
x-- X= x-1 Decremento x en -1
X+=y X=x+y Incrementa x en +y
x-=y X=x-y Decremento x en –y
X *=y X=x*y Multiplica x por y
x/=y X= x/y Divide x para y
39 Al tratarse de constantes predefinidas el lenguaje de Arduino maneja las siguientes:
TRUE/FALSE.
HIGH/LOW.- Se emplean para lectura y escritura en entradas o salidas digitales donde HIGH es 1 y LOW es 0.
INPUT/OUTPUT.- Constantes usadas en la función pinMode () para definir el tipo de pin digital si es de entrada o salida (Ruiz, 2007).
Los programas de LabVIEW son llamados instrumentos virtuales o VI ya que su apariencia y operación imitan los instrumentos físicos. Al abrir un archivo nuevo VI se presentan 2 ventanas simultaneas una gris y una blanca. La gris es la interfaz de usuario la cual el cliente es la que va a usar y solo existen 2 tipos de objetos controles e indicadores. La ventana blanca se llama diagrama de bloques y ahí es donde se elabora el código y se le dice a la maquina cómo funcionará la aplicación y es lo que no se ve. Siempre se trabaja en forma simultánea las 2 ventanas.
Un control es un objeto que provee datos, es de borde grueso y tiene una flecha en su lado derecho y un indicador es el que recibe datos y los muestra es de borde delgado y tiene una flecha en su lado izquierdo, para juntar los terminales se los une por un cable de datos los cuales adquieren el mismo color de los terminales los cuales se identifican de la siguiente manera en la tabla 14 (NATIONAL INSTRUMENTS, 2016).
Tabla 14. Tipos de cable
Color Tipo de datos
Naranja Decimales o punto flotante.
Verde Boleano es decir verdadero o falso.
Azul Entero.
Morado Texto.
Negro No definido.
