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MEDIDOR UNIVERSAL DE PARÁMETROS DEL AUTOMÓVIL

- MEDUSA-I -

MEMORIA FINAL DEL PROYECTO

PROYECTO DE INVESTIGACIÓN FINANCIADO POR

Enero 2006

Departamento de Electrónica

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INDICE DE CONTENIDOS 1 INTRODUCCIÓN......................................................................................................... 1

1.1 Objetivos y alcance del proyecto........................................................................... 1 1.2 Descripción global del prototipo básico del sistema MEDUSA ........................... 3

2 SISTEMA SENSORIAL ............................................................................................... 5 2.1 Descripción general ............................................................................................... 5 2.2 Sensor inercial ....................................................................................................... 6

2.2.1 Descripción funcional.................................................................................... 7 2.2.2 Descripción técnica...................................................................................... 11 2.2.3 Instalación y ubicación física ...................................................................... 12

2.3 Sensor de régimen del motor ............................................................................... 13 2.3.1 Descripción funcional.................................................................................. 14 2.3.2 Descripción técnica...................................................................................... 16 2.3.3 Instalación y ubicación física ...................................................................... 17

2.4 Sistema de posicionamiento global ..................................................................... 18 2.4.1 Descripción funcional.................................................................................. 19 2.4.2 Descripción técnica...................................................................................... 20 2.4.3 Instalación y ubicación física ...................................................................... 22 2.4.4 Integración en la aplicación......................................................................... 23 2.4.5 Lectura de datos GPS .................................................................................. 24

2.5 Sistema de visión artificial .................................................................................. 25 2.5.1 Descripción funcional.................................................................................. 26 2.5.2 Descripción técnica...................................................................................... 27 2.5.3 Instalación y ubicación física. ..................................................................... 28 2.5.4 Configuración y puesta en marcha .............................................................. 29

2.6 Termo higrómetro................................................................................................ 30 2.6.1 Descripción funcional.................................................................................. 31 2.6.2 Descripción técnica...................................................................................... 31 2.6.3 Instalación y ubicación física ...................................................................... 32

2.7 Termopares para líquidos .................................................................................... 33 2.7.1 Descripción funcional.................................................................................. 33 2.7.2 Descripción técnica...................................................................................... 36 2.7.3 Instalación y ubicación física ...................................................................... 37

2.8 Sensor de temperatura del habitáculo.................................................................. 38 2.8.1 Descripción funcional.................................................................................. 39 2.8.2 Descripción técnica...................................................................................... 39 2.8.3 Instalación y ubicación física ...................................................................... 40

2.9 Potenciómetros .................................................................................................... 40 2.9.1 Descripción funcional.................................................................................. 41

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2.9.2 Descripción técnica...................................................................................... 42 2.9.3 Instalación y ubicación física ...................................................................... 43

3 SISTEMAS DE ADQUISICIÓN Y PROCESAMIENTO.......................................... 44 3.1 Descripción del sistema de adquisición............................................................... 44

3.1.1 Elección del sistema de adquisición de datos.............................................. 44 3.1.2 Características del sistema DEWE-BOOK-USB2-16 ................................. 48 3.1.3 Módulos de acondicionamiento................................................................... 49

3.2 Descripción del sistema de procesamiento.......................................................... 53 3.2.1 Características técnicas................................................................................ 54

4 DESARROLLO SOFTWARE .................................................................................... 57 4.1 Aplicación para captura de datos......................................................................... 57 4.2 Interfaz gráfica de usuario ................................................................................... 58

4.2.1 Ficha técnica ................................................................................................ 58 4.2.2 Datos instantáneos. ...................................................................................... 60 4.2.3 Registro........................................................................................................ 61 4.2.4 Calibración. ................................................................................................. 61 4.2.5 Cámara......................................................................................................... 62

5 CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS. ......................................................... 63 5.1 Resumen de objetivos y resultados...................................................................... 63 5.2 Conclusiones........................................................................................................ 67 5.3 Trabajos futuros................................................................................................... 67

6 REFERENCIAS .......................................................................................................... 69

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INDICE DE FIGURAS

Figura 1.1.1. Parámetros a evaluar en el proyecto MEDUSA............................................... 2 Figura 1.2.1. Estructura general del sistema MEDUSA........................................................ 3 Figura 2.1.1. Parámetros y sensores incluidos en el proyecto MEDUSA. ............................ 6 Figura 2.2.1. Sensor inercial miniatura MTi. ........................................................................ 7 Figura 2.2.2. Ejes locales, en tres-dimisiones, del sensor inercial. ....................................... 7 Figura 2.2.3. Diagrama de bloque de los subsistemas del sensor inercial............................. 8 Figura 2.2.4. Lectura del giróscopo manteniendo en reposo el sensor inercial..................... 9 Figura 2.2.5. Lectura del giróscopo ante movimiento aleatorio del sensor inercial.............. 9 Figura 2.2.6. Lectura del acelerómetro con el sensor inercial en reposo. ........................... 10 Figura 2.2.7. Lectura del acelerómetro con el sensor inercial en movimiento.................... 10 Figura 2.2.8. Prueba de medida de planos inclinados con sensor inercial. ......................... 11 Figura 2.2.9. Estados de funcionamiento del sensor Mti. ................................................... 11 Figura 2.2.10. Propuesta de ubicación para el sensor inercial en un vehículo comercial. .. 13 Figura 2.3.1. Sensor utilizado para el régimen del motor y kit completo de medida.......... 14 Figura 2.3.2. Generación de señal continua a partir de: ...................................................... 15 Figura 2.3.3. Señal generada por un alternador de 3 fases y de 12 polos............................ 15 Figura 2.3.4. Enlace del motor de vehículo con el alternador del mismo. .......................... 16 Figura 2.3.5. Propuesta de conexión de sensor RPM8000 en un vehículo comercial......... 18 Figura 2.3.6. Conexión no recomendable para sensor RPM8000 en un vehículo comercial.............................................................................................................................................. 18 Figura 2.4.1. Dispositivo receptor GPS utilizado. (a) Vista frontal. (b) Vista superior. ..... 20 Figura 2.4.2. Antena receptora asociada al sensor GPS. ..................................................... 22 Figura 2.4.3. Posible ubicación de la antena GPS. .............................................................. 23 Figura 2.5.1. Cámara Fire-i de Unibrain utilizada en el proyecto. ...................................... 26 Figura 2.5.2. Cable FireWire retractil. ................................................................................ 28 Figura 2.5.3. Ángulo de visión cubierto con una cámara situada próxima al salpicadero. . 29 Figura 2.5.4. Configuración de la cámara a través del programa Fire-i Explorer. .............. 30 Figura 2.5.5. Cámaras Fire-i capturando vídeo en tiempo real. .......................................... 30 Figura 2.6.1. Aspecto del termo higrómetro Hobo H8Pro .................................................. 31 Figura 2.6.2. Ejemplos de puntos adecuados para ubicación de termo higrómetro: baca, soporte retrovisor................................................................................................................. 32 Figura 2.7.1. Termopar para la medida de temperatura en conductos................................. 34 Figura 2.7.2. Termopar flexible para la medida de la temperatura del aceite. .................... 34 Figura 2.7.3. Ubicación de termopar para medida de temperatura del aceite. ................... 38 Figura 2.7.4. Ubicación de termopar para medida de temperatura del líquido refrigerante.............................................................................................................................................. 38 Figura 2.8.1. Sensor AD590 para medida de temperatura en el habitáculo. ....................... 39

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Figura 2.8.2. Ubicación del sensor para detectar la puesta en marcha del sistema de aire acondicionado del vehículo. ................................................................................................ 40 Figura 2.9.1. Sensor de medida de desplazamiento por cable............................................. 41 Figura 2.9.2. Partes de un sensor de medida de desplazamiento por cable. ........................ 41 Figura 2.9.3. Puente de acondicionamiento......................................................................... 42 Figura 2.9.4. Ubicación del sensor de medida de desplazamiento por cable. ..................... 43 Figura 3.1.1. Tarjeta de adquisición de datos PCMCIA...................................................... 45 Figura 3.1.2. Sistemas de adquisición de datos con conexión USB.................................... 45 Figura 3.1.3. Sistema de adquisición de datos basado en multímetro. ................................ 46 Figura 3.1.4. Sistema de adquisición de National Instruments. .......................................... 47 Figura 3.1.5. Sistema de adquisición de Dewetron. ............................................................ 47 Figura 3.1.6. Imagen del backplane..................................................................................... 48 Figura 3.1.7. Esquema de conexión de los sensores a los módulos de acondicionamiento.50 Figura 3.1.8. Acondicionador PAD-TH8-P......................................................................... 51 Figura 3.1.9. Acondicionador PAD-CB8-K-P..................................................................... 51 Figura 3.1.10. Módulo DAQP-BRIDGE-B. ........................................................................ 52 Figura 3.1.11. Módulo DAQP-V-A..................................................................................... 53 Figura 3.2.1. Asignación de puertos del PC a diferentes dispositivos externos. ................. 56 Figura 3.2.1. Componentes del desarrollo software. ........................................................... 57 Figura 4.2.1. Estructura de la información contenida en el interfaz gráfico de usuario (GUI). .................................................................................................................................. 59 Figura 4.2.2. Carpeta correspondiente a la información de la ficha técnica........................ 60 Figura 4.2.3. Carpeta de datos instantáneos adquiridos durante el ensayo. ........................ 60 Figura 4.2.4. Carpeta correspondiente a la visualización del histórico de las diferentes variables............................................................................................................................... 61 Figura 4.2.5. Carpeta correspondiente a la visualización de la cámara............................... 62 Figura 5.1.1. Fotografías del banco de prueba en laboratorio utilizado para el proyecto. .. 64

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INDICE DE TABLAS

Tabla 2.2.1. Especificaciones técnicas para cada subsistema sensor .................................. 12 Tabla 2.3.1. Características del medidor RPM.................................................................... 16 Tabla 2.4.1. Prestaciones módulo GPS ............................................................................... 21 Tabla 2.4.2. Formato cadena GPS ...................................................................................... 24 Tabla 2.5.1. Características de la cámara Fire-i de Unibrain. ............................................. 27 Tabla 2.5.2. Parámetros controlables via PC....................................................................... 27 Tabla 2.6.1. Características técnicas del sensor de humedad. ............................................. 32 Tabla 2.7.1. Aplicabilidad según tipo de termopar ............................................................. 35 Tabla 2.7.2. Características técnicas termopar utilizado ..................................................... 37 Tabla 2.7.3. Características físicas del termopar utilizado .................................................. 37 Tabla 3.2.1. Características del ordenador portátil .............................................................. 55 Tabla 5.1.1. Descripción de las tareas contempladas en el proyecto MEDUSA-I, % de ejecución de cada una de ellas y comentarios ..................................................................... 65

MEDIDOR UNIVERSAL DE PARÁMETROS DEL AUTOMÓVIL “MEDUSA-I”

1

1 INTRODUCCIÓN En esta memoria se presentan los resultados del proyecto MEDIDOR UNIVERSAL DE PARÁMETROS DEL AUTOMÓVIL ( MEDUSA-I ), el cual constituye una primera fase del proyecto global MEDUSA. Dentro del presente capítulo se plantean los objetivos y alcance del proyecto, así como la descripción general del sistema MEDUSA-I conseguido en el proyecto.

1.1 Objetivos y alcance del proyecto El objetivo fundamental del proyecto global MEDUSA es el diseño, desarrollo y obtención de un prototipo de equipo electrónico de medida, registro, procesamiento y monitorización de parámetros del automóvil asociados al comportamiento del vehículo (aspectos ligados a su dinámica y grado de contaminación ambiental), características del recorrido y actitud del conductor en condiciones de tráfico real. El propósito del proyecto MEDUSA-I es conseguir un prototipo básico y definir sus especificaciones de trabajo, de forma que se permita avanzar en etapas posteriores en su perfeccionamiento, ajustes y adaptaciones hasta conseguir un prototipo plenamente funcional; de ahí la denominación de prototipo básico No obstante, también para el diseño del prototipo básico se ha tenido en cuenta el principio de universalidad que ha de caracterizar al equipo final. Universalidad que se traduce en:

• Aplicable a cualquier tipo de unidad del parque automovilístico, independientemente del tamaño del vehículo (turismo convencional, monovolumen, todoterreno, etc.) y del carburante utilizado (gasolina o diesel).

• Independiente del sistema de diagnosis incorporado, desde vehículos que no

requirieron la implantación del estándar EOBD (anteriores al año 2000) hasta vehículos actuales con posibilidad de acceso al bus CAN a través del conector OBD correspondiente.

• De acondicionamiento e instalación mínimamente intrusivo, a fin de facilitar su

implantación fiable y segura en cualquier modelo de vehículo. Esto redundará en un corto período de adaptación, aprendizaje y puesta en servicio de los usuarios del medidor.


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• Además su funcionalidad se ha de demostrar tanto en condiciones de circulación como en banco de pruebas estacionario.

La identificación de parámetros a incluir en el prototipo Medusa se ha llevado a cabo en colaboración con el Grupo de Motores Térmicos –GMT- de la Universidad Politécnica de Madrid –UPM-. Teniendo en cuenta los objetivos del proyecto se han considerado necesarios los parámetros mostrados en la Figura 1.1.1.

Figura 1.1.1. Parámetros a evaluar en el proyecto MEDUSA. 1.a) Parámetros internos del vehículo: En este bloque se incluye la temperatura de agua, aceite y aire acondicionado del habitáculo. Así como los relativos a la caracterización de emisiones contaminantes del vehículo, si bien su captura y adaptación de señales es tarea del grupo GMT de la UPM.

1.b) Parámetros asociados a la dinámica de conducción: En esta familia se considera la velocidad instantánea y media, aceleración instantánea y media, orientación instantánea y media, régimen de giro del motor. Así como las variaciones de actuación sobre el pedal del acelerador y el pedal del freno, al igual que la detección de cambio de marcha. 1.c) Parámetros ligados al recorrido: Para caracterizar el trayecto realizado en la prueba de campo se requiere la información instantánea del posicionamiento global del vehículo y la pendiente del recorrido. Además se contará con cámara para grabar la ruta realizada durante el ensayo.

1.d) Parámetros externos al vehículo:

Se incluye aquí el registro continuo de la temperatura y humedad exteriores al vehículo durante el recorrido.

Parámetros

Internos Conducción Recorrido Externos

estrés térmico

emisiones

pedales freno /aceler

cambio marcha

movimientovel/acel lineal y giro

posicionamientoglobal pendiente vía

grabación recorrido

temperatura

humedad


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1.2 Descripción global del prototipo básico del sistema MEDUSA

En la Figura 1.2.1 se muestra el diagrama de bloques general del medidor universal de parámetros del automóvil. Como se puede apreciar son tres los elementos hardware clave del sistema desarrollado:

• Sistema sensorial adecuado a los parámetros implicados en la Figura 1.1.1, descrito en el capítulo 2.

• Sistema de adquisición y acondicionamiento de señal de los sensores básicos (termopares, potenciómetros para medida de desplazamiento de pedales, medidor de revoluciones del motor y medida de emisiones contaminantes), véase apartado 3.1 de la memoria.

• Sistema de procesamiento y monitorización de la información proveniente de los sensores, tarea que se ejecuta en un ordenador portátil. Además el PC se encarga de otras funciones como el registro de los sensores inteligentes o el almacenamiento de la información generada en el ensayo, véase apartado 3.2 de la memoria.

Figura 1.2.1. Estructura general del sistema MEDUSA

Para la definición de la arquitectura hardware, además de atender a criterios netamente técnicos que se describirán más adelante, se ha mantenido el principio de elegir dispositivos y equipamiento electrónico disponibles en el mercado, por dos razones fundamentales: facilitar futuros suministros y acortar tiempos de desarrollo. Complementando la arquitectura hardware se han desarrollado aplicaciones software para la sincronización en la captura de datos de los sensores y para la presentación gráfica de los mismos facilitando su interpretación por el usuario del equipo.

SistemaAdquisición

SistemaProcesamiento yMonitorización

Sistema

Sensorial


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Para la definición y dimensionamiento del sistema MEDUSA completo se han mantenido sesiones de trabajo conjunto con el grupo GMT de la UPM. Ello ha permitido aclarar aspectos comunes del proyecto (tal como se contemplaba en el plan de trabajo) y asegurar la compatibilidad de las propuestas de sensado en un único equipo de registro, procesamiento y monitorización de datos.


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2 SISTEMA SENSORIAL En este capítulo se aborda la descripción general del sistema sensorial, así como el estudio y propuesta particularizada para cada uno de los sensores integrados en el primer prototipo de Medidor Universal de Parámetros del Automóvil.

2.1 Descripción general Como se ha comentado, el mayor o menor nivel de contaminación ambiental procedente del automóvil es función de tres factores fundamentales: estado del vehículo, comportamiento del conductor y características del recorrido elegido. A fin de evaluar la interacción y el efecto de éstos sobre la contaminación ambiental causada por el tráfico rodado integrar estos aspectos se han considerado relevantes los parámetros mostrados en la Figura 1.1.1, información que se completa con la de la Figura 2.1.1 donde se asocia cada parámetro con el sensor correspondiente. A modo de excepción, para determinar la marcha en que circula el vehículo no se propone ningún sensor específico, de forma que a partir de otros (sensores inerciales y medidor de revoluciones del motor) y con un procesamiento adecuado se concluirá la estimación del cambio de marcha y, por tanto, la marcha correspondiente. Independientemente de la clasificación de sensores de la Figura 2.1.1, acorde con la realizada para parámetros en el capítulo 1, los sensores incorporados al prototipo Medusa-I son de dos tipos:

• Básicos, que requieren de un sistema de adquisición de señal y posterior procesamiento digital para su correcta interpretación por el usuario. A esta categoría pertenecen los termopares, los potenciómetros, el medidor de revoluciones [Sensing, 2005] y los relativos a la emisión de gases.

• Inteligentes, es decir aquellos que incorporan una electrónica de procesamiento de señal de forma que su salida digital se aplica directamente al ordenador portátil. Dentro de esta familia se encuentra: la unidad de acelerómetros y giróscopos [Sensing, 2005], el sistema de posicionamiento global, las cámaras de visión artificial y el termo higrómetro.

Debido a la diferente naturaleza de los parámetros a evaluar y a la diversidad de sensores incluidos, una de las claves del éxito del proyecto está en la sincronización de la captura de información con periodos de muestreo adaptados a la dinámica de cada sensor, como se detallará más adelante.


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A continuación se detalla la elección de sensores realizada en el proyecto, incluyendo aspectos como objetivo que persigue, descripción técnica y funcional y propuesta de instalación en un automóvil comercial. El orden seguido para presentar el estudio realizado sobre los diversos sensores que forman parte del equipo Medidor Universal de Parámetros del Automóvil es el siguiente: sensor inercial (acelerómetro y giróscopo), medidor de régimen del motor, GPS, cámaras de visión artificial, termo higrómetro, termopares para líquidos, sensor de temperatura del habitáculo y potenciómetros (acelerador y freno).

Figura 2.1.1. Parámetros y sensores incluidos en el proyecto MEDUSA.

2.2 Sensor inercial El consumo de un vehículo es muy dependiente de los cambios de dinámica (fundamentalmente aceleraciones y deceleraciones) a los que se somete el mismo, además de la pendiente del recorrido. De ahí el interés de registrar los cambios de posición y orientación, al igual que de sus correspondientes velocidades, y la pendiente del plano por el que se circula. Analizadas las opciones disponibles en el mercado, la más idónea es aquella que integra en un mismo dispositivo la medida tridimensional de aceleraciones y giros, véase Figura 2.2.1. A partir de ellas, mediante cálculos internos se pueden obtener las velocidades y posiciones asociadas con respecto a tres ejes. Además se trata de un dispositivo de

Sensores

Internos Conducción Recorrido Externos

Temperaturas agua aceite habitáculo

termopares J-K

emisiones contaminantes

pedales freno /acelerpotenciómetro

cambio marchaprocesamiento

vel/acel lineal y giroacelerómetrogiróscopo

régimen motorsensor RPM

posicionamientoglobal GPS + GIS

pendiente víagiróscopo

grabación recorrido cámaras+tarjeta+grabación HD

temperatura exterior

humedad exterior

data logger


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respuesta suficientemente rápida para capturar los cambios de ritmo generados por el conductor, y de sencilla instalación a bordo del vehículo.

Figura 2.2.1. Sensor inercial miniatura MTi.

2.2.1 Descripción funcional El dispositivo MTi de la firma Xsens [Xsens, 2005] es una unidad completa en miniatura para medida inercial en tres dimensiones, con un procesador incorporado capaz de calcular en tiempo real los ángulos de giro según los tres ejes mostrados en la Figura 2.2.2, así como la aceleración lineal también en 3D. Además realiza una compensación del efecto del campo magnético terrestre a partir de magnetómetros integrados en el propio dispositivo, sin la cual la efectividad de estos sensores es bastante limitada.

Figura 2.2.2. Ejes locales, en tres-dimisiones, del sensor inercial.

Realmente, este medidor inercial incluye tres subsistemas de medida: giróscopo 3D, acelerómetro 3D y magnetómetro 3D, tal como se aprecia en la Figura 2.2.3. Las salidas


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de los correspondientes sensores son tratadas por un procesador digital de señal (Power-DSP) que ejecuta la algoritmia necesaria para conseguir la orientación absoluta en tres ejes.

Figura 2.2.3. Diagrama de bloque de los subsistemas del sensor inercial.

Gracias a la electrónica integrada en el sensor, la salida del mismo está disponible para ser aplicada a un puerto serie de un ordenador, sin requerir el paso intermedio por el sistema de adquisición mostrado en la Figura 1.2.1. A continuación se detallan las lecturas del giróscopo y acelerómetro en una prueba de laboratorio. Estas lecturas han sido exportada a la herramienta de cálculo MATLAB 7 mediante el cual se ha desarrollado una aplicación específica para la presentación de las diferentes variables independientemente, véanse de la Figura 2.2.4 a la Figura 2.2.7. En la Figura 2.2.4 se muestra la lectura que da el giróscopo cuando el sensor inercial se encuentra en situación de reposo. Como puede apreciarse, los ángulos con respecto a los ejes de referencia (configurables por el diseñador de la aplicación) son inicialmente nulos y no se produce variación mientras el sensor se encuentra inmóvil. En cambio, cuando el sensor es sometido a un movimiento aleatorio en el espacio, se aprecia (véase Figura 2.2.5) que la lectura del giróscopo registra los cambios de ángulo en los tres ejes simultáneamente. De igual forma, se ha evaluado el subsistema para medida de aceleraciones espaciales. En la Figura 2.2.6 se observa el registro del acelerómetro con el sensor en reposo, mientras que en la Figura 2.2.7 se muestra cómo responde ante un desplazamiento del mismo en el espacio.

Power-DSP Ubicación en 3D

3D Giròscopo

3D Acelerómetro

3D Magnetómetro


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Figura 2.2.4. Lectura del giróscopo manteniendo en reposo el sensor inercial..

Figura 2.2.5. Lectura del giróscopo ante movimiento aleatorio del sensor inercial.


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Figura 2.2.6. Lectura del acelerómetro con el sensor inercial en reposo.

Figura 2.2.7. Lectura del acelerómetro con el sensor inercial en movimiento.


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En la Figura 2.2.8 se puede ver algunas pruebas realizadas, en laboratorio, con el sensor inercial utilizado para medir la inclinación de un plano.

Figura 2.2.8. Prueba de medida de planos inclinados con sensor inercial.

2.2.2 Descripción técnica El sensor MTi cuenta con tres estados de funcionamiento [Xsens, 2005]: en espera (wake up), configuración (config) y medida (measurement), tal y como se indica en la Figura 2.2.9.

Figura 2.2.9. Estados de funcionamiento del sensor Mti.

Tras la conexión al ordenador (no se requiere alimentación adicional) se activa el sensor en modo espera, y si no se realiza ninguna acción sobre él pasa directamente al estado de medida aceptando la configuración salvada en memoria. Para modificar sus


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posibilidades de funcionamiento se ha de entrar en el estado de configuración mediante la generación de la señal “WakeUpAck”. Para pasar del estado de configuración al de medida, o viceversa, se ha de enviar un mensaje (comando) “GoToConfig” o bien “GoTomeasurement”. El formato a utilizar para la comunicación entre sensor y PC, de acuerdo con el protocolo ya citado, es el siguiente: PREAMBLE BID MID LEN DATA CHECKSUM Donde

Field Field width Description Preamble 1 byte Indicator of Start of packet ---- 250 (0xFA) Bid 1 byte Bus identifier / address ---- 255 (0xFF) MID 1 byte Message identifier. LEN 1 byte Value equals number of bytes in DATA field. Maximum value is 254

(0xFE). Value 255 (0xFF) is reserved. DATA 0-254 byte Data bytes (optional). Chechsum 1 byte Checksum of message. Las especificaciones técnicas (rango, linealidad, estabilidad, densidad de ruido, error de alineamiento y ancho de banda) para cada uno de los subsistemas del sensor: acelerómetro, magnetómetro y giróscopo) se indican en la Tabla 2.2.1:

Tabla 2.2.1. Especificaciones técnicas para cada subsistema sensor Rate of turn Acceleration Magnetic field Temperature Dimensions 3 axes 3 axes 3 axes - Full Scale +/- 300 (deg/s) +/-17 (m/s2) +/- 750 mGauss) -55 … +125 (ºC) Linearity 0.1% of FS 0.2% of FS 0.2% of FS < 1% of FS Bias stability (standard deviation)

5 (deg/s) 0.02 (m/s2) 0.5 (mG) 0.5 ºC

Noise density 0.1 deg/s/√Hz

0.001 m/s2/√Hz

0.5 mGauss

-

Alignment error 0.1 deg 0.1 deg 0.1 deg - Bandwidth 40 Hz 30 Hz 10 Hz -

2.2.3 Instalación y ubicación física La ubicación del sensor inercial ha de ser en el interior del vehículo, por ejemplo en el área central próxima al salpicadero (véase Figura 2.2.10), teniendo en cuenta que la conexión con el PC es mediante un cable de 5 metros. La conexión se lleva a cabo a un puerto USB del PC, si bien la comunicación responde al estándar RS-232.


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La orientación del mismo ha de ser respetando, en la medida de lo posible, el eje longitudinal del vehículo, si bien se puede lleva a cabo una corrección posterior debida al desalineamiento entre el sistema de referencia del sensor y el del vehículo.

Posible ubicación de sensor inercial

Figura 2.2.10. Propuesta de ubicación para el sensor inercial en un vehículo comercial.

La orientación del mismo ha de ser respetando, en la medida de lo posible, el eje longitudinal del vehículo, si bien se puede lleva a cabo una corrección posterior debida al desalineamiento entre el sistema de referencia del sensor y el del vehículo.

2.3 Sensor de régimen del motor Tanto en recorrido exterior como en banco de pruebas, el régimen del motor es importante para evaluar la relación entre el consumo y el estado del vehículo. Por ello se ha incluido este parámetro entre los objetivos del proyecto Medusa. Téngase en cuenta que cada modelo de vehículo alcanza aceleraciones diferentes con regímenes de motor diferentes, por lo que la información de este sensor es complementaria a la del inercial. Por otra parte, la medida del régimen del motor servirá de referencia para estimar la marcha de velocidad en que circula el conductor. Para la elección del sensor idónea asociado a este parámetro se han barajado varias posibilidades:

• Medidor de la corriente suministrada por el alternador, mediante una pinza de corriente [Clampmeter, 2005] ubicada próxima a aquél. Esto requiere de un procesamiento adicional de la información obtenida y la correspondiente calibración para cada vehículo, además de los problemas de ubicación en el vehículo durante la prueba en condiciones de tráfico real.


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• Medidor de la vibración del bloque motor [Motorsens, 2005]. El equipo permite medir la velocidad de giro de un motor sin necesidad de conectarle sensores de acceso dificil Dado que la medición se efectúa directamente a partir de la vibración del bloque motor, el equipo funciona tanto en vehículos a gasolina como diesel.

• Medidor a partir del rizado de la alimentación continua [Kmt, 2005] proporcionada por la batería. Junto a las ventajas del grupo anterior hay que añadir la facilidad de conexión al punto de calentamiento del mechero del vehículo o a los bornes de la propia batería.

Del análisis anterior se deduce que la opción más adecuada es la tercera, lo que se concreta en el medidor RPM8000 de la firma KMT, cuyo kit adquirido para el proyecto se muestra en la Figura 2.3.1.

2.3.1 Descripción funcional En la Figura 2.3.1 se muestra el aspecto del sensor utilizado para medir el régimen del motor. La fuente de señal procede de la relación entre el rizado de la tensión del alternador y las revoluciones por minuto del motor.

Figura 2.3.1. Sensor utilizado para el régimen del motor y kit completo de medida.

Para entender mejor el principio de funcionamiento del sensor conviene revisar el propio de un alternador. Considérese la señal proporcionada por un generado de tensión conseguido con una bobina girando bajo la acción de un campo magnético producido por dos polos magnéticos (norte y sur), tal y como se muestra en la Figura 2.3.2.a. La salida es una señal sinusoidal (trazo azul) con un ciclo por revolución del bobinado. Esta señal rectificada proporciona una señal alterna de única polaridad con dos pulsos por revolución (trazo negro), resultando un nivel medio indicado por el trazo marrón.


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En el caso de un generador trifásico (lo que se consigue añadiendo dos devanados al caso anterior), manteniendo el par de polos magnéticos, tras la rectificación se consiguen 6 pulsos por vuelta del conjunto bobinado (número de polos multiplicado por número de fases) tal y como se muestra en la Figura 2.3.2.b. Incrementándose claramente el nivel de continua con respecto al caso anterior. Los alternadores de los automóviles normalmente son de 3 fases e incluyen más de dos polos. En la mayoría de los casos están formados por 12 polos (6 pares), con lo que se consigue 6 ciclos por fase y por cada vuelta del alternador. Así, después de la rectificación, se obtienen 36 pulsos en la señal resultante como se puede ver en la Figura 2.3.3.

(a) (b)

Figura 2.3.2. Generación de señal continua a partir de:

(a) un alternador de 1 fase y 2 polos, (b) un alternador de 3 fases y 2 polos.

Figura 2.3.3. Señal generada por un alternador de 3 fases y de 12 polos.

.


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Por tanto, la frecuencia de rizado del voltaje “voltage ripple frequency” (pulsos mencionados anteriormente) se calcula multiplicando el número de revoluciones RPM del alternador por el número de polos y por el número de fases del mismo. Aplicando el sensor RPM 8000 al conector del mechero del automóvil se detecta el rizado de la señal proporcionada por el alternador lo que permite calcular las RPM del mismo. Por otra parte, la relación entre el número de vueltas del alternador y el número de vueltas del motor de un vehículo es constante y es la misma relación que existe entre los diámetros de los discos del motor y el alternador ligados por la polea (Figura 2.3.4).

Figura 2.3.4. Enlace del motor de vehículo con el alternador del mismo.

2.3.2 Descripción técnica El sensor RPM8000 facilita dos tipos de salida: analógica y digital. En el proyecto Medusa, teniendo en cuenta las características del sistema de adquisición, resulta más conveniente utilizar la salida analógica para aplicarla a una canal del mismo tipo del adquisidor (véase Figura 1.2.1). Tras su captura se procesa la señal para ser exportada a la herramienta de interfaz gráfico de usuario. Las principales características técnicas del medidor de RPM utilizado se muestran en la Tabla 2.3.1:

Tabla 2.3.1. Características del medidor RPM

ESPECIFICACIÓN VALOR

Exactitud típica, motor gasolina 1,5 %

Exactitud típica, motor diesel 3,0 %


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Retardo máximo 20 ms

Rango de frecuencia de salida digital 500 Hz – 10 KHz

Nivel de salida digital TTL (0V, 4V)

Conectores de salidas analógica y digital BNC

Impedancia de salida digital 130 Ohm

Rango de tensión de salida analógica 0.5V, 10V

Impedancia de salida analógica 20 Ohm, 10 mA

Alimentación Propia del vehículo (12V – 42V)

Control de usuario Botón de calibración y ajuste con

potenciómetro

Indicadores LEDs de alimentación, sincronización y

calibración

Temperaturas de trabajo 0 – 70 ºC

2.3.3 Instalación y ubicación física Como se ha comentado, el sensor está basado en la detección del rizado de la alimentación “continua” de la red eléctrica del vehículo. Por lo que la ubicación adecuada puede ser o bien los bornes de la batería o bien la conexión al encendedor del vehículo (véase Figura 2.3.5). Por tanto, este rizado puede verse afectado por el ruido incorporado por los dispositivos o cargas conectadas al sistema de alimentación: encendido electrónico en vehículos de gasolina, inyección electrónica en los diesel, motores de limpia cristal, motores de puertas, sistema multimedia, etc. Por ello, este sensor incluye un porcentaje de error en función del tipo de combustible utilizado, siendo del 1.5% en el caso de los vehículos de gasolina y del 3% en el caso de los diesel. Para la correcta utilización del RPM8000 se recomienda:

• Conectar cargas constantes como: luces, elementos motorizado, etc., a fin de mejorar la relación señal/ruido y con así la exactitud de la medida. Además, las cargas constantes ayudan a lograr la sincronización entre la lectura del sensor y la velocidad del motor.

• Esperar a que haya arrancado el motor para realizar las medidas.


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• Evitar la utilización de los conectores de mechero instalados en la parte trasera del vehículo (si ha lugar) pues la longitud del cable puede aumentar las interferencias en la alimentación, véase Figura 2.3.6.

Figura 2.3.5. Propuesta de conexión de sensor RPM8000 en un vehículo comercial.

.

Conector 12 V (encendedor)

Figura 2.3.6. Conexión no recomendable para sensor RPM8000 en un vehículo comercial.

2.4 Sistema de posicionamiento global Como parte de la información registrada en el ensayo a realizar con un vehículo portador del Medidor Universal de Parámetros –MEDUSA-, es importante la localización instantánea del trayecto en un mapa. De ahí la propuesta de incluir un sistema de posicionamiento global o GPS asociado a un sistema de información georreferenciada o GIS, entre los sensores del prototipo bajo estudio.

Conector 12 V (encendedor)

Conector 12 V (encendedor)Conector 12 V

(encendedor)


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Dado que la precisión espacial de un GPS es limitada (entre 3 y 20 m según diferentes dispositivos comerciales), se hace necesario contar con información complementaria como la del sensor inercial para el cálculo con mayor precisión de valores instantáneos de aceleración, velocidad y posición. Como estaba previsto en las tareas del proyecto, se han evaluado diferentes alternativas comercialmente disponibles como el VBOX Pro Lite de la firma M-Tech [Vbox, 2005] o el Fortuna Clip-on de Grafinta [Fortuna, 2005], con todo evaluando prestaciones, coste y disponibilidad se ha optado por el sistema Starfinder AVL de Laipac [Laipac, 2005].

2.4.1 Descripción funcional El sistema de posicionamiento global (Global Positioning System –GPS-) puede proporcionar una localización de coordenadas sobre un mapa terrestre muy precisas [El-Rabbany, 2002]. Con un sensor GPS se obtiene información de la longitud y latitud del vehículo en tiempo real, tomando como referencia de trazado un mapa de carreteras georreferenciado [Mappoint, 2005]. Además de la localización del vehículo, el sensor GPS proporciona la velocidad del mismo con la etiqueta temporal asociada. Procesando la información proporcionada por el GPS se puede extraer, además de valores instantáneos de posición, velocidad y tiempo, otros como velocidad media, distancia recorrida entre dos puntos, etc. La precisión y eficacia del reloj en tiempo real que proporciona el sistema GPS sirve como marca de tiempos que se puede utilizar en el almacenamiento de la información de los parámetros del vehículo medidos. Así, además de un valor numérico que sirva para identificar de manera unívoca el conjunto de valores procedentes de los sensores, se puede incluir la etiqueta temporal asociada. Incluso, el ordenador portátil a utilizar en el prototipo puede sincronizar su hora con el valor de tiempo recibido procedente de las señales GPS. Concretamente, el receptor GPS/GPRS de Laipac (StarFinder AVL) facilita la puesta en marcha e integración con la comunicación de datos vía GPRS, véase Figura 2.4.1. El sistema Starfinder también incluye la posibilidad de almacenar datos basados en intervalos de tiempo, distancia y eventos en el data-logger integrado en el sistema. La selección de datos inteligente permite almacenar datos en la memoria flash interna durante semanas o meses.


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(a) (b)

Figura 2.4.1. Dispositivo receptor GPS utilizado. (a) Vista frontal. (b) Vista superior.

. El sistema tiene además dos entradas ópticas y dos entradas analógicas para telemetría (una se puede utilizar con el botón de pánico de radio frecuencia opcional). Estas entradas se utilizan para disparar dispositivos de alarma o controlar los estados o condiciones deseadas. También dispone de dos salidas para una posible aplicación al control de diferentes parámetros dentro del vehículo. Starfinder puede ser programado de manera remota para configurar los puertos de entrada/salida para recibir comandos de emergencia como necesidad de asistencia en carretera.

2.4.2 Descripción técnica A continuación se enumeran las principales características del GPS Laipac:

• Precisión de posicionamiento de 15 m CEP (circle error position). Es decir la posición real se encuentra en un círculo de 15 m de diámetro centrado en el punto proporcionado por el sensor, con una probabilidad del 95%. Precisión suficiente para los requerimientos del proyecto: ubicación del vehículo ensayado en un mapa conocido.

• Precisión de velocidad de 0.1 m/s. • Petición de posición programable por intervalos de tiempo o distancia recorrida. • Entradas: 2 ópticas, 2 digitales (1 botón de pánico de radio frecuencia) . • Salidas: 2 relés (permite controlar 4 condiciones). • Interfaz celular GSM/GPRS - CDMA/1X basada en SMS, GPRS y 1X • Modos sleep y stand-by para el ahorro de energía


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En concreto las prestaciones técnicas del sistema de posicionamiento basado en GPS se resumen en la Tabla 2.4.1.

Tabla 2.4.1. Prestaciones módulo GPS Características Típica Máx. Unidades Seguimiento de canales 12 12 Precisión posicionamiento 15 CEP m Precisión velocidad 0.1 m/s Precisión tiempo 1 us Tiempo de arranque frío 48 s Tiempo de arranque templado 38 s Tiempo de arranque en caliente 8 s Máxima altura 18,000 m

El sistema GPS representa las coordenadas terrestres en 12 segmentos y dentro de cada uno de ellos en 30 grados (12 * 30 = 360º). De esta manera, el sistema de posicionamiento GPS utiliza el sistema trigonométrico estándar de grados, minutos y segundos, pero usando fracciones decimales de grados para proporcionar una única cifra. . Por ejemplo:

• 47 Grados 38 Minutos 12.372 Segundos Latitud Norte • 122 Grados 7 Minutos 58.8 Segundos Longitud Oeste

se representa como: • Latitud: 47.63677 • Longitud: -122.13300

Es generalmente aceptado que la Latitud es positiva en dirección Norte y la Longitud es positiva en dirección Este. El formato estándar en el que la mayoría de los dispositivos GPS proporcionan la informacion a un ordenador es haciendo uso del estándar NMEA 0183 (National Marine Electronics Association) [Nmea, 2005]. El receptor GPS recoge las señales procedentes de varios satélites de los que se conoce su posición en el espacio. La medida del tiempo que tardan en llegar 4 de estas señales que contienen una marca de tiempo pseudo-aleatorio posibilita el cálculo de la posición del receptor así como el valor de tiempo actual. Por ello, el dispositivo necesita sincronizar su propio reloj interno con el valor de tiempo de la red de satélites. El proceso de reconocimiento de las 4 señales puede llevar un tiempo considerable dependiendo de:


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• La cantidad de información que tenga el dispositivo GPS acerca de una posición previa.

• La precisión de la información • La facilidad con la que el dispositivo puede leer las señales de los satélites (los

obstáculos limitan la potencia de la señal y el número de satélites disponibles). Existen dos tipos de arranque del dispositivo GPS:

• Arranque en frío (Cold start): se produce en los casos en los que el dispositivo no tiene información acerca de la posición actual o es incorrecta. El dispositivo puede tardar de 5 a 6 minutos hasta adquirir la nueva posición (suponiendo que existe visibilidad).

• Arranque templado (Warm start) : se produce en los casos en los que el dispositivo ha alamacenado la última posición reconocida y actualmente se encuentra no muy lejos de esta última. Dependiendo de las condiciones del ensayo, el dispositivo puede tardar de unos segundos hasta un minuto hasta adquirir la posición correcta.

• Arranque en caliente (Hot start) : es el derivado de la pérdida momentánea de enlace con los satélites.

2.4.3 Instalación y ubicación física El dispositivo sensor GPS consta de 2 partes: la unidad de procesamiento (Figura 2.4.1) y la antena (Figura 2.4.2). La unidad de procesamiento se puede ubicar cercana al ordenador conectándose mediante un cable DB9 al puerto serie RS232. En la Figura 2.4.2 se muestra la antena GPS que se debe conectar al receptor para realizar el procesamiento de las señales procedentes de los satélites.

Figura 2.4.2. Antena receptora asociada al sensor GPS.


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La ubicación de la antena debe ser preferiblemente en la parte superior externa del vehículo ya que para un correcto funcionamiento el fabricante recomienda ubicar la antena con una visibilidad de 120 grados hacia arriba, a fin de contar con una adecuada visibilidad de los satélites GPS. En la Figura 2.4.3 se muestra una posible ubicación de la antena en un vehículo comercial.

Figura 2.4.3. Posible ubicación de la antena GPS.

Para su alimentación se necesita disponer de una conexión a una fuente de alimentación de 12V. Bien el conector del mechero del coche (delantero o trasero) o al sistema de alimentación del rack DEWETRON (sistema de adquisición) .

2.4.4 Integración en la aplicación Los dispositivos GPS conectados a un ordenador portátil transmiten la información vía serie conforme al protocolo NMEA 0183 a 4800 bps Los dispositivos GPS con conexiones USB o Bluetooth mapean un puerto serie COM a través del cual se intercambian los datos. En los ensayos realizados se ha conectado el sensor GPS al puerto serie RS-232 del ordenador, mapeado como puerto COM1 en Windows XP. La aplicación desarrollada en el presente trabajo lee la información transmitida a través de un puerto serie del ordenador portátil. El procesamiento de los datos debe ser capaz de identificar las cadenas de comandos GPS definidos en el protocolo NMEA 0183. Para ello, se puede hacer uso de un tratamiento directo por parte de la aplicación software de Starfinder manejando también el control del puerto serie de comunicaciones, o bien se puede integrar un control ActiveX (p.e. GpsTools desarrollado por la compañía Franson Biz.) el cual incorpora tanto la interpretación del estándar NMEA como el manejo del puerto a través del cual se leen los datos del GPS.


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Por defecto, el dispositivo GPS proporciona la posición actual cada segundo. Además, el sensor envía información acerca de cuántos satélites son visibles y reporta la operación que está realizando.

2.4.5 Lectura de datos GPS El dispositivo envía cadenas de texto donde el comienzo de la sentencia es un código que identifica los datos que se acompañan [Laipac, 2005]. Concretamente la cadena que comienza por el código “$GPGGA” es la que proporciona la información de localización. Esta cadena de texto contiene diferentes campos delimitados por comas, tal y como se muestra en la Tabla 2.4.2. Para posicionar al vehículo en el control de MapPoint los valores de longitud y latitud con dirección Sur u Oeste se pondrán como negativos. Los valores en grados y minutos se deben convertir a un número en formato decimal estándar. Para ello, se deben eliminar los primeros dígitos correspondientes a los grados y dividir el valor de minutos restante entre 60, para sumarlo al valor de grados.

Tabla 2.4.2. Formato cadena GPS Campo. Descripción Ejemplo de dato 1. Tiempo en el que se ha calculado la posición (hhmmss.ss) 180432.00 2. Latitud (ggmm.mmmmmm) 4738.2062 3. Dirección de Latitud (N=Norte / S=Sur) N 4. Longitud (gggmm.mmmmmm) 12207.98 5. Dirección de Longitud (W=Oeste / E=Este) W 6. Calidad recepción GPS (0=inválida, 1=GPS, 2=DGPS) 1 7. Número de satélites utilizados en el cálculo 07 9. Altitud 212.15 10. Unidades de Altitud (M=metros) M Ejemplo:

4738.2062 es “47” grados y “38.2062” minutos 38.2062 / 60 = 0.63677 47.63677 Latitud

Los valores de longitud y latitud proporcionados por el dispositivo GPS, son considerados como válidos sólo si el valor Calidad de recepción GPS es mayor que 0. De otra forma, los datos pueden no ser precisos.


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Puntos GPS utilizables: Para calcular la distancia entre dos puntos GPS en formato decimal, se puede hacer uso de la ecuación siguiente (formula de gran círculo) [Stolarz, 2005] :

r * arccos[sin(lat1) * sin(lat2) + cos(lat1) * cos(lat2) * cos(lon2 - lon1)] Esta formula se debe utilizar cuando se desean medir distancias entre dos puntos 1 y 2 alejados. Para calcular distancias entre puntos más cercanos (distanciados varios metros) es más correcta la expresión:

sqrt([1843.55 * (lat2 – lat1)^2] + [1084,55 * (lon2 – lon1)^2]) (valor en km.) Dado que el receptor GPS puede proporcionar valores de localización con precisión de hasta 10m, se fija dicha distancia como valor a superar por la ecuación anterior para así considerar un nuevo dato procedente del GPS por parte de la aplicación de medida de parámetros. Trasladando a valores de grados proporcionados por el GPS en longitud y latitud se pueden redondear a una precisión de 0.0001 eliminando dichas variaciones de posicionamiento erróneo que de otra forma se acumularían en un cálculo de distancias considerando todos los puntos GPS recibidos. Para aumentar la precisión de la localización, cuando la diferencia entre dos medidas GPS consecutivas son idénticas atendiendo al valor de redondeo anterior se realiza una media entre ese punto y el valor anterior. De esta manera, estando el vehículo parado, las sucesivas medidas GPS irán acumulándose, logrando un valor medio próximo al verdadero, reduciendo al mínimo el error de posicionamiento.

2.5 Sistema de visión artificial Con el objetivo de tener información visual de las características del entorno y las circunstancias concretas en las que se realiza el ensayo, en condiciones de tráfico real, se ha incorporado al prototipo Medusa un sistema de visión artificial. De esta forma es fácil registrar detalles como: cruces, rotondas, semáforos, cambios de carril, comportamiento de otros vehículos, etc. La realimentación visual de la conducción posibilita un procesamiento posterior más completo y ayuda a entender otros parámetros medidos por el sistema propuesto en el proyecto.


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2.5.1 Descripción funcional. Actualmente existen en el mercado de cámaras digitales, fundamentalmente dos tipos de cámaras de vídeo estándar con una buena relación calidad/precio: usb y firewire. Mientras las cámaras usb están destinadas a un entorno ofimático y personal, las cámaras con el estándar de comunicaciones digital firewire (también conocido por la referencia del estándar que cumplen, IEEE 1394) proporcionan una alta velocidad de transmisión y son utilizadas en entornos industriales y productivos. Se ha elegido como bus de comunicaciones digital las cámaras de video firewire [FireWire, 2003], permitiendo conectar en un único bus las cámaras que se puedan considerar necesarias (en principio se conectará una única cámara) para la captación de las condiciones del entorno de conducción. Las velocidades de transmisión por el bus son de 400Mbps lo que permite visualizar en tiempo real la imagen en el ordenador supervisor del conjunto del sistema. Las imágenes obtenidas serán sincronizadas por el software junto con el resto de los parámetros medidos y almacenados en el disco duro del ordenador para posibilitar su posterior tratamiento. La cámara digital, la cual se muestra en la Figura 2.5.1, escogida es la Fire-i de la compañía Unibrain. Es una cámara que soporta la última revisión del estándar de comunicación digital IIDC FireWire v 1.04.

Figura 2.5.1. Cámara Fire-i de Unibrain utilizada en el proyecto.


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2.5.2 Descripción técnica. La Tabla 2.5.1 recoge las principales características de la cámara Fire-i de Unibrain:

Tabla 2.5.1. Características de la cámara Fire-i de Unibrain.

CARACTERISTICA VALOR

Interfaz FireWire, 2 puertos de 6 pines para permitir una conexíón en bus serie

Velocidad de transmisión 400 Mbps

Tamaño del sensor CCD ¼’’

Escaneado de imagen Progresivo

Píxeles efectivos (H x V) 659 x 494

Distancia focal 4.65 mm

Enfoque Manual

Iris Fijo

Angulo de visión horizontal 42°

Angulo de visión vertical 32°

Consumo 0.9 W

Para no sobrecargar el sistema se ha configurado una transferencia de imagen en color a 15 imágenes por segundo y con una resolución de 320x240 píxeles (considerados como suficientes para nuestro objetivo mientras se reduce el almacenamiento necesario). Para realizar ajustes como brillo, contraste, saturación, resolución de la imagen, etc. la cámara dispone de un software propietario que de ser necesario se puede incluir en la aplicación final, o bien realizar la ejecución de dicho programa durante la instalación del sistema de medida. La Tabla 2.5.2 muestra las características configurables desde el ordenador:

Tabla 2.5.2. Parámetros controlables via PC

CARACTERÍSTICA CONTROL

Ganancia Auto/Manual 0 - 30 dB

Shutter Electrónico Auto/Manual 1/3400s - 1/31s

Nivel de negros Auto/Manual

Corrección Gamma OFF (lineal) 1 / ON (visual) 0.45


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Compensación de luz de fondo 6 modos + OFF

Sharpness Manual

Balance de blancos Auto/Manual

Saturación de color Manual

Generador de barras y rampas ON/OFF

2.5.3 Instalación y ubicación física. La ubicación más adecuada para la cámara es el salpicadero delantero (Figura 2.2.10). Las reducidas dimensiones de la cámara la hacen ideal para una fácil instalación y manejo en cualquier condición. Tiene las siguientes dimensiones:

• Ancho x Alto x Fondo: 62 x 62 x 35 mm • Peso 60 gr

Para su instalación se debe recurrir al uso de ventosas de ajuste para una mejor fijación y buscando un soporte que minimice las posibles vibraciones que deterioren la imagen captada. Se debe llevar un cable de 6 pines desde la cámara al ordenador. Dado que es un bus serie, se puede realizar la conexión entre el ordenador y una cámara y desde ésta llevar un cable hasta cámara si se requiere. Esta versatilidad permite simplificar la instalación del sistema de captura para que se adapte a las necesidades específicas en cada vehículo. La longitud de los cables puede alcanzar los 10m garantizando que no existe ningún tipo de pérdida en los datos transmitidos. También existen cableados retráctiles (como se muestra en la Figura 2.5.2) que permiten una conexión más compacta, ajustable a las dimensiones de cada vehículo concreto.

Figura 2.5.2. Cable FireWire retractil.


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Para su alimentación se necesita de una tensión de 12V y una corriente de 1A. Dadas las características del bus digital firewire, sólo es necesario alimentar una cámara siendo esta la que alimente a través del bus a otras posibles. Existen conectores y adaptadores firewire que permiten conectar un bus de 6 pines a una fuente de alimentación externa y conexión a bus de 4 pines sin alimentación (caso más habitual en los ordenadores portátiles actuales para que reducir el consumo de su batería).

2.5.4 Configuración y puesta en marcha Como ya se ha comentado, las cámaras se orientarán una capturando el entorno de la parte delantera y otra para captar el entorno por la parte trasera, minimizando en lo posible los ángulos muertos de visión. Atendiendo principalmente al ángulo de visión horizontal (el vertical es más que suficiente) se puede cubrir el espacio mostrado en la Figura 2.5.3. Para la puesta en marcha se debe lanzar la aplicación de configuración de cámaras: Fire-I Explorer, véase Figura 2.5.4.

Figura 2.5.3. Ángulo de visión cubierto con una cámara situada próxima al salpicadero.


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Figura 2.5.4. Configuración de la cámara a través del programa Fire-i Explorer. A continuación se muestra una fotografía (Figura 2.5.5) donde dos cámaras de alta resolución captan una página de un libro, así como su visualización en un ordenador portátil.

Figura 2.5.5. Cámaras Fire-i capturando vídeo en tiempo real.

.

2.6 Termo higrómetro A fin de evaluar el efecto de las condiciones climáticas del entorno de circulación en el consumo del vehículo y, por tanto, en el nivel de contaminación, se ha considerado de interés la incorporación de un sensor externo de temperatura y humedad.


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De las distintas opciones existentes en el mercado se ha optado por aquella que consiste en un único dispositivo con alimentación propia y capacidad de registro continuo de información con cadencia programable. De igual forma se puede programar la frecuencia con que los datos son exportados al ordenador del sistema Medusa. Además su peso y tamaño son idóneas para ser ubicado en el exterior del vehículo, véase la Figura 2.6.1.

2.6.1 Descripción funcional El Hobo H8Pro [Pce, 2005] es un sensor de temperatura y humedad, del grupo alemán PCE, para aplicaciones en exteriores. Incorpora alimentación propia mediante pilas, con lo cual es necesaria una fuente de tensión externa. Este sensor incluye un software específico llamado “BoxCar” que permite programar el sensor: definir el intervalo de lectura y el comienzo de la misma. Para el registro de datos no requiere de conexión alguna al PC, pero si para el volcado de la información registrada.

Figura 2.6.1. Aspecto del termo higrómetro Hobo H8Pro

2.6.2 Descripción técnica La lectura de temperatura y humedad puede realizarse con dos niveles de precisión, si bien la memoria interna disponible es la misma por lo que se pueden registrar hasta 65291 medidas con 8bits o hasta 32645 con 12 bits.


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Para el volcado de datos a un PC se dispone de un conector aplicado a un puerto serie del mismo o, en su caso, a un adaptador DB9-USB. En la Tabla 2.6.1 se indican las características técnicas del termo higrómetro.

Tabla 2.6.1. Características técnicas del sensor de humedad.

ESPECIFICACIÓN VALOR

Rango temperatura -30 a .+50 °C

Rango humedad 0...100 % HR

Precisión temperatura ±0,2 °C (registro con 12 bit) ±0,4 °C (registro con 8 bit)

Precisión humedad ± 3 %

Constante de tiempo < 15min

Memoria 65291 datos de 8 bit 32645 datos de 12 bit

Intervalo de captura 0.5 segundos a 9 horas

Dimensiones 102 x 51 mm (diámetro x alto)

Peso 105 g

2.6.3 Instalación y ubicación física La ubicación prevista para el termo higrómetro, siempre en el exterior, puede ser:

• adherida al soporte de antena, baca, o • soporte de alguno de los espejos retrovisores del vehículo, véase la Figura 2.6.2.

Figura 2.6.2. Ejemplos de puntos adecuados para ubicación de termo higrómetro: baca,

soporte retrovisor.


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2.7 Termopares para líquidos Entre los objetivos del proyecto está el evaluar cómo afecta a la emisión de gases de un vehículo las condiciones de funcionamiento del mismo, concretamente la temperatura del aceite y del líquido del circuito de refrigeración [Instserv, 2005], [Kobold, 2005]. Para cumplir con esta tarea se han incorporado al prototipo Medusa sendos termopares. La medida de estas temperaturas podría haberse llevado a cabo con RTD’s que proporcionan mayor exactitud y facilidad de acondicionamiento. Sin embargo, dados los requerimientos de la aplicación (instalación de sensores sin intrusión), se ha optado por sensores tipo termopar ya que el espectro de formatos de este tipo de sensor (varilla, flexibles, láminas autoadhesivas, etc.) que pueden encontrarse en el mercado es muy superior al de los RTD’s. De esta manera, pueden encontrarse termopares para la medida de temperatura en tuberías sin la necesidad de tener que insertarlo o ponerlo en contacto con el líquido que circula por esta. También pueden encontrarse termopares flexibles que pueden adaptarse fácilmente a las cavidades en las que se introducen. Estas dos alternativas resultan de enorme interés en la aplicación que nos ocupa, tal y como se describe a continuación. En cualquier caso, en lo que a requerimientos de exactitud se refiere para la aplicación concreta que nos ocupa, la proporcionada por los termopares es más que suficiente.

2.7.1 Descripción funcional En este punto se detalla cómo medir tanto la temperatura del líquido refrigerante como del aceite. Temperatura del líquido refrigerante. La dificultad de la medida de la temperatura del líquido de refrigeración estriba en el hecho de que se trata de un circuito hermético. Por esto, introducir el elemento sensorial sin realizar ningún tipo de operación agresiva sobre éste, resulta prácticamente imposible. De esta manera, se ha optado por medir la temperatura desde el exterior, en particular, se mide la temperatura en la superficie de los manguitos del circuito de refrigeración. No debe perderse de vista que en esta aplicación, más que el valor exacto de la temperatura, lo que interesa es el seguimiento de las variaciones que pueda sufrir. En la Figura 2.7.1 se puede observar el aspecto del termopar elegido, especialmente diseñado para medir temperatura en conductos.


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Cabeza sensora

Abrazadera de sujeción al conduzto

Figura 2.7.1. Termopar para la medida de temperatura en conductos. El termopar está formado por una especie de cabeza sensora, que es el elemento sensible del sensor. Esta cabeza sensora se pone en contacto con la superficie del conducto cuya temperatura se desea medir. Adicionalmente incluye una abrazadera que facilita la fijación del elemento sensor al conducto sin la necesidad de tener que realizar ningún tipo de perforación. Temperatura del aceite del motor. Para la temperatura del aceite del motor se ha optado por la elección de un termopar flexible, ya que, como se describe posteriormente este sensor se instala insertándolo por el orificio de la varilla de control del nivel de aceite. Dependiendo de cada modelo de vehículo, la trayectoria que recorre la varilla no es siempre recta. En la Figura 2.7.2 puede observarse el aspecto del termopar elegido.

Figura 2.7.2. Termopar flexible para la medida de la temperatura del aceite.

. En lo que respecta a la elección del tipo de termopar, hay que decir que aunque el termopar puede, por su principio de funcionamiento, construirse con dos metales


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diferentes cualesquiera, la necesidad de una elevada sensibilidad, estabilidad a largo plazo, linealidad, etc., ha llevado a que tan sólo se utilicen determinados materiales dando lugar a diferentes tipos de termopares. Así se tiene termopares tipo J, K, T, N, R, S y B. Los cuatro primeros se conocen con el nombre de termopares de metales básicos ya que están fabricados utilizando metales comunes como el cobre, níquel, aluminio, etc. Los tipos R, S y B se conocen con el nombre de termopares nobles por que están fabricados utilizando platino y rodio. Estos últimos se utilizan cuando las temperaturas a medir son muy elevadas y exceden los márgenes que se pueden alcanzar con los metales base o cuando hay problemas de compatibilidad química [Tc-direct, 2005]. La elección depende, en términos generales, del rango de operación al que será sometido, a la exactitud requerida y al coste del mismo. A bajas temperaturas (200-600 ºC) son recomendables los tipos J, K y T. El tipo J es el más barato, pero tiene que tomarse la precaución de no usarse en ambientes sulfatados. Téngase en cuenta que en ambientes sulfatados un termopar, al tratarse de la unión de dos metales, es susceptible al ataque químico de agentes oxidantes, por lo que debe estar debidamente protegido en cubiertas llamadas termopozos, usadas también para la instalación de RTD's y termistores. El termopar tipo K aunque más caro, es el más lineal. En la Tabla 2.7.1 se muestran la aplicabilidad de los distintos tipos de termopares.

Tabla 2.7.1. Aplicabilidad según tipo de termopar

TIPO APLICABILIDAD

B, R y S

- Pueden ser utilizados en entornos oxidantes, pero no se recomiendan en atmósferas reducidas (ricas en hidrógeno).

- Presentan buena resistencia a la corrosión. - Soportan temperaturas muy elevadas. - Baja sensibilidad, por lo que generan f.e.m.’s pequeñas, sobre todo el tipo B - Linealidad bastante aceptable. - El tipo R se utiliza industrialmente, mientras que el S se usa en laboratorios. - Tienden a descalibrarse.

K

- Pueden utilizarse en entornos oxidantes y se deterioran lentamente en atmósferas reducidas.

- Excelente linealidad (α varía ±2o μV/oC en un rango de 1000o). - Rango de temperatura inferior a los tipos B, R y S pero superior a los J.

J

- Puede utilizarse en atmósferas reducidas. - Presentan una elevada sensibilidad. - Bajo tiempo de respuesta. - Menor linealidad que los tipo K.

N - Se utilizan en aplicaciones donde el termopar tipo K tiene problemas de

oxidación.


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TIPO APLICABILIDAD

T - Su característica más destacable es la elevada resistencia a la corrosión por

humedad atmosférica o condensación.

Atendiendo a las características descritas para cada tipo de termopar, para el prototipo Meduda se han elegido termopares tipo K debido a su excelente linealidad. En lo que respecta al acondicionamiento, los termopares no están exentos de desventajas que limitan su uso. En primer lugar, presentan una baja relación señal/ruido (SNR), siendo por tanto muy susceptibles a sufrir alteraciones por ruido. Esto es una consecuencia lógica, ya que al tratarse de dos conductores, cuando están instalados cerca de campos magnéticos fuertes tendrán voltajes inducidos sobre todo cuando su longitud sea larga. Es por ello que requieren de un acondicionador que incluya filtros que eliminen los voltajes inducidos de altas frecuencias con un transmisor adecuado cerca del lugar de medición. Otra de los efectos indeseados es cuando se tienen voltajes parásitos debido a la unión de los terminales del termopar con otros conductores a diferente temperatura que la unión caliente o sensora. Este fenómeno se denomina "efecto de unión fría" y se presenta como una consecuencia de una violación a las leyes de la temperatura intermedia y del metal intermedio. Una forma de evitar este efecto indeseado es aprovechar otra de las leyes -la del metal intermedio- para compensar los voltajes de las uniones en la unión fría [Cooling, 2005]. En el caso de la aplicación objeto del proyecto, todos estos inconvenientes se han solventado con la adecuada elección del equipo de acondicionamiento. El equipo elegido incorpora filtros y ganancia programables, y compensación de la unión fría.

2.7.2 Descripción técnica A continuación se describen las características técnicas de los dos termopares bajo estudio. a.- Características del termopar utilizado para la medida de la temperatura del líquido refrigerante. Las características técnicas de este termopar se muestran en la Tabla 2.7.2. Otras características de interés son las siguientes:

• Unión puesta a tierra lo que permite mayores velocidades de respuesta. • 2m de cable de malla de acero inoxidable • Se ajusta a diámetros de tubería de entre 13 y 55mm • Temperatura de funcionamiento de 0°C a +350°C


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Tabla 2.7.2. Características técnicas termopar utilizado

Características técnicas

Composición - brazo -ve: 95% de Ni y mezcla equilibrada de AL, Si, Mn

- brazo +ve: 90% de Ni, 10% de Cr Temperatura de funcionamiento en continuo

de -200°C a +1.100°C

Lectura puntual máxima +1.300°C

Precisión

no especificada entre -200°C y 0°C

de 0°C a +400°C: ± 3°C

de 400°C a 1.100°C: ± 0,75%

no especificada por encima de 1.100°C 2.- Características del termopar utilizado para la medida de la temperatura del aceite. Las características del termopar flexible son las mismas que las presentadas para el termopar descrito para medición de temperaturas en conductos (ambos son de tipo K). Otras características de interés del termopar flexible (véase Tabla 2.7.3) son las siguientes:

• Termopar de 2m (aprox.) con el conductor aislado mediante fibra de vidrio impregnada en barniz

• El extremo de la unión se ha soldado para evitar la oxidación

Tabla 2.7.3. Características físicas del termopar utilizado

Características técnicas

Diámetro del hilo 1/0,315mm Diámetro total 1,5mm Temperatura de funcionamiento de -50°C a +400°C

2.7.3 Instalación y ubicación física Como se ha indicado, el termopar para la medida de temperatura del líquido de refrigeración se sitúa sobre el manguito del radiador. El termopar para la medida de la temperatura del aceite se sitúa junto o en sustitución de la varilla de control de nivel.


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En la Figura 2.7.3se muestra la ubicación del termopar para la medida de la temperatura del aceite, y en la Figura 2.7.4 se hace lo propio con el termopar para la medida de la temperatura del líquido de refrigeración.

Ubicación termopar medida temperatura del aceite

Figura 2.7.3. Ubicación de termopar para medida de temperatura del aceite.

Ubicación termopar medida temperatura líquido refrigerante

Figura 2.7.4. Ubicación de termopar para medida de temperatura del líquido refrigerante.

2.8 Sensor de temperatura del habitáculo Al igual que en el caso de la temperatura del aceite del motor y del líquido del circuito de refrigeración, es interesante conocer cómo afecta al consumo del vehículo la activación del sistema de aire acondicionado. Para ello se ha recurrido a un sensor de temperatura de unión semiconductora. En particular, por las características que presenta


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y que se describen a continuación, se ha elegido el circuito integrado AD590 de Analog Device.

2.8.1 Descripción funcional El AD590 es un sensor de temperatura de unión semiconductora de dos terminales que proporciona una salida en corriente proporcional a la temperatura absoluta (Figura 2.8.1). Dado que proporciona salida en corriente, es muy apropiado para la medida de temperatura en puntos alejados del sistema de acondicionamiento (medida de temperatura remota), como es el caso de la aplicación que nos ocupa.

NOTA: El tercer Terminal no se conecta por carecer de funcionalidad.

Figura 2.8.1. Sensor AD590 para medida de temperatura en el habitáculo.

2.8.2 Descripción técnica El AD590 tiene una sensibilidad de 1 µA/ºC, y entre las características técnicas más destacables se encuentran las siguientes:

• Insensibilidad a la caída de tensión en las líneas debido a su salida en corriente de alta impedancia. Como medio de transmisión es suficiente con utilizar un par de cable trenzado con aislamiento. Con este medio de transmisión se pueden conseguir distancias de transmisión de hasta cientos de metros.

• Buena exactitud (error absoluto máximo de hasta ±0.5 ºC). • Rango de temperatura de -55 a +150 ºC. • Excelente linealidad (±0.3 ºC). • Amplio margen de tensiones de alimentación: desde 4 a 30 voltios. • Elevado rechazo a la fuente de alimentación lo que, tal y como se comentó, le

hace especialmente útil en aplicaciones de medida de temperatura remota. • Requiere un sencillo hardware de acondicionamiento. • Buen tiempo de respuesta (entorno a 1 segundo)


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2.8.3 Instalación y ubicación física Para detectar la activación del sistema de aire acondicionado, el sensor se situaría en cualquiera de las salidas de aire en el habitáculo del vehículo, tal y como se muestra en la Figura 2.8.2.

Ubicación del sensor de temperatura AD590

Figura 2.8.2. Ubicación del sensor para detectar la puesta en marcha del sistema de aire acondicionado del vehículo.

2.9 Potenciómetros Teniendo en cuenta que las acciones de aceleración y frenado afectan directamente al consumo de combustible, se hace necesario incorporar al prototipo Medusa algún dispositivo que las cuantifique. Además, en la medida de lo posible, ha de ser un sistema de medida fácilmente adaptable a cualquier vehículo, que no requiera una instalación costosa, y sobre todo que no sea intrusiva. En definitiva, para registrar las actuaciones del conductor sobre los pedales de freno y aceleración, se ha optado por sensores de medida de desplazamiento por cable. Lógicamente existen otras alternativas, como puede ser la utilización de componentes optoelectrónicos, pero requieren instalaciones mucho más complejas. Con todo, en su instalación difícilmente puede evitarse el tener que realizar algún tipo de actuación agresiva sobre el vehículo, fundamentalmente para la fijación del sensor al pedal.


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2.9.1 Descripción funcional Los sensores de medida de desplazamiento por cable son elementos que relacionan un movimiento lineal con un movimiento angular. Este movimiento angular es recogido por un potenciómetro, cuya resistencia varía de forma proporcional al recorrido. Basta con medir la resistencia para conocer el desplazamiento que se ha producido [Sensing, 2005]. En la Figura 2.9.1puede observarse el aspecto físico de estos sensores.

Figura 2.9.1. Sensor de medida de desplazamiento por cable.

Los sensores disponen de tres partes mecánicas fundamentales, cable, muelle y tambor (véase Figura 2.9.2).

Tambor

Cable

Figura 2.9.2. Partes de un sensor de medida de desplazamiento por cable.


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• El cable recorre la distancia a medir y es el que actúa directamente sobre el potenciómetro.

• El muelle se encarga de mantenerlo tenso en el punto de medida. • Finalmente el cable se recoge de nuevo con gran precisión en el tambor gracias a

la fuerza de retorno que ejerce el muelle.

En lo que respecta al acondicionamiento de señal, hay que indicar que es bastante sencillo ya que se trata de medir el valor de una resistencia. Para ello se ha montado el sensor en un puente de Wheatstone con una configuración de semipuente (half bridge) tal y como se puede observar en la Figura 2.9.3.

R1 Rpotenciómetro-Rx

R4 Rx

VS

Vcc

Rx Variación de resistencia debida al desplazamiento

Figura 2.9.3. Puente de acondicionamiento. Esta configuración tiene la ventaja de que no introduce ningún tipo de alinealidad en la medida. En definitiva, la salida del puente es una tensión proporcional al desplazamiento sufrido por el cable del sensor.

2.9.2 Descripción técnica Se ha elegido el sensor modelo WS31C-500-R1K-L35 de la firma ASM [Asm, 2005] que presenta las siguientes características técnicas:

• Rango de medida: Desde 50 mm hasta 60.000 mm. • Linealidad: 0.1 %. • Salida: Potenciómetro de 1 K�. • Protección: Desde IP50 hasta IP68. • Temperatura de funcionamiento: Hasta 80 ºC


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En general, se caracteriza por estar constituido por una mecánica de gran precisión y repetibilidad. Puede utilizarse también en ambientes muy hostiles.

2.9.3 Instalación y ubicación física Como se ha indicado, la instalación de estos sensores es rápida y sencilla. Se ubicaría bajo el salpicadero del vehículo, debajo del volante, y el extremo del hilo se fijaría a los pedales (véase Figura 2.9.4). De esta manera, al actuar sobre los pedales (aceleración o freno), la longitud del hilo varía, lo que provoca una variación de resistencia.

Ubicación sensores posición de acelador y freno

Figura 2.9.4. Ubicación del sensor de medida de desplazamiento por cable.


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3 SISTEMAS DE ADQUISICIÓN Y PROCESAMIENTO Este capítulo se dedica a la descripción de los sistemas de adquisición (rack) y de procesamiento (PC), que junto al sistema sensorial son los pilares hardware del prototipo Medusa–I, véase la Figura 1.2.1.

3.1 Descripción del sistema de adquisición La descripción del sistema de adquisición se ha estructurado de la siguiente manera: criterios para su elección, características del sistema DEWE-BOOK-USB2-16 y módulos de acondicionamiento.

3.1.1 Elección del sistema de adquisición de datos Como se ha comentado en apartados anteriores, para la adquisición de las señales y su presentación y procesamiento en un ordenador, se emplean sensores con conexión directa al mismo y otro grupo de sensores los cuales requieren un acondicionamiento y conversión previos. El ordenador elegido para la aplicación planteada ha sido un PC portátil y esto condiciona el sistema de adquisición que se va a utilizar. Son numerosos los sistemas de adquisición que se pueden conectar a un PC portátil. Se puede hacer una primera división atendiendo a la conexión con el ordenador: internos y externos. Los sistemas de adquisición internos consisten en una tarjeta PCMCIA, de la cual salen conectores en los que se colocarán las señales provenientes de los sensores. En este tipo de sistemas se pueden enumerar entre otros los siguientes fabricantes: Measurement Computing [Measurement, 2005], Keithley [Keithley, 2005], National Instruments [National, 2005] y SuperLogics [Logics, 2005]. El inconveniente de estas tarjetas es la fragilidad en la conexión. El hecho de tener elementos móviles en contacto con una tarjeta de pequeñas dimensiones hace que el sistema no sea muy robusto, incluso la propia conexión de la tarjeta PCMCIA no es lo suficientemente robusta para aplicaciones móviles (véase Figura 3.1.1). Estos motivos hacen que se elija un sistema externo al PC, y se conecte a éste a través de uno de los puertos estándar.


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Figura 3.1.1. Tarjeta de adquisición de datos PCMCIA.

De los sistemas de adquisición externos, los más populares actualmente son los que proporcionan conexión a través de los puertos USB (véase Figura 3.1.2). Este conector ofrece una robustez suficiente para la aplicación bajo estudio. Otra característica destacable de este puerto es su velocidad de comunicación, que puede alcanzar, en su versión 2.0, hasta 480Mbps. Esta tasa de transferencia permite emplear frecuencias de muestreo lo suficientemente elevadas para poder procesar la información proveniente de todos los sensores. Como ejemplo, se podrían obtener más de 2 megamuestras por canal, muestreando 12 canales secuencialmente, lo cual permitiría reconstruir 12 señales periódicas de un ancho e banda igual o inferior a 1MHz. Dado que las señales que se van a muestrear, son señales de baja frecuencia (inferiores todas ellas a 10KHz), con la frecuencia permitida por este puerto se puede realizar un sobremuestreo de todos los canales para poder realizar una reconstrucción fiable, y así poder realizar su posterior análisis. Al igual que para sistemas de adquisición internos, para los externos, con conexión USB, también existen numerosos fabricantes, pero caben por su variedad e historial los siguientes: National Instruments [Nacional, 2005], Data Translation [Data, 2005] y Keithley [Keithley, 2005].

Figura 3.1.2. Sistemas de adquisición de datos con conexión USB.


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La naturaleza de las señales que se deben adquirir, hace que cada una de ellas requiera un sensor diferente y, consecuentemente, que la salida que proporcionan sea también diferente. Esto plantea la necesidad de emplear un circuito de acondicionamiento para las señales proporcionadas por los sensores. Por este motivo, se plantea la búsqueda de un sistema de adquisición, externo, pero que además incluya un bloque de acondicionamiento, el cual debe tener la posibilidad de gestionar de forma independiente cada canal. Con estas premisas se encuentran en el mercado sistemas multiplexados, basados en multímetros (véase Figura 3.1.3), como los suministrados por Keithley [Keithely, 2005] y Agilent [Agilent, 2005].

Figura 3.1.3. Sistema de adquisición de datos basado en multímetro.

Estos sistemas tienen la característica de proporcionar una alta resolución a costes medios, pero el mayor inconveniente es que la frecuencia de adquisición que proporcionan es baja (250 muestras/segundo). Esta velocidad de muestreo es suficiente para la mayoría de señales, que son de variación lenta (como las medidas de temperatura), pero si suponemos que se va a adquirir de 12 canales, la velocidad de toma de muestras por canal se reduce aproximadamente a 20 muestras por segundo, lo que reduciría la frecuencia máxima muestreable de una señal periódica a 10Hz.


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Por todo esto, se considera que la solución óptima es la de un sistema de medida externo, basado en una tarjeta de adquisición con conexión USB, y un conjunto de módulos de acondicionamiento. A continuación se muestran dos ejemplos de estos sistemas, firmados por National Instruments [National, 2005] (Figura 3.1.4) y Dewetron [Dewetron, 2005] (Figura 3.1.5).

Figura 3.1.4. Sistema de adquisición de National Instruments.

Figura 3.1.5. Sistema de adquisición de Dewetron.


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Ambos sistemas siguen la misma filosofía, son sistemas modulares basados en un rack robusto, al cual se le pueden añadir módulos de acondicionamiento específico para los sensores que se vayan a utilizar. El sistema planteado requiere disponer de 14 entradas para conectar todos los sensores. Este es uno de los motivos por el que se ha elegido el DEWE-BOOCK de Dewetron. El equipo equivalente de National Instrument dispone de un máximo de 12 entradas. Por otra parte, los módulos de acondicionamiento de Dewetron, tienen una mayor flexibilidad, permitiendo la configuración de filtros y amplificadores en cada entrada. En cuando a la tarjeta de adquisición, Dewetron emplea, en el sistema elegido, una tarjeta de National Instrument, con lo cual en ese punto no hay ventajas de uno sobre otro.

3.1.2 Características del sistema DEWE-BOOK-USB2-16 Se ha elegido este sistema de adquisición por el número de canales disponibles, la flexibilidad de su arquitectura, que permite conectar diversos tipos de acondicionadores, y la velocidad de comunicación con el PC. El DEWE-BOOK-USB2-16 consiste en un rack con 16 ranuras, un backplane (placa de conexiones), una fuente de alimentación, conectores para su comunicación con el exterior y una tarjeta de adquisición. A continuación se comentan sus características más destacables. Rack El rack consiste en una caja de aluminio, protegida por perfiles de plástico. Esta características le confieren una gran rigidez y robustez, ambas características necesarias cuando se trata de equipos portátiles. Backplane El backplane esta formado por una placa con conectores estándar DB9, a los cuales se conectarán los módulos de acondicionamiento, tal y como se aprecia en la Figura 3.1.6.

Figura 3.1.6. Imagen del backplane.


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El hecho de que emplee conectores DB9, proporciona una gran facilidad de conexión en el caso de que se desee diseñar un elemento de acondicionamiento propio. Fuente de alimentación La fuente de alimentación lleva incorporada una batería, de modo que le confiere una cierta autonomía, entorno a una hora, dependiendo del uso. Además puede ser alimentado bien a la red (220v de alterna) o bien a 12V de continua, como la alimentación del automóvil. Conectores El rack dispone de varias conexiones exteriores:

• Conexión de alimentación, a través de la cual se le suministra la energía para su funcionamiento.

• Conexiones con el PC, en las que se incluyen una conexión USB2.0 para la

configuración de la tarjeta de adquisición y la transferencia de los datos adquiridos, y una conexión serie RS232 a través de la cual se configuran los módulos de acondicionamiento y se pueden realizar adquisiciones de baja frecuencia.

• Conector de monitorización, a través del cual se pueden observar los valores que

toman las salidas de los distintos acondicionadores, para verificar el correcto funcionamiento.

Tarjeta de adquisición. La tarjeta de adquisición que incorpora el rack es la NI-DAQPad 6015 de National Instruments, que posee 16 canales de entrada, una resolución de 16 bits y una velocidad máxima de adquisición de 200 Kilomuestras/s.

3.1.3 Módulos de acondicionamiento El sistema de adquisición de datos captura las medidas de los sensores de temperatura, posición de los pedales, revoluciones del motor y concentración de los gases emitidos, tal como se muestra en la Figura 3.1.7.


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Figura 3.1.7. Esquema de conexión de los sensores a los módulos de acondicionamiento. Cada tipo de sensor entrega una señal distinta, por lo que requiere de un acondicionamiento específico. A continuación se describen las características de cada uno de los módulos de acondicionamiento. Acondicionador de termopares PAD-TH8-P y PAD-CB8-K-P Los termopares son los elementos sensores que van a proporcionar una tensión en función de la temperatura. Las variaciones de temperatura son unas variaciones lentas. El fabricante de los módulos de acondicionamiento proporciona uno específico de termopares (véase Figura 3.1.8), el cual, dada la característica de variación lenta de estas magnitudes, realiza la conversión de hasta 8 termopares y entrega el resultado a través del puerto serie, de modo que libera dos canales de la tarjeta de adquisición, a la vez que le evita consumir tiempo para adquirir esos canales. El hecho de que sean medidas de variación lenta, permite también emplear grandes resoluciones en la conversión sin grandes costes. El conversor Analógico/Digital que incluye este módulo tiene una resolución de 24 bits, pero por el contrario la frecuencia máxima de muestreo es de 6 Hz por canal.

0 1 2 3 4 5 15 7 8ACONDICIONADOR DE TERMOPARES

ACONCICIONADORES

DE PUENTES

6 9 10 11 12 13 14

ENTRADAS DE TENSIÓN

SLOTS LIBRES

AGUA

ACELERADOR

MOTOR

A.A.

FRENO SENSORES DE GASES

R.P.M.


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Figura 3.1.8. Acondicionador PAD-TH8-P.

El principio de funcionamiento de los termopares está basado en que generan una tensión proporcional a la diferencia de temperaturas entre sus extremos. Cuando se pretende medir la tempera absoluta de un punto, es necesario realizar la compensación de la que se denomina “unión fría” o unión de referencia. Para ello se emplean otros sensores de temperatura absolutos, y un circuito de compensación que hace la temperatura de interés independiente de la temperatura en el otro extremo del termopar. El dispositivo PAD-CB8-K-P mostrado en la Figura 3.1.9 se conecta al acondicionador PAD-TH8-P y, además de un conjunto de enchufes para ocho termopares, dispone internamente de un sensor absoluto de temperatura y de los circuitos necesarios para realizar la compensación, de forma que la tensión que entrega a su salida es directamente proporcional a la temperatura de la unión caliente, punto que estará en contacto con el objeto de la medida.

Figura 3.1.9. Acondicionador PAD-CB8-K-P.


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Este dispositivo está diseñado para conectar termopares tipo K. La exactitud en la medida es de ±0,4ºC en el margen de -25ºC a 120ºC, y de ±0,6ºC si se extiende el margen hasta 400ºC. Acondicionador de puentes DAQP-BRIDGE-B Este módulo de acondicionamiento, mostrado en la Figura 3.1.10, está diseñado para conectar dispositivos que convierten la magnitud a medir en una variación de resistencia. Este es el caso de la medida de desplazamiento de los pedales acelerador y freno. El movimiento de los pedales se traduce en el desplazamiento del cursor de un potenciómetro de cuerda, y consecuentemente en una variación de resistencia.

Figura 3.1.10. Módulo DAQP-BRIDGE-B.

La medida se realiza situando el sensor dentro de un puente de Wheastone, que permite eliminar el offset existente en situación de reposo. Este módulo de acondicionamiento dispone internamente de amplificadores y filtros programables, así como de dos DAC. El filtro permite fijar una frecuencia de corte, de modo que se pueden eliminar señales interferentes, como por ejemplo las debidas a las vibraciones producidas por el motor. Esta frecuencia de corte se puede ajustar entre 10Hz y 100KHz. Al ajustar la ganancia de los amplificadores se puede adaptar la sensibilidad del puente al margen de entrada de la tarjeta de adquisición, obteniendo de esa manera una mayor exactitud en la conversión. Este ajuste de ganancia permite compensar diferencias de recorrido en los pedales de distintos automóviles. La ganancia es ajustable desde 10 a 10000. Los dos DACs se emplean, uno para alimentar el puente, y el otro para realizar la puesta a cero del sistema en la situación de reposo. La alimentación puede variar desde 0,25V


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hasta 10V. En cuanto al offset, se pueden realizar ajustes del ±200 % del rango de entrada. Entradas de tensión DAQP-V-A Este módulo de acondicionamiento, véase Figura 3.1.11, está ideado para admitir entradas de tensión de muy diversos tipos. Está formado por un circuito atenuador, un amplificador y un filtro programables que, conjuntamente, permiten un margen de rangos de entrada entre 20mV y 50V.

Figura 3.1.11. Módulo DAQP-V-A.

La señal de entrada puede aplicarse en modo común o diferencial, y permite definir un acoplamiento de entrada en continua o alterna. El filtro al igual que el acondicionador anterior, permite eliminar interferencias, y su frecuencia de corte es configurable entre 10Hz y 300KHz. Todas estas características le permiten adaptarse a sensores con salida de tensión con márgenes muy dispares, o que estén sometidos a diferentes excitaciones en distintos vehículos.

3.2 Descripción del sistema de procesamiento El prototipo Medusa requiere de un sistema de procesamiento y monitorización con alta capacidad de cálculo y almacenamiento de datos, además de tamaño, peso y robustez adecuados para un prototipo experimental que ha de ir embarcado en diferentes tipos de vehículos. Por estas razones se ha considerado que un ordenador portátil, con las prestaciones específicas que se detallarán más adelante, resuelve las necesidades planteadas.


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El ordenador se ha de encargar de las siguientes tareas:

• Registro sincronizado de la información de los diferentes sensores, con tiempos de captura adecuada a la dinámica de aquellos, tanto de los que van conectados directamente a puertos del PC como los que están ligados al sistema de adquisición. Para ello se ha diseñado una aplicación ad-hoc basada en la herramienta software LabWindows.

• Procesamiento e integración de la múltiple información recibida para que sea

inteligible al usuario final del prototipo.

• Ejecución de la aplicación diseñada (interfaz gráfica de usuario) para

presentación simultánea de los parámetros asociados al prototipo Medusa, de forma que se facilite la interpretación de datos cuantitativa y cualitativamente.

• Almacenamiento de toda la información capturada durante el ensayo, a fin de

permitir su análisis pormenorizado off-line.

3.2.1 Características técnicas Analizadas las necesidades de procesamiento y de comunicación con los dispositivos sensoriales, incluido el sistema de adquisición, se plantean las características técnicas mostradas en la Tabla 2.2.1. para el ordenador portátil. Su elección está basada en los siguientes criterios:

• Velocidad de procesamiento de datos suficiente para lectura de datos, procesamiento y almacenamiento de los mismos, así como su presentación simultánea en la pantalla grafica del interfaz de usuario.

• Puertos de comunicación suficientes para integrar todos los dispositivos externos

implicados en el prototipo. • Capacidad de almacenamiento y grabación suficiente para guardar en soporte

informático toda la información generada durante el ensayo (unidades de disco duro y DVD).


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Tabla 3.2.1. Características del ordenador portátil

PROPIEDADES PC VALOR

Tecnología CPU Movil Intel Centrino que incluye Procesador Intel Pentium M 750, Tarjeta Gíreles Intel PRO 2915ABG yChipset Intel 915PM.

Velocidad de reloj: 1.86 GHz.

Caché de 2º nivel: 2MB.

Memoria Principal 2 GB DDR2 RAM

Disco Duro 180 GB (2 unidades)

DVD Slim SelectBay DVD super Multi (Dobel Capa)

Pantalla Tamaño: 15”

Tipo: Panel TFT SXGA+

Adaptador Gráfico Fabricante: NVIDIA.

Tipo: GeForce Go 6600.

Memoria: 128 MB DDR2.

Conexión del bus: PCI Express x16.

Modos de vídeo interno Resolución: 1.400x1.050.

Número máximo de colores: 16.7 millones.

Modo de vídeo externo (Max.)

Resolución máxima: 2.048x1.536

Máximo número de colores: 16.7 millones.

Máxima frecuencia de refresco: 100 Hz.

Resolución no entrelazada con la máxima frecuencia de refresco: 1.600x1.200.

Batería Tecnología: Litio-lon

Duración más de 3.

Interfaces 1x RJ-11

1x RJ-45

1x Paralelo

1x Serie

1x I-link (IEEE 1394) con 6 pins

3x USB 2.0 (mínimo).

Comunicaciones sin cables

Infrarrojo.

Bluetooth.

Wi-Fi


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En la Figura 3.2.1 se observa la aplicación de cada uno de los puertos de comunicación del PC a los diferentes dispositivos del prototipo Medusa.

AcelerómetroGiróscopo

Cámara vídeoFire-i digital camera

Sistemaadquisición LibresGPSTermo

higrómetro

AcelerómetroGiróscopo

Cámara vídeoFire-i digital camera

GPSStarfinder AVL

Termohigrómetro

Figura 3.2.1. Asignación de puertos del PC a diferentes dispositivos externos.


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4 DESARROLLO SOFTWARE Las aplicaciones software desarrolladas en el proyecto se pueden dividir en tres partes claramente diferenciadas: el interfaz gráfico de usuario (GUI), el software de medidas y la base de datos (Figura 3.2.1).

Figura 3.2.1. Componentes del desarrollo software.

El software de adquisición es el encargado de recoger y procesar las señales adquiridas por el sistema de adquisición de datos y de los sensores conectados al ordenador a través de los diferentes puertos (USB, firewire y rs232). Una vez procesada la información se representa en el GUI y se almacena en la base de datos. También existe la posibilidad de visualizar en el GUI históricos de adquisiciones almacenadas en la base de datos.

4.1 Aplicación para captura de datos Dada la cantidad de información que es necesario adquirir y procesar, y teniendo en cuenta que el refresco de la pantalla es muy lento, se ha decidido independizar estas dos tareas utilizando técnicas de programación multihilo (multithreading). En caso de implementar el código adquisición y presentación de manera secuencial, se corre el riesgo de colapsar al sistema operativo y perder datos adquiridos. Se recurre a técnicas de programación multihilo cuando se desea que varias tareas se ejecuten sin interferir unas en otras, de forma similar a como se ejecutarían en un sistema multiprocesador en el que se ejecutan tareas en paralelo, en procesadores diferentes. En definitiva, esta técnica permite de alguna manera emular la ejecución de los sistemas multiprocesador en sistemas con un único procesador. Cuando se realiza

Presentación Interface de usuario

GUI

Señales Sensoriales Software de adquisición

Base de datos


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programación multihilo, el sistema operativo asigna un “cuanto” de tiempo a cada hilo, dando la apariencia de que se están ejecutando en paralelo. En el caso particular de la aplicación que nos ocupa, inicialmente se han programado dos hilos, además del hilo principal de la aplicación: uno para la tarea de adquisición y otro para la de presentación de la información en el GUI.

4.2 Interfaz gráfica de usuario Se ha diseñado un interfaz gráfico de usuario –GUI- muy intuitivo, y por tanto fácil de manejar para los usuarios de la aplicación. Se ha pretendido que en dicho interfaz se presente la mayor cantidad de información y de la manera más organizada posible. En la Figura 4.2.1 se muestra un diagrama de bloques en el que se puede observar la estructura del GUI diseñado y cómo se organizado la información que se presenta en cinco grupos:

• ficha técnica del vehículo, • datos instantáneos, • registro del históricos, • calibración y • visualización de cámara.

La información contenida en cada grupo se muestra en diferentes carpetas dentro de la ventana de la aplicación (véase Figura 4.2.2). A continuación se describe la información contenida en cada grupo.

4.2.1 Ficha técnica En este grupo se recogen fundamentalmente los datos técnicos del vehículo que se va a monitorizar en cada prueba (Figura 4.2.2),así como los del conductor. La información introducida se almacena en la base de datos. El proceso de adquisición no puede comenzar hasta que no se introduzcan la información del vehículo en la base de datos, ya que es necesario asignar todos los datos de la adquisición a un vehículo concreto. De esta manera, el usuario no tiene acceso a la pantalla de adquisición hasta que la ficha técnica se haya validado.


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Figura 4.2.1. Estructura de la información contenida en el interfaz gráfico de usuario (GUI).

Datos Conductor Datos Vehículo

Recorrido

REGISTRO

CALIBRACIÓN Rangos / Filtros / etc. Sensores

CÁMARA Cámara principal Cámaras adicionales (opcionales)

Inicio

Fin

Parámetros Conducción Var. Ext Var. Int Emisiones

Var. Ext Var. Int Velocidad Régimen motor EmisionesAceleración 3D

D. INSTANTÁNEOS

FICHA TÉCNICA

Vel

ocid

ad

Rég

imen

Mot

or

Mar

cha

Ace

lera

dor

Ace

lera

ción

x, y

Fren

o

Incl

inac

ión

Dat

os (L

ongi

tud,

La

titud

)

GPS

+ G

IS

Nom

bre

Ape

llido

s

Org

anis

mo

Mod

elo

Mot

oriz

ació

n

Pote

ncia

Núm

. Bas

tidor

T. C

ombu

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Mat

ricul

a

Tem

p. E

xt.

H.R

.

Tem

p. A

ceite

Tem

p. A

gua

Tem

p. A

A

CO

2, C

o, T

HC

, N

Ox,

O2,

etc


60

Figura 4.2.2. Carpeta correspondiente a la información de la ficha técnica.

4.2.2 Datos instantáneos. En esta carpeta, tal y como se observa en la Figura 4.2.3, se pueden visualizar los valores instantáneos proporcionados por todos los sistemas sensoriales, a excepción de la cámara de vídeo. Los datos visualizados pasan a ser almacenados simultáneamente en la base de datos.

Figura 4.2.3. Carpeta de datos instantáneos adquiridos durante el ensayo.


61

4.2.3 Registro. En esta carpeta se puede visualizar de forma gráfica tanto la información que se está adquiriendo en cada momento, como los históricos correspondientes a adquisiciones anteriores almacenados en la base de datos, véase Figura 4.2.4.

Figura 4.2.4. Carpeta correspondiente a la visualización del histórico de las diferentes variables.

4.2.4 Calibración. En esta carpeta se situarán los controles necesarios para la calibración del equipo de medida diseñado: filtrado, ganancias, rangos, etc. En principio, la calibración se ha de particularizar para cada vehículo, y forma parte del proceso de las pruebas de campo, tarea programada para las siguientes fases del proyecto global. Inicialmente la calibración para las pruebas de laboratorio se ha realizado de forma manual, ya que en este caso las condiciones de funcionamiento son estables.


62

4.2.5 Cámara. En la carpeta de la Figura 4.2.5 se puede visualizar la información captada por la cámara de vídeo en tiempo real (el recorrido del vehículo en la versión final del proyecto), o bien la imagen correspondiente a una secuencia de datos guardada anteriormente.

Figura 4.2.5. Carpeta correspondiente a la visualización de la cámara.

Para la programación e integración del video en el software es necesario utilizar el driver NI-IMAQ 1394 proporcionado por National Instruments. La compañía Unibrain, fabricante de las cámaras elegidas, garantiza la compatibilidad con dichos drivers y software de captura e integración del video en la aplicación final.


63

5 CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS. Este capítulo resume los resultados alcanzados en función de los objetivos planteados para el proyecto, establece las conclusiones del mismo y plantea los trabajos futuros para conseguir la versión definitiva homologada y ensayada en tráfico real del Medidor Universal de Parámetros del Automóvil.

5.1 Resumen de objetivos y resultados En este proyecto, que constituye la primera fase del proyecto MEDUSA, se ha diseñado la estructura hardware y software que ha de tener el prototipo básico para evaluar la contribución a la contaminación medioambiental del comportamiento integrado de vehículo, recorrido y actitud del conductor en condiciones de tráfico real. Establecidos los condicionantes técnicos de la aplicación, para conseguir la arquitectura hardware del prototipo Medusa se ha procurado recurrir a dispositivos y subsistemas electrónicos disponibles en el mercado, a fin de garantizar futuros suministros y acotar los tiempos de desarrollo previstos. En definitiva, se han cubierto con éxito las fases de:

• definición, caracterización, estudio comparativo, ensayo y propuesta de ubicación de los diferentes elementos sensoriales,

• definición y diseño de los interfaces (hardware y software) necesarios para la

adquisición de datos, teniendo en cuenta para su dimensionamiento las necesidades del grupo de trabajo centrado en el análisis de emisiones contaminantes,

• evaluación de los requisitos de procesamiento de señales y diseño del interfaz

gráfico de usuario para facilitar la rápida interpretación de las mismas

Todo ello con resultados experimentales en pruebas independientes en laboratorio (véase Figura 5.1.1) que, aun siendo válidas para determinar su idoneidad, constituyen un primer paso hacia el objetivo final del proyecto MEDUSA. Evidentemente, la validación final de todas estas pruebas y la integración de todos los subsistemas que integran el prototipo se deben realizar sobre un vehículo comercial dedicado al proyecto.


64

Figura 5.1.1. Fotografías del banco de prueba en laboratorio utilizado para el proyecto.

Para dejar constancia del cumplimiento de los objetivos planteados en el proyecto, a modo de resumen en la Tabla 5.1.1 se relacionan las diferentes tareas contempladas en el proyecto, el grado de ejecución de las mismas y algunos comentarios, si procede, al respecto de cada una de ellas. En cuanto a la coordinación con el Grupo de Motores Térmicos de la ETSII (UPM), cabe decir que se han realizado dos reuniones (una en cada Escuela), amén del contacto continuo para resolver cuestiones relativas a la interacción entre sistemas y plantear alternativas a algunos de los sensores utilizados en MEDUSA-I.


65

Tabla 5.1.1. Descripción de las tareas contempladas en el proyecto MEDUSA-I, % de ejecución de cada una de ellas y comentarios

Tareas Descripción % Ejecución Comentarios o incidencias

Tarea 1.1 Definición, en coordinación con el grupo GMT –UPM-, de los parámetros del automóvil necesarios para la determinación del estado del vehículo y de la actitud del conductor en condiciones de tráfico real.

100%

Tarea 1.2 Coordinación con el equipo de trabajo GMT para asegurar la compatibilidad de las propuestas de sensado en un único equipo de procesamiento y monitorización de datos. 100%

Tarea 1.3 Identificación de los diferentes tipos de sensores a utilizar en relación con los parámetros establecidos. 100%

Tarea 1.4 Definición de las características concretas de cada sensor (rangos de medida de las variables a monitorizar, precisión requerida en cada caso, alimentación y consumo, peso, tamaño, etc), teniendo en cuenta que deben ser de fácil, instalación y lo menos intrusitos posible.

100%

Tarea 1.5 Estudio comparativo de las diferentes técnicas de medida para cada variable sensada. 95% Se han propuesto soluciones alternativas para la mayor parte de los sensores utilizados, en otros casos no procede.

Tarea 1.6 Elección de la técnica de medida para cada variable dependiendo de las especificaciones planteadas. Búsqueda de posibles distribuidores de los sensores seleccionados y adquisición de los mismos.

100%

Def

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Tarea 1.7 Verificación en el laboratorio de la aplicabilidad de los diferentes sensores. 95% La deducción de la marcha en que circula el vehículo se realizará mediante cálculo indirecto a partir de otros sensores.


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Tareas Descripción % Ejecución Comentarios o incidencias

Tarea 2.1 Caracterización de las señales proporcionadas por cada sensor: amplitud, ancho de banda, tipo de señal (tensión, corriente, frecuencia, etc.). 100%

Tarea 2.2 Estudio de las necesidades de acondicionamiento y alimentación para cada tipo de sensor. 100%

Tarea 2.3 Análisis de las alternativas de comunicación (alámbricas o no) entre sensores y sistema de adquisición. Elección de la solución más idónea. 100%

Tarea 2.4 Dimensionado del sistema de captación en función del tipo de señal de los sensores, acondicionamiento previo, y requesitos temporales de adquisición: número y tipo de canales, frecuencias de adquisición, resolución, filtrado, almacenamiento, alimentación, dimensiones, etc.

100%

Tarea 2.5 Estudio de las diferentes alternativas de adquisición existentes en el mercado acordes a los requerimientos de la aplicación. 100%

Tarea 2.6 Selección del sistema comercial que cumpla los requisitos de adquisición en función de factores como: relación Costes/Prestaciones, disponibilidad y distribución, nivel de integración, asistencia técnica, etc.

100%

Tarea 2.7 Diseño de los sistemas electrónicos auxiliares y complementarios al sistema comercial para el cumplimiento de los objetivos del proyecto. 100%

Tarea 2.8 Integración de todas las unidades, sensoriales y de adquisición. 90%

Falta completar la integración de las señales capturadas en el interfaz GUI no previsto en el proyecto

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Tarea 2.9 Primeras pruebas del prototipo en laboratorio. 100%

Tarea 3.1 Documentación del trabajo desarrollado, en formato electrónico impreso, con el índice de contenidos adjunto. 100%


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5.2 Conclusiones El grupo de trabajo del Departamento de Electrónica de la Universidad de Alcalá ha desarrollado y probado las componentes hardware y software de la primera fase del Medidor Universal de Parámetros del Automóvil. Una vez definidos los parámetros de interés en colaboración con el grupo GMT de la UPM, se han establecido los criterios de selección de los correspondientes sensores y se han elegido los más adecuados para los objetivos del proyecto. A la par, se han analizado los requisitos de acondicionamiento y captura de variables para dimensionar convenientemente el sistema de adquisición, incluyendo la futura integración de los parámetros asociados a la emisión de gases contaminantes. Para el procesamiento, captura sincronizada, monitorización y registro de parámetros se han evaluado los requisitos cálculo y puertos de comunicación del ordenador portátil a integrar en el prototipo electrónico de medida. Ordenador que soporta las aplicaciones software desarrolladas tanto para el registro del sistema multisensorial como para la visualización gráfica de parámetros en un formato de fácil interpretación, además del almacenamiento de información para su posterior análisis off-line. Cada uno de los sensores ha sido ensayado en laboratorio y comprobando el seguimiento de la señal capturada hasta su presentación en el interfaz gráfico de usuario. Además se han propuesto puntos de ubicación recomendable a partir de fotografías de diversos vehículos actualmente en circulación. Con todo, tal y como se ha indicado en la Tabla 5.1.1, se ha conseguido un porcentaje de éxito global próximo al 100%, lo que supone un punto de partida excelente para las próximas fases del proyecto MEDUSA.

5.3 Trabajos futuros. A continuación se plantean las tareas inmediatas para seguir avanzando en la consecución de la versión definitiva del sistema desarrollado en este proyecto. Las tareas pendientes se pueden agrupar en cinco bloques:

1) Integración de parámetros en el interfaz gráfico de usuario. Continuando con el trabajo desarrollado en la primera fase del proyecto se necesita conseguir el registro simultáneo de la múltiple información asociada al prototipo, cada una con su periodo de muestreo asociado, y el almacenamiento de datos con su


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correspondiente etiqueta temporal de forma que sea posible la interpretación a posteriori de los resultados del ensayo. Se ha de incluir aquí la algoritmia necesaria para deducir la marcha en que circula el conductor a partir de la información de la velocidad del vehículo y del régimen del motor. 2) Incorporación de los parámetros asociados a la emisión de gases contaminantes. Para ello el grupo GMT, ha de proporcionar las correspondientes señales que, aplicadas al sistema de adquisición descrito en el capítulo 3, tengan su visualización en tiempo real en el interfaz gráfico de usuario mostrado en el capítulo 4. 3) Homologación del prototipo electrónico. Como todo sistema electrónico embarcado en un automóvil se ha de asegurar el cumplimiento de la normativa de Compatibilidad Electromagnética y de Seguridad Eléctrica aplicable a este tipo de equipamiento. 4) Calibración de sensores y pruebas de campo. Superadas las tres fases anteriores se está en disposición de abordar las pruebas de campo, para lo que se necesita contar con un vehículo de referencia a incluir en la dotación de infraestructura del proyecto. Una vez realizados los primeros ensayos se establecerá un protocolo tanto de instalación de dispositivos como de calibración de los mismos. 5) Supervisión remota del ensayo. Validadas las fases anteriores, puede resultar de gran utilidad la monitorización remota de la pantalla gráfica de usuario desde un centro de supervisión. De esta manera se puede hacer un seguimiento del ensayo en tiempo real desde un centro remoto, facilitando no sólo la evaluación del ensayo si no también su múltiple difusión. Para ello se pueden enlazar, mediante conexión GPRS/UMTS, dos ordenadores (el del sistema Medusa y el remoto) mediante un servicio web que permita la interacción entre ellos.


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6 REFERENCIAS [Agilent, 2005] www.agilent.com [Asm, 2005] http://www.asm.com/ [Clampmeter, 2005] http://www.isswww.co.uk/ISSProducts/searchlist.aspx?SEARCH=clampmeter [Cooling, 2005] http://www.electronics-cooling.com [Data, 2005] www.datatranslation.com [Dewetron, 2005] www.dewetron.com [El-Rabbany, 2002] “Introduction to GPS: The Global Positioning System”. Ahmed El-Rabbany. Ed. Artech House. 2002. [FireWire, 2003] “FireWire System Architecture: IEEE 1394”. Don Anderson, Ed. Mindshare Inc. [Instserv, 2005] http://instserv.com/orphn/rmocoupl.htm [Keithley, 2005] www.keithley.com [Kmt, 2005] http://www.kmt-gmbh.com/de/pdf/ [Kobold, 2005] http://www.koboldmessring.com/_uk/index.htm [Laipac, 2005] www.laipac.com [Logics, 2005] www.superlogics.com [Mappoint, 2005] “Programming MapPoint in .NET”. Chandu Thota. Ed. O’Reilly. [Measurement, 2005] www.measurementcomputing.com [Motorsens, 2005] http://www.motorsens.com/index.asp?page=empresa.htm [National, 2005] www.ni.com


70

[Nmea, 2005] National Marine Electronics Association (NMEA) http://www.nmea.org/pub/0183/index.html [Pce, 2005] http://www.warensortiment.de/technische-daten/datenlogger-hobo-h8pro.htm [Sensing, 2005] www.sensing.es [Stolarz, 2005] Damien Stolarz . Car PC Hacks. Ed. O'Reilly. 2005. [Tc-direct, 2005] http://www.tcdirect.co.uk [Xsens, 2005] http://www.xsens.com/

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