Prototipo para la adquisición y visualización de datos en vehículos de competición

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Prototipo para la Adquisición y Visualización de

Datos en Vehículos de Competición

Por

Javier Raul Giamberardino

Trabajo Final de la carrera de grado de Ingenieria de Sistemas de la

Universidad del Centro de Provincia de Buenos Aires

Director: Ing.Mg. Lucas Leiva

Co-Director: Ing. Mg Martin Vazquez.

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Registrador de Datos - 2016

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Agradecimientos

Quisiera agradecer a todas a aquellas personas e instituciones

que influyeron directa e indirectamente en mi formación académica. A

la Universidad del Centro de la Provincia de Buenos Aires por haberme

reincorporado a la actividad académica luego de tantos años. A Martín

Vazquez y Lucas Leiva director y co-director respectivamente del

presente trabajo. Al profesor Fernando Oyhamburu y comunidad de la

escuela Tecnica N°1 de Necochea por su asesoramiento en materia de

electrónica. A mi familia por haberme apoyado durante tanto tiempo.A

mi sobrino Mauro Giamberardino que sin su valiosa información no

habria sido posible incorporarme al plan.

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Índice General

1. Introduccion

1.1 Antecedentes 1.2 Objetivos

1.3 Limitaciones y Alcances 1.4 Organización del trabajo

2. Sistemas de adquisición de datos en vehículos de competición

2.1 Introducción

2.2 Determinación de los parámetros a analizar 2.3 Análisis de la dinámica del vehículo

2.3.1. Análisis de la posición del Vehículo 2.3.2 Análisis de Velocidad

2.3.3 Análisis de Aceleraciones (centrípeta y lineal)

2.3.4 Análisis de rolido, deriva y cabeceo 2.3.5 Sobreviraje y Subviraje

2.4 Análisis de la Técnica de conducción

2.4.1 Análisis de posición de Acelerador 2.4.2 Análisis de posición del Volante 2.4.3 Análisis de cambio de marchas 2.4.4 Análisis de frenado

2.2.4.a Técnica del frenado de Arrastre

2.2.4.b Técnica de frenado en Apoyo (Asimétrica). 2.2.4.c Técnica de Freno Motor

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3. Desarrollo del sistema

3.1 Descripción general del Sistema

3.2 Sistema Hardware de Adquisición de Datos 3.2.1 Unidad de Procesamiento 3.2.2 Unidad de Almacenamiento

3.2.3 Sensor de posición y velocidad del vehículo

3.2.4 Sensor de posiciones de Acelerador, Freno y Volante 3.2.5 Sensor de posición de la palanca de cambio

3.2.6 Sensor de revoluciones del motor (R.P.M)

3.2.7 Sensor de valores de la dinámica del vehículo 3.2.8 Display de Cristal Líquido

3.3 Construcción de la Unidad Registradora.

3.4 Desarrollo del Software de Adquisición de Datos 3.5 Análisis y Comparación de Costos

3.6 Herramienta de Análisis y Visualización de Datos 3.6.1 Conversión y Procesamiento de Datos

3.6.2 Desarrollo del Software de Visualización y Análisis de Datos 3.6.3 Especificaciones de Herramientas Software

4. Procedimientos experimentales

4.1 Testeo en Vehículo de Calle

4.1.1 Instalación del Sistema de Adquisición en Vehículo de Calle 4.1.1.a Instalación del Sensor De Posición (GPS)

4.1.1.b Instalación De Los Sensores De Posición De Acelerador Y Freno

4.1.1.c Instalación del Sensor De Posición De Volante 4.1.1.d Instalación del Sensor Capacitivo (RPM)

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4.1.1.f Instalación del Sensor IMU

4.1.2 Calibración y Configuración 4.1.3 Recolección de Datos

4.1.4 Análisis de la Técnica de Conducción 4.1.4.a Análisis de Velocidad

4.1.4.b Análisis del Accionamiento del Pedal de Freno y Acelerador

4.1.4.c Análisis de Agilidad del Cambio de Marcha

4.1.4.d Análisis del Movimiento del Volante en Competición

4.1.4.e Análisis de la Ejecución de la Técnica de Frenado en Apoyo

4.1.4.f Análisis de la Transferencia de Carga entre Ejes 4.1.4.g Análisis de Transferencia de Cargas Laterales 4.1.4.h Análisis del Rendimiento del Motor

4.1.4.i Análisis de las Aceleraciones Soportadas por el Vehículo 4.1.4.j Análisis de la Elección de Trayectoria en Curva

4.2 Instalación del Sistema de Adquisición en un Vehículo de Competición 4.2.1 Pruebas

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Capítulo 1 Introducción

1.1 Antecedentes

Conocer el estado y comportamiento de un sistema es fundamental para realizar las correcciones que maximicen los beneficios y aseguren su correcto desempeño. El estado del sistema puede ser capturado a través de sensores que adquieren muestras a través del tiempo, de variables particulares que desean ser analizadas. De esta forma surgen los registradores de datos o dataloggers.

Un registrador de datos es un dispositivo electrónico que captura el estado de un objeto (móvil o no) en el tiempo. Los datos son recogidos por sensores y se almacenan en memoria interna para luego ser descargados y procesados en una computadora. Pueden funcionar autónomamente las 24 horas del día recogiendo información durante la duración del período de seguimiento. Esto permite tener una visión global y precisa de los sucesos ocurridos en un determinado momento.

Actualmente los registradores de datos son utilizados en:

 Estaciones meteorológicas no supervisadas: para el registro de temperatura, humedad, velocidad y dirección del viento, luz solar, lluvia caída, humedad del suelo. [pce instruments Datalogger de Viento 1_]

 Registro hidrológico: sensado de nivel del agua, caudal, conductividad del agua, PH del agua

 Boyas marinas: para ayuda en navegación

 Registradores de transito: permiten registrar cantidad de vehículos, velocidad, peso por eje, altura de los vehículos

 Logística y alimentos: medición para control de calidad de transporte de alimentos o medicamentos perecederos durante la cadena de frío, registradores con acelerómetros para control de altura de caída y vibraciones durante el

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 transporte de encomiendas delicadas, como es el caso de [Soltec registrador de

Calidad de ambiente]2_y_{[Deltatak Registrador de mercadería en Transito}_]3

 Registradores de investigación de fauna salvaje: seguimiento de tortugas marinas, collares para osos. [http://www.jmi.com.mx/monitoreo.htm]4

 Análisis del perfil de carga de consumo a la red eléctrica de industrias.

 Automotriz: Controlador de motor de los vehículos que registra eventos para identificar posibles fallas intermitentes.

 Transporte: registrador de datos de travesía, que se utilizan en barcos de mediano o gran porte y es obligatorio en los mayores de 300 toneladas; Cajas negras de los aviones que registran innumerables variables de vuelo.

 Medicina: registro de ritmos cardíacos (Monitor Holter)

 Deportes: para registrar diversos parámetros a fin de mejorar el rendimiento del deportista.

En el ámbito de los vehículos de competición, el estudio y conocimiento del funcionamiento de las partes integrantes del vehículo junto al monitoreo del modo de manejo del piloto, aportan una gran ventaja a aquellos equipos que lo realizan con respecto al resto.

Si bien ciertos parámetros que indican problemas de funcionamiento del vehículo pueden ser aportados por el piloto, éste debido a su condición humana y, al estar inmerso en una competencia puede olvidar alguno , no percatarse, confundirse y/o hasta ocultarlos con el fin de no exponer errores propios.

A fin de subsanar estos inconvenientes, una opción lógica es la de implementar un sistema electrónico capaz de registrar los eventos dinámicos surgidos a partir de la competencia automovilística de modo tal que esos registros sean un fiel reflejo de la realidad.

2http://www.soltec-cmc.com.ar/

3 http://www.deltatraklearning.com/_chile/productos/registradores-de-datos-en-transito

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La implementación de este sistema parte de la adquisición de datos recolectados por una serie de sensores colocados estratégicamente en aquellos lugares donde la persona que desea realizar el análisis crea conveniente. Esta información, es transmitida a un dispositivo registrador el cual puede procesar la información en caso que sea necesario y retransmitirla a un dispositivo que permita visualizar la información de manera gráfica (Fig. 1).

Figura 1: diagrama en bloque de sistema de registro de datos

Las restricciones a las importaciones imperantes en el país, hacen difícil o imposible adquirir un equipo registrador de datos importado. Este inconveniente se suma además a la poca oferta de estos equipos a nivel nacional. Debido a la solicitud de pilotos de categorías zonales Monomarca y Mar y Sierras B 5 _{de contar con un}

equipo adquisición de datos de bajo costo, resulta auspicioso el desarrollo con estas características.

5_{Esta categoría compite tanto en circuito de tierra como de asfalto en las ciudades de San Cayetano, Tres}

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1.2 Objetivos

El objetivo principal del presente trabajo es el desarrollo de un prototipo de sistema de adquisición de datos de bajo costo para vehículos de competición en categorías zonales a partir de componentes electrónicos disponibles en el mercado local.

El equipo permitirá conectar una serie de sensores que monitoreen tanto el manejo del piloto como el funcionamiento del vehículo y/o sus componentes. Los parámetros a sensar pueden ser numerosos, y se restringe a la economicidad del presente proyecto.

Los datos recogidos, se almacenarán en un medio extraíble a fin de ser analizados después de las pruebas. El análisis de los datos adquiridos posibilitará la identificación de aquellas zonas donde existe una pérdida de performance, y mediante una evaluación de los datos, plantear una estrategia para eliminar esta pérdida.

Adicionalmente, se propone el desarrollo de una herramienta software de visualización y análisis de los datos recolectados por el equipo electrónico. La herramienta ofrecerá una interfaz “amigable” a los integrantes del equipo de competición, con el fin de permitir un análisis de los datos para maximizar el rendimiento tanto del vehículo como del piloto.

1.3 Limitaciones y Alcances del Trabajo Propuesto

El alcance del trabajo es el desarrollo de un prototipo funcional de adquisición de datos con posterior visualización y análisis de los mismos. Si bien el prototipo no funcionó correctamente en el vehículo de competición provocado por ruido eléctrico (véase capítulo 4), todas los componentes del sistema propuesto (parámetros a sensar, unidad adquisidora, métodos y formas de adquisición de datos, software de análisis y visualización, entre otras) se mantendrán en la versión final del sistema.

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incorporación de un experto en el perfil de ingeniería electrónica, con el fin de adecuar el sistema propuesto mediante el uso de filtros electrónicos.

Respecto a los parámetros a sensar por el sistema propuesto, se procurará maximizar las prestaciones considerando la disponibilidad en el mercado local de los componentes y la economicidad de los mismos.

Queda fuera del alcance del presente proyecto el monitoreo de las partes constitutivas del motor y el rendimiento del mismo al realizar un cambio de configuración del mismo, utilizándose en el caso de ser necesario, la información aportada por el banco de prueba.

1.4 Organización del Trabajo

El Capítulo 2 del trabajo presenta una introducción a la adquisición de datos en vehículos de competición, realizando además una selección de los parámetros a estudiar, teniendo en cuenta aquellos factores que perjudican el rendimiento de un vehículo de competición. En el Capítulo 3 se realiza la selección de los componentes hardware y software para la construcción del sistema, teniendo en cuenta los requisitos del proyecto. Luego de la elección, se describe el desarrollo tanto del hardware del adquisidor de datos, como del diseño de software de visualización y análisis. El

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Capítulo 2 –

Sistemas de adquisición de datos en vehículos de

competición

Este capítulo presenta una introducción a la adquisición de datos en vehículos de competición. Se realiza una selección acotada de parámetros a estudiar teniendo en cuenta aquellos factores que perjudican el rendimiento de un vehículo de competición. Para ello se analiza tanto la dinámica del mismo como así también la conducción del piloto.

2.1 Introducción:

Los registradores de datos se conciben para aplicaciones donde se desean recoger gran cantidad de datos a lo largo del tiempo. Los registradores de datos comerciales pueden ser utilizados en diferentes aplicaciones pero a la hora de hacer una elección se debe tener en cuenta ciertos aspectos:

1. La velocidad de adquisición de datos.

2. La cantidad y tipo de sensor que puedan ser conectados. 3. El software de análisis.

Estos sistemas se comenzaron a utilizar en vehículos de competición en la Formula 1 a finales de los 80. Los datos eran transmitidos a boxes y aportados por sensores colocados en los vehículos (telemetría). En la actualidad por cada segundo de cada vuelta se pueden llegar a realizar 150.000 mediciones tomadas desde 200 sensores distintos, en promedio, distribuidos en el coche.

Los equipos colocan cientos de sensores en el coche durante las pruebas, pero durante la carrera, sólo se controlan, por lo general, las funciones relevantes. Algunas de las funciones que se enumeran a continuación están entre las usuales:

 Las revoluciones del motor

 Las velocidades de cada una de las ruedas

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 Ajuste y funcionamiento del acelerador

 La temperatura del motor

 La temperatura del aceite

 Presión de los neumáticos en las cuatro ruedas

 La presión de las pinzas de freno

 Temperatura en las pinzas de freno

 La temperatura de diferentes puntos en el sistema de escape

 La posición de todos los sensores

 Dirección de la carga

 Ángulo de giro

 Aceleraciones lineales , verticales y laterales

 Seguimiento de la ubicación del auto en la pista

 Altura del vehículo sobre la pista en cuatro o más puntos

En el mercado local, es posible adquirir productos que ofrecen solución al registro de datos para vehículos, entre ellos se encuentran MoTec y Microtec.

MoTec

La empresa MoTec 6 _{es líder mundial en registradores de datos orientados tanto}

automovilismo profesional como motonáutica, motos, motos de nieve, y de agua. Posee diferentes modelos con velocidades de adquisición entre 1 y 1000 Hz y entre 100 y 1000 canales. Esta empresa ofrece no solo registradores de datos sino también equipos ECU (unidad de control de motor) que actúan realizando cambios sobre el motor utilizando como parámetros valores recolectados de los diferentes sensores. Además del hardware la empresa ofrece la posibilidad de descargar un software de análisis de los datos. La cantidad de parámetros a sensar solo estará limitada por la cantidad de entradas que posea en registrador.

Esta empresa ofrece en Argentina entre su amplia gama de dispositivos,el Kit básico Dash que comprende pantalla LCD de 7’’ , GPS , cableado y adquisición de datos de 120 MB a un precio aproximado de U$D 5500.

Microtex

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Microtex Argentina7 _{es una fábrica nacional de equipos comerciales de telemetría}

para autos e competición que ofrece varias opciones de equipamientos, variando entre ellas la cantidad entradas de sensores. El modelo más económico es el Firelog F6-KC el cual

realiza solo cálculos de tiempos y se comercializa a $ 3745 ( u$s 267 Aprox ) . El modelos más completo es el F6-AS el cual posee entradas para diferente sensores como así también sincronismo para videos y se comercializa a $ 13350 ( u$s 953 Aprox ) teniendo características similares al registrador que se desea construir.

Es de destacar la empresa no provee sensores por lo cual deben ser adquiridos a terceros teniendo en cuenta las especificaciones del fabricante.

2.2 Determinación de los parámetros a analizar

La elección de los parámetros a analizar puede variar dependiendo de múltiples factores. El cambio de circuito, el clima y la resolución de un problema específico pueden determinar el número y variedad de sensores a instalar. Teniendo en cuenta las restricciones mencionadas en el capítulo anterior es necesario establecer un conjunto de mediciones mínimas básicas comunes y necesarias para cada una de las situaciones en la que puede competir el vehículo.

Al realizar el estudio de los diferentes sensores a colocar se debe tomar un parámetro de referencia por el cual hacer comparaciones futuras con las mediciones realizadas. En este sentido la posición del vehículo es una referencia válida a tomar en cuenta.

Saber que sucede en el vehículo en un punto determinado del circuito será de gran ayuda al finalizar la competición tanto para el corredor como para los preparadores. La comparación de la información recogida en los puntos críticos de un circuito durante los sucesivos giros, hace que los datos sean significativos a la hora de realizar algún cambio, tanto en el modo de conducción del piloto como así también al realizar modificaciones en la puesta a punto del vehículo.

El responsable de la puesta a punto del vehículo se lo denomina en la jerga automovilística “Ingeniero en pista” . En las categorías zonales y equipos pequeños como

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es el caso de estudio, el dueño del auto es generalmente piloto, ingeniero de pista y mecánico simultáneamente. En el caso particular de la categoría “Mar y Sierras B”

generalmente las decisiones son tomadas en conjunto entre el mecánico, el chasista y el piloto a los cuales se denominara equipo de competición de aquí en adelante.

Al iniciar una sesión de pruebas el equipo de competición analiza primeramente el comportamiento del vehículo en pista (dinámica del vehículo). Un vehículo que posea una excesiva tendencia al subviraje (ida de trompa) o una excesiva tendencia al sobreviraje

(ida de cola) no permitiría a ningún piloto por más experimentado que sea obtener su máximo rendimiento. Con la información recabada en el análisis se efectúan los cambios necesarios tanto en la presión de las ruedas, barras antirolido, amortiguación, entre otros, con el fin de alcanzar o acercarse al balance adecuado entre las tendencias.

Una vez finalizado el análisis de la dinámica del vehículo se descarta o minimiza cualquier pérdida de eficiencia debida problemas de chasis y se procede al análisis de la técnica de conducción del piloto. Para ello se analizan y se comparan los tiempos parciales realizados durante la circulación de una curva en relación a la misma en otra vuelta o, en caso de ser posible, contra la misma curva recorrida por otro piloto más experimentado.

En caso de obtenerse diferencias significativas de tiempos se realiza un análisis de las acciones del piloto al ingresar, al recorrer y al salir de la curva.

Cómo y cuánto tarda en frenar, acelerar, girar el volante, efectuar los cambios son algunas las acciones más comunes que deben analizarse al estudiar la técnica de conducción de un piloto. De este análisis surgen los cambios que el piloto debe realizar en su modo de conducir y de la aceptación del piloto en asumir sus errores y su flexibilidad en ejecutar las correcciones necesarias depende que se alcance la eficiencia necesaria.

2.3 Análisis de la dinámica del vehículo

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fundamentalmente al factor humano. La interacción con el suelo y el ambiente, la configuración del vehículo y el estado psicológico del piloto son solo algunos de los aspectos que influyen en el movimiento del vehículo. Seguidamente se expondrán los análisis de parámetros análisis que serán objeto de estudio en el presente proyecto recalcándose que son solo una pequeña parte en el amplio universo del estudio de la dinámica de los vehículos.

2.3.1 Análisis de la posición del vehículo

El Análisis de la posición del vehículo puede realizarse de diferentes maneras, por citar algunas podemos nombrar:

 Registro visual (video)

 Utilización de Unidades de Mediciones Inerciales (IMU)

 Sistema de Posicionamiento Global (GPS)

Cada una de las alternativas pueden ser utilizadas individualmente o en combinación. Por ejemplo en lugares donde la señal de GPS es pobre o nula la utilización de una Unidad de Medición Inercial tanto temporalmente como definitivamente podría subsanar el inconveniente, solución utilizada en Sistema de Posicionamiento en Vehículos Autónomos8_.

La combinación descripta anteriormente no solo puede ayudar en aquellos casos donde la señal del GPS es nula o pobre sino también en la falta de precisión de los GPS comerciales. Según testeos realizados 9_{la precisión de los GPS comerciales}

Garmin varía entre los 2,5 metros y los 7 metros en la mayoría de los casos. Una mayor precisión puede ser obtenida utilizando GPS diferenciales los cuales efectúan correcciones utilizando comunicación con estaciones terrestres locales pero a un alto costo. A través de la combinación IMU-GPS se puede obtener mediciones más precisas en caso de ser necesario.

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Otro aspecto a tener en cuenta al efectuar la elección de un GPS es la tasa de muestreo o actualización. Una tasa de actualización demasiado baja conducirá a un muestreo que no reflejará fielmente lo que ocurre en cada porción del circuito que se desea analizar. En cambio una tasa extremadamente alta de actualización aumentará drásticamente la cantidad de datos obtenidos aumentando los costos tanto de memoria para almacenarlos como del dispositivo GPS. Encontrar el balance adecuado entre consumó de memoria y velocidad de muestreo es un aspecto crucial en la elección del dispositivo GPS.

2.3.2 Análisis de velocidad

El análisis de la velocidad en cada punto del circuito nos lleva a responder la pregunta que todos los pilotos se realizan al finalizar una carrera ¿qué tan rápido giré?. La velocidad refleja la conjunción de diversos aspectos del sistema piloto - vehículo. La configuración del vehículo, su aerodinámica, rendimiento del piloto y rendimiento del motor son algunos de los aspectos que se ven reflejados a la hora de recorrer una distancia en el menor tiempo posible.

2.3.3 Análisis de Aceleraciones (centrípeta y lineal)

El conocer la velocidad en un punto determinado no permite conocer cuánto tiempo demandó en alcanzarla. Evidentemente un vehículo que alcance una determinada velocidad más rápidamente que otro tendrá una ventaja sustancial.

Debido a esto se introduce el análisis de la aceleración del vehículo. La

aceleración se identifica con el cambio de velocidad a lo largo del tiempo .La velocidad puede variar tanto en modulo como en dirección por lo cual surgen dos tipos de

aceleraciones. La aceleración tangencial asociada al cambio de módulo de la velocidad tiene la misma dirección del vector velocidad es decir tangente a la

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cuya dirección es siempre perpendicular a la trayectoria es decir apunta hacia la parte interna de la curva.

2.3.4 Análisis de rolido, deriva y cabeceo

Un vehículo puede ser modelado como un cuerpo rígido con un sistema de coordenadas con su origen situado en el centro de masas (Fig. 2).

Figura 2: Sistema de coordenadas

Asociado a cada eje se encuentran los momentos cinéticos, cuya monitorización será la parte principal del análisis. (Fig. 3).

Figura 3: Giros combinados

El cabeceo está asociado al giro del vehículo en torno al eje Y que se muestra en la figura. Se produce cuando se acelera o frena bruscamente.

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encuentra más alto que el nivel donde los neumáticos apoyan en el suelo, aparece un momento que hace inclinarse al vehículo hacia el lado externo de la curva. Este fenómeno genera una distribución desigual de las cargas e interfiere en el correcto funcionamiento de las suspensiones. El fenómeno puede ser analizado a partir de los movimientos de rotación asociados al eje X, denominado como rolido.

La deriva o guiñada está asociada con la rotación del vehículo entorno del eje Z y será de gran importancia para el estudio de la dinámica del vehículo.

Con el fin de obtener datos cuantitativos de la dinámica de los vehículos se incorporan giróscopos. Estos dispositivos son capaces de medir la velocidad de rotación de un cuerpo en los 3 ejes y mediante cálculos matemáticos permite conocer la orientación del cuerpo. Acumulan errores de deriva a lo largo del tiempo de funcionamiento por lo cual se combinan con acelerómetros para compensarlos. Esta combinación de giróscopo/acelerómetro se los denomina comúnmente IMU (Unidad de Medición Inercial) por sus siglas en Inglés y son usadas en naves espaciales, aviones y navegadores GPS (en lugares donde no haya señal de GPS).

2.3.5 Sobreviraje y Subviraje

El estudio del giro en torno al eje Z nos remite a dos problemas que todos los pilotos de competición tanto amateurs como profesionales desean minimizar o eliminar: el subviraje y el sobreviraje

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El sobreviraje (Fig. 4b) se produce cuando el tren delantero tiene más agarre que el trasero. En este caso el tren trasero se desliza hacia el exterior de la curva mientras el delantero toma la curva correctamente.

Las condiciones de puesta a punto del vehículo proclives a esta deriva serían:

 Exceso de presión en el eje trasero

 Angulo de caída insuficiente

 Exceso de divergencia del eje trasero

 Rigidez excesiva de los elementos de suspensión del eje trasero en comparación con el eje delantero

 Mal reparto de pesos en vehículo de tracción trasera

El sobreviraje (Fig 4.b) es marcado por una repentina caída de la aceleración y pérdida de adherencia en los neumáticos traseros. La respuesta rápida del piloto para evitar un giro descontrolado del vehículo vuelve el valor de la aceleración a la normalidad. En el gráfico (Fig. 5) se ve como un pico contrario a lo esperado, sobre todo en la entrada de la curva.

Figura 5: Sobreviraje10

El subviraje (Fig. 4a) es un fenómeno que se produce cuando la parte delantera del auto tiende a salirse hacia el exterior de la curva. Es decir, cuando el eje delantero

10_{Fuente: www.microtexweb.com/pdf/firenotas/an009_sobre_y_subviraje.pdf}

SOBREVIRAJE

Velocidad

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pierde adherencia y girando el volante en una curva el vehículo tiende a continuar en línea recta.

El conductor puede notar el subviraje, cuando la dirección se vuelve blanda e imprecisa al tomar una curva tanto cerrada como abierta

Cuando las ruedas delanteras alcanzan su “punto límite de deslizamiento”, se

ha rebasado el máximo de las fuerzas laterales transmisibles: las ruedas delanteras patinan, debido a una mala apreciación de la curva por parte del conductor o por ejemplo, por un cambio del estado de la calzada con exceso de velocidad en curva para sus condiciones.

Si el subviraje es excesivo se puede trabajar en la puesta a punto del vehículo y se puede deber a

 Exceso de presión en los neumáticos delanteros

 Angulo de caída negativa insuficiente

 Exceso de convergencia

 Rigidez excesiva de los elementos de suspensión del eje delantero en comparación con el trasero

 Mal reparto de pesos

El subviraje(Fig6) además, causa una caída de la aceleración lateral, pero es más escalonada, menos profunda y dura más que en el caso del sobrevirajeFigura 5

.

Figura 6: Efecto del subviraje sobre la aceleración lateral

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2.4 Análisis de técnica de conducción

Si bien poseer un vehículo que ofrezca altas prestaciones en pista hace la diferencia con respecto a resto de los competidores también lo hace la capacidad del piloto de utilizar eficientemente estas prestaciones. Por esta razón se hace necesario analizar cada una de las acciones de conducción que el piloto realiza en competencia.

2.4.1 Análisis de posición de acelerador

El análisis del accionamiento del acelerador cobra vital importancia sobre todo cuando el vehículo termina de recorrer una curva. En este punto se transita con una mayor carga sobre los neumáticos exteriores en comparación con los interiores razón por la cual un cambio brusco en la aceleración llevaría a perder la tracción disponible en uno o varios neumáticos llevando a una pérdida de control del vehículo.

2.4.2 Análisis de la posición del volante

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2.4.3 Análisis de cambios de marcha

La posición de la palanca de cambio en un determinado punto del circuito es parámetro que permite conocer la correcta ejecución del cambio de marcha. El realizar un cambio de marcha en el lugar y momento justo permite al piloto aprovechar al máximo la potencia que suministra el motor.

Cada cambio posee un rango óptimo de revoluciones (banda de potencia) y conocer el límite permite al piloto conocer cuándo debe realizar el cambio de marcha.

Las cajas de cambio de los vehículos se encuentran diseñadas de tal manera que cuando se acelera, el límite de la banda de potencia de un cambio se encuentra en el inicio de la banda de potencia del cambio inmediato superior (Fig 7). De esta manera al realizar correctamente el cambio de marcha se aprovecha la máxima aceleración que puede aportar cada una.

Figura 7: Banda de Potencia de Marchas

La incorrecta ejecución del cambio de marcha puede generar tanto recalentamiento y/o rotura de motor como de la caja de cambios11

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2.4.4 Análisis de frenado

Para poder frenar óptimamente se debe tener en cuenta las inercias y los desplazamientos del centro de gravedad del vehículo. Cuando se frena se produce una mayor carga de peso sobre el eje delantero. Esta distribución no uniforme del peso sobre el tren delantero es mayor cuando mayor es la desaceleración y cuando más alto se encuentra el centro de gravedad. Debido a esto, en todos los vehículos de competición los sistemas de frenado son más potentes en el eje delantero que en el trasero, puesto que de lo contrario se desaprovecharía la frenada y al patinar las ruedas traseras se correría el riesgo de sufrir un trompo por poco que se gire. De hecho, se suelen diseñar los frenos para que se bloqueen antes en el eje delantero que en el trasero ya que es más fácil de solucionar un subviraje que un sobreviraje

La frenada es directamente proporcional a la presión que se realice sobre el pedal. Mientras ésta transcurre los frenos se calientan exponencialmente hasta que dejan de ser presionados. Yendo a mayor velocidad, los frenos deben trabajar más fuertemente para detener las ruedas, y a menor velocidad requieren de menor presión, por lo tanto la maniobra correcta es presionar el freno enérgicamente y luego ir presionándolo cada vez con menos fuerza (Fig 8).

Figura 8: Presión de freno óptima

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2.4.4.a Técnica del Frenado de Arrastre

Esta técnica consiste en, al ingresar a la curva, comenzar con el frenando pero sin dejar de acelerar.

Esta forma de frenar provocará al inicio la transferencia del peso del auto hacia delante, comprimiendo los amortiguadores y resortes. Debido a esto la pisada de las ruedas delanteras aumenta, incrementando su adhesión a la pista. De este modo se reduce el subviraje y manteniendo el auto en régimen de revoluciones eficiente durante la curva.

Mientras las fuerzas laterales aumentan en la curva, la fuerza sobre los frenos se reduce aumentando control del auto en la curva.

2.4.4.b Técnica de Frenado en Apoyo (Asimétrica):

Existe otra forma de frenar, que partiendo de la misma base, conseguirá que el vehículo pase más rápido aún por curvas lentas, aprovechando las inercias para balancear el coche y conseguir que estas ayuden al piloto a tomar mejor este tipo de curvas.

Por ejemplo, considerando una curva a derecha, de segunda velocidad, y de un ángulo aproximado de 90º, posterior a una zona rápida, girar el volante hacia el otro borde para ingresar a la curva mientras se realiza un frenado punta-tacón, provocará que la parte rasera tienda a adelantarse por el lado derecho. En este caso, es necesario acelerar y recuperar la deriva de la parte trasera lo que dará un leve latigazo para el lado contrario (Fig. 9), se puede aprovechar el alto régimen del motor, sin aplicar contravolante.12

12_{La técnica de contravolante consiste en}_{girar el volante en el sentido de la curva antes de llegar a ella, la}

maniobra se realiza rápidamente, para causar que el movimiento rotatorio induzca a la parte trasera del vehículo a

deslizarse hacia afuera. Luego se aplica potencia para provocar un movimiento lateral mayor. Al mismo tiempo, se

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Figura 9: Frenado en Apoyo

2.4.4.c Técnica de Freno Motor

Es la manera más eficaz de restar velocidad al vehículo sin producir ningún desgaste ni consumo de nada. Consiste en reducir de marchas en la caja de cambios, progresivamente, mientras frenamos. Además hay que hacerlo de una en una y soltando el embrague para que la diferencia entre las revoluciones de las ruedas y las de la caja de cambios se igualen, produciendo de esta manera una frenada mecánica auxiliar. Se debe tener en cuenta que se debe sincronizar correctamente las revoluciones entre marchas.

2.4.5 Análisis de la administración de potencia

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Figura 10: Mecanismo Biela-Manivela de un motor de explosión

El par motor o "torque" (T) es el producto de la fuerza aplicada (F) de empuje a los cilindros por la distancia (d) al eje geométrico de giro del árbol del cigüeñal 13_.

T = F · d [Newton x Mt]

En la Fig 10 se puede observar que la distancia (d) varía constantemente con lo cual lo hará también el par motor.

Además dentro de la fase donde se genera par motor (es decir, en la fase de combustión), el rendimiento del motor no es el mismo dependiendo del régimen de giro, y por ende el valor de la fuerza (F) de empuje que se genera.

Así, a bajas revoluciones la combustión de la mezcla no resulta óptima debido a la escasa inercia que poseen los gases, que provoca que el llenado del cilindro no sea el óptimo, al igual que su vaciado. Por otro lado, si el motor funciona a un elevado régimen, tampoco el llenado de los cilindros es completo. Esto se debe al escaso tiempo que dispone el gas para ocupar todo el recinto. En consecuencia, la curva de par (T), es una curva, con un tramo central casi recto que proporciona el máximo par, y las zonas extremas donde el par motor decrece según lo comentado anteriormente.

13_{La potencia y el par Motor}

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Figura 11: Curva de par motor y potencia

Como se puede observar, la curva par motor (T) comienza ascendiendo hasta llegar a las revoluciones (n1) donde el par es máximo (T1) y a partir de allí comienza a descender debido a múltiples factores, por ejemplo: inadecuada evacuación de gases, la mezcla de aire combustible no se termina de completar y otros.

En cuanto a la potencia esta es definida como:

P = T · ω [watios]

Donde ω es la velocidad angular del eje de transmisión y 745,69 W = 1HP.

En la figura 3 podemos observar que la Potencia llega a su máximo a determinadas revoluciones (n3) y luego comienza a decrecer a pesar que se aumente las RPM.

De lo anteriormente citado, podemos concluir que a fin de maximizar el rendimiento del motor, las RPM del mismo deben estar en una franja comprendida entre n1, donde el par es máximo, y n3, donde la potencia es máxima. Esta franja es conocida como rango de eficiencia óptimo del motor o banda de potencia, es donde el motor ofrece el máximo rendimiento y máxima aceleración para el que fue diseñado. Trabajar fuera de este rango llevaría a una pérdida de eficiencia, desgaste prematuro y/o rotura del mismo.

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_{pág. 28.}

frenar el vehículo utilizando “rebajes”, o sea pasar a marchas más bajas de las que venía utilizando a fin de frenar el vehículo, las RPM aumentarían pudiendo sobrepasar el punto de Potencia Máxima.

Con el fin de evitar roturas y/o pérdidas de eficiencia se torna necesario registrar las RPM del motor como así también la posición de la palanca de cambios en cada porción del circuito.

2.4.6 Análisis de trayectoria proyectada

La elección de la mejor trayectoria se basa en recorrer la mínima distancia posible a la máxima velocidad. A tal fin se debe realizar una “Trazada” de la curva o sea analizar cuál sería la trayectoria optima a fin de ingresar a la próxima recta a máxima velocidad. Existen variables que pueden influir en el análisis tal como el tipo de tracción del vehículo o la configuración del coche.

Para graficar el concepto se analizará el caso de un vehículo que circula por una recta y debe tomar una curva de radio constante (90 grados) desembocando en otra recta.

Figura 12: Trayectoria optima de una curva

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_{pág. 29.}

buena velocidad. Llevado esto a la práctica, el vehículo debe venir frenando hasta llegar (en el punto A) a la velocidad máxima que soporta nuestro vehículo en esa curva sin derivar. Luego el vehículo pasa por el vértice B a una velocidad constante hasta alcanzar el punto C, momento en el cual la posición del vehículo permite acelerar comenzando a recorrer la recta a la máxima velocidad posible.

Siendo R el radio de giro del vehiculo, tenemos que R = v2/ac, donde v es la velocidad del vehículo y ac es la aceleración producida por la fuerza centrífuga cuando el vehículo toma una curva. De esta forma se define ac= Fc/m, donde Fc es la fuerza centrífuga a la cual está sometido en conjunto vehículo-piloto y m es la masa del conjunto.

Según la ecuación, el radio de giro disminuye a medida que aumenta la aceleración centrifuga. Teniendo esto en cuenta podemos determinar el vértice B

desde el grafico de radio de Giro. Esto de acuerdo a como se tomen las curvas, el vértice puede ubicarse en diferentes posiciones.

Si asumimos que el ancho de entrada a la curva es igual al ancho de la salida, un radio de giro constante resulta de un vértice situado en el centro de la curva. Un vértice en el medio de la curva permite al piloto mantener una velocidad constante en toda la trayectoria (Fig. 13). Debido a que el vértice se encuentra en el centro de la curva el radio de giro es el mínimo posible en ese punto.

Figura 13: Vértice medio

Una entrada tarde a la curva y un vértice también tardío se puede observar en la

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lo que compromete la velocidad en la recta que sigue. En realidad el piloto puede poner recto el volante a fin de aprovechar al máximo el grip14_{en la aceleración longitudinal, y}

tener una mejor posición a la salida de la curva, pero sacrificando velocidad de curva.

Figura 14: Vértice Tardío

Finalmente una entrada temprana a la curva resulta en un vértice temprano (Fig 15) . En la salida de la curva el piloto debe girar más el volante a fin de reducir el radio de giro con la consiguiente pérdida de velocidad.

Figura 15: Vértice temprano

Para determinar el punto donde el piloto debe proyectar el vértice se debe conocer la curva. Si la misma posee un radio constante el vértice debe ser proyectado

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_{pág. 31.}

en el centro de la curva. En cambio si el radio disminuye, es decir la parte final es más angosta que el inicio, normalmente se proyecta un vértice tardío. En el siguiente gráfico podemos observar los 3 tipos de proyecciones (Fig 16).

Figura 16: Proyeciones posibles

2.5 Resumen

Del análisis precedente surge la Tabla 1, un resumen de todo lo expuesto hasta ahora. En la misma se detallan los fenómenos a analizar contemplados en este trabajo, el objetivo del análisis, y los parámetros físicos que requieren ser muestreados para cumplir con el objetivo propuesto. Además se detallan aquellos parámetros inferidos o calculados a partir de parámetros medidos directamente

Fenómeno a analizar Objetivo Parámetros a sensar Parámetros

inferidos o calculados

Dinámica del vehículo Determinar la reacción del vehículo ante las acciones del piloto y detectar

problemas de configuración del vehiculo. - Posición - Velocidad - Cabeceo - Deriva - Rolido

- Aceleración centrípeta - Aceleración lineal

- Sobreviraje - Subviraje

Técnica de Conducción Determinar la acciones del piloto dentro del circuito a fin de detectar errores

- Posición del pedal Acelerador - Posición del Volante

- Posición de la palanca de cambio - Posición del pedal de freno - Administración de potencia

- Trayectoria proyectada

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_{pág. 32.}

Capitulo 3 – Desarrollo del Sistema

En el presente capítulo se realiza un análisis con el fin de poder efectuar la elección de los componentes hardware y software de implementación necesaria para la construcción del sistema, teniendo en cuenta los requisitos del proyecto. Luego de la elección, se describe la construcción tanto del hardware del adquisidor de datos, como del diseño de software de visualización y análisis.

3.1 Descripción general del Sistema

La adquisición de datos consiste en la toma de muestras del estado de algunas partes constitutivas del vehículo utilizando para ello sensores. Estos sensores toman las señales físicas del mundo real y las convierten en un valor digital. Las señales se almacenan en una

tarjeta de Memoria SD los cuales son luego procesados a posteriori a fin de poder ser visualizados en una computadora utilizando un ambiente gráfico amigable (Fig 17). El análisis es generalmente realizado por un experto, ya sea piloto o encargado de la preparación del vehículo, para realizar las correcciones correspondientes y maximizar los resultados del vehículo en competencia.

Adquisición de datos

Unidad de almacenamiento

sensor

Sistema de visualización

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_{pág. 33.}

De esta manera, el sistema general propuesto queda definido por un sistema hardware, encargado de la captura y una herramienta software capaz de permitir la evaluación tanto del piloto como del vehículo en pista. El medio de comunicación entre los subsistemas se implementa a través de un medio de almacenamiento extraíble.

En las siguientes secciones se describe tanto el sistema de adquisición de datos, así como la herramienta de visualización y análisis.

3.2 Sistema Hardware de Adquisición de Datos

El sistema de adquisición de datos está compuesto por una unidad registradora y sensores que aportan la información a registrar .La unidad registradora está constituida por una unidad de procesamiento y una unidad de almacenamiento extraíble la cual permite intercambiar la información aportada por los sensores con el sistema de visualización de datos. (Fig 18)

Figura 18: Diagrama en bloques del Sistema de Adquisición de Datos

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_{pág. 34.}

 Ser económico

 De fácil adquisición en el mercado local

 Con librerías disponible

 Múltiples entradas, para soportar la cantidad de sensores necesarias

 Bajo consumo

 Fácil acoplamiento con los sensores

 Buena velocidad de procesamiento

 Soporte adecuado del hardware

Con el fin de analizar los fenómenos expuestos en el capítulo anterior surge la necesidad de obtener una serie de parámetros los cuales son necesarios para cumplir con los objetivos. La cuantificación de estos parámetros es realizada a través de los valores aportados por los sensores instalados en el vehículo. .

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_{pág. 35.}

Parámetros Método de adquisición Tipo de

adquisición

Posición en la pista Sistema de posicionamiento global (GPS) directa

Velocidad Sistema de posicionamiento global (GPS) directa

Cabeceo Giróscopo Electrónico directa

Deriva Giróscopo Electrónico directa

Rolido Giróscopo Electrónico directa

Aceleración Lineal Acelerómetro Electrónico directa

Aceleración Centrípeta Acelerómetro electrónico directa

Posición del Pedal Acelerador

Potenciómetro asociado al Pedal

Acelerador

directa

Posición del Volante Potenciómetro asociado al volante directa

Posición de la Palanca de Cambios

Sistema de Interruptor magnético – imán permanente

directa

Posición de Pedal de Freno

Potenciómetro Asociado al Pedal de Freno directa

RPM Sensor Capacitivo o inductivo de efecto

Hall

directa

Sobreviraje Análisis visual de curvas de RPM y/o

Deriva

inferido

Subviraje Análisis visual de curvas de RPM y/o

Deriva

inferido

Administración de

Potencia

Análisis visual de curvas de RPM inferido

Trayectoria Análisis de Radio de giro calculado a

partir de valores de velocidad y aceleración centrípeta

calculado

Tabla 2: Tipos y Métodos de adquisición de parámetros

3.2.1 Unidad de procesamiento

Teniendo en cuenta la oferta disponible en el mercado local se contemplaron 3 soluciones para la elección de la unidad electrónica: Microcontrolador PIC , Placa Raspberry Pi y Placa Arduino.

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_{pág. 36.}

La plataforma Arduino es mucho más flexible que la Raspberri Pi, puede interactuar con casi todo tipo de sensor, en cambio la otra plataforma necesita asistencia de hardware adicional. Además, ante un apagado inadecuado, la configuración de la Raspberri Pi se puede dañar cosa que no sucede con Arduino.

De las diferentes placas Arduino que pueden ser adquiridas en el mercado local se optó por la Placa Arduino Mega 2560(Fig. 19) debido a sus características. Es una plataforma de hardware libre, basada en una placa con un microcontrolador ATmega 2560 y un entorno de desarrollo, diseñada para facilitar el uso de la electrónica en proyectos multidisciplinares. Las placas fueron diseñadas para ser usadas en proyectos educativos, por lo cual existen gran cantidad de librerías, ejemplos e información presentados de una manera didáctica.

El microcontrolador ATmega 2560 posee una velocidad de procesamiento de 16MHz, acorde a los requerimientos de este proyecto. La placa soporta 54 entradas/salidas digitales (de las cuales 14 proporcionan salida PWM (Modulación por Ancho de Pulso), 16 entradas digitales, 4 UARTS (puertos serie por hardware), un cristal oscilador de 16MHz, conexión USB, conector ICSP (programación Serial en Circuito) y botón de reset.

La plataforma puede ser alimentada con trasformador o batería. En cuanto al entorno de desarrollo integrado está implementado en Java y basado en Proccesing, es libre y se puede descargar gratuitamente permitiendo programarlo en lenguaje de programación Arduino (basado en C++).

Figura 19: Esquema Placa Arduino Mega 2560

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_{pág. 37.}

señales eléctricas .de manera tal que puedan ser fácilmente procesadas, almacenas o transmitidas.

3.2.2 Unidad de Almacenamiento

Para el presente proyecto los datos adquiridos (a diferencia de la Telemetria15₎

deben ser almacenados en una unidad de almacenamiento intermedio. Si bien la placa

Arduino Mega 2560 posee una memoria EEPROM16_{de 4k bytes ésta es insuficiente.}

Debido a ello se decidió por otra alternativa que fuera económica, con buena resistencia mecánica, que permita almacenar gran cantidad de información y que pueda ser utilizada por la placa Arduino sin realizar un excesivo gasto al agregar un módulo de lectura extra .

Debido a que cumplía con estos requisitos la elección recayó en las tarjetas micro sd las cuales pueden alcanzar capacidades de 128 Giga Bytes. Además son ampliamente usadas en teléfonos celulares de última generación por lo cual pueden ser fácilmente reemplazadas en caso de avería. Se agregó además un Modulo Lector de Tarjetas sd(Fig.20).

Figura 20: Modulo Lector de Tarjetas sd

3.2.3 Sensor de posición y velocidad del vehículo

Dado que los circuitos de competición generalmente son terrenos abiertos en los cuales la señal de la red de satélites GPS está disponible en todo momento, y el costo

15_{Sistema de medición de magnitudes físicas que permite transmitir los datos obtenidos a un observador lejano}

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_{pág. 38.}

relativamente bajo de los sensores de este tipo, se decidió por la compra de un dispositivo GPS con el fin de determinar la posición del vehículo.

A fin de efectuar una buena elección del GPS se supuso que un automóvil de competición ingresa a una velocidad máxima de 60 km/h (60.000 mts/3600seg =16,66 mts/seg) con una trayectoria ideal (sin subviraje o sobreviraje). Si la curva posee una longitud de 50 metros, ésta sería recorrida por el vehículo en 3 segundos por lo cual un GPS con un muestreo de 5 veces por segundo realizara 15 muestreos en esos 50 metros, que se considera una frecuencia de muestreo aceptable.

Para la elección del dispositivo se tuvieron en cuenta los siguientes aspectos:.

1- Velocidad de muestreo no inferior a 5 hz

2- Bajo consumo permitiendo operar con batería

3- Rápida adquisición de señal de satélite

4- Precisión de geolocalización menor a 3 mts

5- Bajo Costo.

6- Disponibilidad en el mercado nacional

Para el proyecto se utilizó el GPS UBLOX-6M, que reúne todas las características anteriormente mencionadas (Fig 21).

Figura 21: GPS UBLOX-6m

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_{pág. 39.}

una línea de texto con caracteres ASCII. La línea comienza siempre con el carácter “$” y luego el nombre de una sentencia NMEA seguida de un número determinado de campos, los cuales, están separados por comas y contienen la información cómo ser posición (latitud, longitud), velocidad, tiempo, etc

A fin de interpretar las sentencias NMEA se utiliza la librería TinyGPS++17_{. Esta}

librería implementa un Analizador Sintáctico o Parser y genera datos significativos libres de errores.

De los datos que puede ofrecer el GPS interesa la Latitud , Longitud ( lo que nos dará la posición absoluta del vehículo en pista) y la velocidad. A fin de requerir la mínima cantidad de información al GPS por razones de eficiencia se elige la sentencia RMC = Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data .

Ejemplo:

$GPRMC,064951.000,A,2307.1256,N,12016.4438,E,0.03,165.48,260406,3.05,W,A*2C

$GPRMC Encabezado del protocolo RMC

064951.000 Fecha en formato hhmmss.sss

A A=info válida o V=info no válida

2307.1256 Latitud ddmm.mmmm

N indicador N=Norte o S=Sur

12016.4438 Longitud ddmm.mmmm

E Indicador E=Este o W=Oeste

0.03 Velocidad sobre el suelo (nudos)

165.48 Inclinacion rrespecto al suelo (grados)

260406 Fecha (ddmmyy)

3.05, W Variacion Magnetica (E=Este o W=Oeste)

A Modo( A=Autónomo D=Diferencial)

*2C Suma de Verificacion

Obtener el posicionamiento del vehículo dentro del circuito es de vital importancia para los usuarios del sistema. Esto permite el análisis de los parámetros en un punto en particular.

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_{pág. 40.}

3.2.4 Sensor de posición de freno, acelerador y volante

Para el acelerador, freno y posición de volante se utilizan potenciómetros (Fig 22). Los mismos son montados sobre un soporte metálico, y mediante correas se transfieren los movimientos desde los componentes del vehículo a sensar.

Estos aportan magnitudes analógicas que ingresan a la unidad de procesamiento por las entradas analógicas. Allí, mediante conversores AD (analógicos/digitales) son transformadas en digitales para poder ser utilizadas. El rango posible de las magnitudes aportadas por los potenciómetros pueden variar entre de 0 a 1023, las cuales son luego normalizadas (en el caso del acelerador y freno) en un rango de 0 a 100 indicando el porcentaje de presión. En cuanto a la posición del volante, las magnitudes serán normalizadas de manera tal que indique el ángulo entre la posición de las ruedas y la línea central de vehículo.

Figura 22: Potenciómetro

3.2.5 Sensor de posición de la palanca de cambio

Para el sensado de la marcha del vehiculo se analiza la posición de la palanca de cambios. Esto se realiza mediante sensores magnéticos utilizados normalmente como sensores de apertura de puertas para alarmas (Fig 23). Estos dispositivos constan de 2 unidades selladas. Una es un switch interruptor que se cierra ante la proximidad de un campo magnético y la otra es un imán permanente. Se utilizan 4 switchs interruptores, uno por cada cambio colocado en un soporte.

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_{pág. 41.}

interruptor 1, frente a la posición de la segunda velocidad se encuentra un switch interruptor 2, y así sucesivamente. Unidos a palanca de cambio se colocan 2 imanes, uno estará enfrentado a los switch interruptores de los cambios superiores y otro que se encontrara en la parte posterior para los cambios inferiores.

Cada switch interruptor estará conectado a su propia entrada digital que será leída cada vez que el GPS entregue una lectura y el hecho que todas las entradas digitales posean un 0 como lectura será indicativo que el vehículo se encuentra en punto muerto.

Figura 23: Imán Permanente y switch interruptor

3.2.6 Sensor de revoluciones del motor (R.P.M)

En cuanto a la medición de las RPM (revoluciones por minuto) del motor se utiliza un sensor de Efecto Hall. El Efecto Hall puede describirse de la siguiente manera: Cuando por una placa metálica circula una corriente eléctrica y ésta se halla situada en un campo magnético perpendicular a la dirección de la corriente, se desarrolla en la placa un campo eléctrico transversal, es decir, perpendicular al sentido de la corriente. Este campo, denominado Campo de Hall, es la resultante de fuerzas ejercidas por el campo magnético sobre las partículas de la corriente eléctrica, sean positivas o negativas.

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_{pág. 42.}

Teniendo en cuenta el criterio de economicidad utilizado para el presente proyecto inicialmente se realizaron pruebas con el sensor de efecto Hall A3144 cuyo valor aproximado es de aproximadamente 1 U$S (Fig 24).

Figura 24: Sensor Efecto Hall

Las pruebas realizadas con este tipo de sensor utilizando imán mostraron una sensibilidad de unos pocos milímetros.

Luego se realizaron pruebas con un sensor capacitivo tipo industrial perteneciente a un dispositivo de medición de RPM de un equipo VIGIA comercializado por CORVEN S.A (Fig. 25). Al ser capacitivo genera un campo eléctrico que al ser interrumpido genera un pulso pudiendo detectar el paso de cualquier metal sea o no magnético.

Figura 25: Sensor Capacitivo

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_{pág. 43.}

se decidió la instalación de este dispositivo pues no es necesario incorporar un imán a la parte móvil facilitando la instalación.

3.2.7 Sensor de valores de la dinámica del vehículo

También es necesario registrar las aceleraciones, rolido, cabeceo y deriva del vehículo. Para las aceleraciones se necesita, un acelerómetro para la aceleración longitudinal y otro para la lateral. Con respecto al rolido, cabeceo y deriva se utilizará un giróscopo xy.

Estudiando las opciones en el mercado nacional y teniendo en cuenta las condiciones de economicidad se elige la IMU (Unidad de medición Inercial) MPU6050 (Fig.26) de invensense18_.

Este dispositivo se diseñó para ser usado en smartphones, consola de juegos, tablets y otros dispositivos que requieren bajo consumo (Gyro + Accel Corriente de operación 3.8mA), bajo costo y alto rendimiento. Combina un giróscopo de 3 ejes y un acelerómetro de 3 ejes en un mismo chip junto a un DMP (Procesador Digital de Movimiento) el cual procesa complejos algoritmos de fusión de los 6 ejes y evita hacer cálculos externos para procesar los datos en crudo.

La precisión puede ser configurada en rangos máximos de hasta ±250, ±500, ±1000, and ±2000°/sec (dps) para el giróscopo y rangos máximos de ±2g, ±4g, ±8g, and ±16g para el acelerómetro.

Figura 26: IMU MPU 6050 de Invensense

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_{pág. 44.}

3.2.8 Display de Cristal Líquido

Con el fin de poder observar la correcta configuración de los distintos dispositivos y corroborar la correcta adquisición de los datos se adicionó una Display de cristal líquido de 4lineas x 20 caracteres (Fig.27).

Figura 27: Display Cristal Liquido 20x4

Este, será útil, en el caso de la etapa de configuración, para visualizar los diferentes valores que toman los sensores con el fin de normalizar los mismos a posteriori. En el caso de los sensores de la palanca de cambio, este programa permite la colocación exacta de los sensores manera tal que el imán permanente no active más de uno a la vez. En la etapa de adquisición será útil al informar en qué etapa se encuentra el adquisidor.

3.3 Construcción de la Unidad Registradora

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_{pág. 45.}

Figura 28: Esquema de Conexión simplificado

El primer diseño fue pensado con el fin de construir un sistema de rápida instalación. Para ello se instaló la placa Arduino dentro de una caja metálica la cual poseía conexiones RJ45 hembra para la conexión de los diferentes dispositivos. A su vez los diferentes dispositivos poseían su propia conexión hembra de modo de permitir la conexión mediante latiguillos con fichas RJ45 machos (Fig. 29).

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_{pág. 46.}

Dentro del gabinete estaban tanto la placa Arduino como el módulo de tarjeta SD . Tanto la conexión Arduino-Modulo SD como la conexión Arduino-salida RJ45 estaban realizadas mediante cables soldados como se ve en la (Fig 30).

Figura 30: Interior Diseño Preliminar

En la imagen se puede observar lo intrincado de las conexiones y la dificil interpretación del circuito a la hora de encontrar un falso contacto o un cable desconectado, cosas que ocurrían frecuentemente durante la manipulación del circuito.

Debido a estos problemas se rediseño completamente el circuito. A fin de minimizar la cantidad de cables utilizado para la interconexión de los diferentes dispositivos se creó un circuito impreso con una serie de pines para anclar la misma a la placa Arduino denominado shield .

El diseño de la placa se realizó utilizando el ambiente de diseño electrónico

PCBWizard (Fig 31). La utilización de este software permitió la colocación exacta de las patas de conexión/acople que ancla la placa al Arduino como asi también la minimización de los cruces en las pistas de conexión.

F

i

g

u

r

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Para la construcción del circuito impreso se utilizó una placa cobreada virgen. Sobre la misma se colocó un papel termotransferible con la impresión de las pistas del circuito y se aplicó calor mediante una plancha a fin de transferir el diseño a la placa .Una vez transferido el diseño, se colocó la placa en una batea con percloruro férrico. El percloruro férrico procedió a atacar aquellas porciones de la placa que no se encontraban cubiertas por el diseño transferido quedando el circuito impreso terminado (Fig. 32).

Figura 32: Circuito Impreso Terminado

Una vez ensamblados todos los componentes del registrador en el circuito impreso se colocó el mismo dentro de una caja estanca (Fig.33).

Figura 33: Registrador de Datos Diseño Final

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_{pág. 48.}

3.4 Desarrollo del Software de Adquisición de Datos

El software encargado de recoger los datos de los sensores y almacenarlos en la memoria intermedia se ejecuta dentro de la unidad electrónica siendo desarrollado en el lenguaje C++.

La operatoria de adquisición es la siguiente: una vez encendido la unidad de procesamiento, ésta espera 20 segundos a que la IMU se estabilice, mostrando un mensaje de calibración por el display. Transcurrido este tiempo el mensaje desaparece. En caso de no existir señal de GPS se informa por medio del display y el sistema no almacenará ningún dato hasta que esta condición cambie. En caso contrario se visualiza la marcha donde se encuentra la palanca de cambios comenzando a partir de este momento con la captura y registración de datos.

Este dispositivo como cualquier otro es susceptible a fallas, ante esta falla es muy probable que los archivos no se cierren correctamente con la consecuente pérdida de la información recogida hasta el momento. Tomando en cuenta que una tanda de pruebas o clasificación dura entre 5 y 10 minutos de decide efectuar el cierre de archivos cada 1 minuto. Esto permite minimizar esta pérdida de información, perdiendo, en caso de fallas, datos hasta un minuto antes de ocurrida la falla.

Una vez terminada la prueba se activa el interruptor de finalización a fin de indicarle al registrador de datos que se terminó la toma de datos y que debe cerrar el último archivo abierto, terminando su actividad.

El siguiente es el pseudocódigo asociado:

Configuración dispositivos

Esperar tiempo de calibración e informar por Display Mientras (not activado interruptor de corte)

{ Si hay (señal GPS)

{

GPS.leer(posición); GPS.leer(velocidad); GPS.leer(curso);

Interrup-magn.leer(cambio); Pote1.leer(freno);