telemetry system for a competition car resumen del proyecto

TELEMETRY SYSTEM FOR A COMPETITION CAR
Autor: Pineda Alfaro, Eduardo.
Director: Roos, Fredrik.
Entidad Colaboradora: KTH - Royal Institute of Technology, Stockholm.
RESUMEN DEL PROYECTO
El presente proyecto contempla el desarrollo de un sistema de telemetría aplicado a
vehículos de competición.
El sistema diseñado establece, básicamente, la comunicación en tiempo real entre el
vehículo y una estación receptora. De este modo, proporciona toda la información que
los desarrolladores y técnicos necesitan para mejorar las características del mismo, por
ejemplo, la velocidad óptima al consumo de combustible.
Actualmente, los sistemas de telemetría juegan un importante papel en diversos
entornos y, en particular, en los deportes del motor. Dichos sistemas, proporcionan a
ingenieros y mecánicos la información necesaria para determinar los valores idóneos del
vehículo para cada carrera, así como para detectar posibles fallos, antes de que éstos
ocurran. En tal sentido, el sistema de telemetría juega un importante papel durante las
sesiones de pruebas, cuando el vehículo se somete a situaciones de esfuerzo, de las que
se obtienen datos que son analizados en profundidad, para mejora de diseño y
componentes.
El diseño que aquí se presenta, está compuesto por una serie de elementos, frecuentes en
este tipo de comunicaciones. Es decir, la unidad de medidas, constituida por sensores
analógicos; una conexión inalámbrica entre el vehículo y la estación receptora, a través
de la que se envía la información a un punto central; y una aplicación informática,
creada al efecto, para información a los diseñadores y técnicos, así como para
almacenamiento y posterior análisis.
El proyecto que ahora se presenta, es una parte integrante de otro de mayor
envergadura. El objetivo de este segundo proyecto, que aquí solo se cita, es el completo
diseño, desarrollo y construcción de un vehículo de competición (denominado Agilis
Eco Car), que participará en la competición académica “Shell Eco Marathon”, que se
celebra anualmente en el circuito de Nogaro, Francia.
Dicha competición tiene como fin “Llegar tan lejos como sea posible, usando la mínima
cantidad de energía”. Para ello se pueden usar tanto combustibles convencionales
(gasolina, diesel), como combustibles alternativos (energía solar, ente otros).
El proyecto Agilis Eco Car ha venido desarrollándose durante la primera mitad del
presente año 2006, con objeto de participar inicialmente en la competición que se
celebró a finales de Mayo, si bien tiene por delante un largo trabajo de mejoras a
introducir en los próximos años.
El sistema de telemetría que ahora se presenta, será integrado en el vehículo durante la
temporada 2006-2007, lo que contribuirá a la mejora general del proyecto y, por tanto, a
los resultados del vehículo en competición.
El presente proyecto de telemetría, ha sido realizado y dirigido desde el laboratorio de
mecatrónica del departamento de diseños de máquinas del “Royal Institute of
Technology” (KTH), ubicado en Estocolmo, Suecia. Para llevarlo a cabo, ha sido
necesario profundizar y adquirir, previamente, extensos conocimientos en sistemas de
comunicaciones, protocolos de comunicaciones, diseño de hardware y programación.
También ha requerido una prolongada e intensa labor de investigación, para elegir entre
la amplia gama de productos y soluciones tecnológicas, la solución técnica óptima que
cada aspecto del proyecto exigía. Las dos áreas en las que ha sido necesaria una mayor
labor de estudio y análisis son:
1. Sistemas de comunicaciones inalámbricas existentes hoy día en el mercado.
2. Sistemas de comunicación asíncronos, en concreto se ha estudiado el protocolo
RS-232 y diversos sistemas de comunicación asíncronos para comunicaciones
inalámbricas.
Pequeñas labores de investigación fueron igualmente necesarias para la elección de las
antenas a utilizar y para su programación.
Dos tarjetas electrónicas fueros expresamente diseñadas para este proyecto. Cada una de
ellas tenía integrado un microcontrolador, puertos para comunicación con el exterior y
sistemas de protección. La primera tarjeta electrónica, a la que denominamos tarjeta
emisora, tiene como misión medir los valores de distintos sensores analógicos y
digitales, distribuidos por distintas partes del vehículo, almacenar dicha información en
el microcontrolador y enviarla vía inalámbrica al receptor. La segunda tarjeta
electrónica se utiliza como puente entre los datos recibidos y el ordenador. Su función
es decodificar los datos recibidos desde el transmisor y acondicionarlos al formato
adecuado para poder ser recibidos y procesados en el PC.
Finalmente, se ha creado una aplicación informática con el fin de hacer el manejo de los
datos para el usuario, tan sencillo como sea posible. Este programa incluye la
representación por pantalla de las medidas de los distintos sensores del vehículo y la
grabación de los datos en el disco duro del ordenador, bajo formato de hoja de Excel,
para su posterior análisis, más detallado que el que se puede hacer en tiempo real. Una
de las directrices del proyecto es intentar que el producto creado pueda ser usado desde
cualquier ordenador, por ello se evitó el uso de programas específicos como Matlab,
aunque con ello se aumentara el trabajo de programación.
Para completar las actividades del proyecto, se realizaron distintas pruebas que
proporcionasen una medida real de la calidad del sistema de telemetría construido. Uno
de los aspectos más importantes y determinantes es la distancia que el sistema abarca,
ya que ello determinará si puede ser utilizado durante la carrera o sólo en las pruebas
previas. Otros parámetros de calidad son el ancho de banda del sistema y el peso del
hardware utilizado.
El sistema está preparado para ser integrado en el “Agilis Eco Car” en el otoño de 2006.
ENGLISH ABSTRACT
This Master Thesis describes the development of a telemetry system that is meant to be
used in racing cars.
The designed system basically creates a real-time communication link between a car
and a receiving station. This link provides all the information that cars’ developers need
to enhance car specifications such as optimum working speed.
Nowadays, telemetry systems play an important role in motor competitions. Those
systems provide the necessary information that the engineers need to adjust the car and
detect failures before they occur. It is also used during the testing phases where the car
is deeply analyzed in the aim of enhancing its components.
The system is composed of the most common telemetry elements such as analog sensors
for measuring, a wireless link between the car and the receiving station, a PC interface
to display the data to the users and all the needed software to save the data into an
information system.
The designed system is part of a larger project. The project aims to design and construct
a competition car (Agilis Eco Car). This car will participate in the Shell Eco Marathon
academic competition that takes place in Nogaro Circuit, France. The aim of the
competition is “To drive as far as possible using the least amount of energy”.
Traditional or alternative energies can be used to reach this goal.
The Agilis Eco Car project has been developed during the first 6 months of 2006 to
participate in a competition that took place last May. However, the project still requires
a lot of work in the coming years. The telemetry system developed in this master thesis
will be integrated in the car during the 2006-2007 season to improve the car parameters.
The project has been organized and planned in the Mechatronics Laboratory of the
Machine Design Department of the Royal Institute of Technology (KTH), Stockholm,
Sweden. It requires deep knowledge in communication systems, communication
protocols, hardware design and programming. It also requires research work to find and
select from the different products and technological solutions available for each aspect
of the project. The most important research realized during this project was in wireless
communication systems and asynchronous communication protocols, specifically in
RS232 protocol and wireless asynchronous protocols. A brief research on aerial
antennas and programming environments was necessary as well.
Two electronic boards have been created during the hardware design stage. Each one
has an embedded microcontroller, different ports to communicate with the outside
world and protection systems. The first electronic board, called transmitter board, has to
measure the analog and digital sensors distributed in the car, save the information and
send it through a wireless link to the receiver station. The second electronic board,
called receiver board, is used as a bridge between the received data and the computer. It
has to transform the received data from the transmitter board into a suitable format
using a different protocol so that it can be sent to the computer.
Finally, a computer interface was created to make the management of user data as easy
as possible. This management includes a real time graphical representation of the
sensors’ measurements. It also allows saving the data into an excel spreadsheet. This
gives the car designers an extreme ease in using the data at a later stage. They can easily
collect statistics or draw graphs. The objective of this stage was to create a program that
could be used in any computer. Consequently, programs such as Matlab were avoided
even if that includes an additional work in programming.
To complete the project, different tests to measure the quality of the telemetry system
were done. The most important value is the distance range. This parameter determines if
the telemetry system can be implemented for the race or only for testing phases. Other
parameters such as bandwidth and weight were measured too. Both of them had high
impact on the telemetry system as well.
The system will be ready to be embedded in the Agilis Eco Car during autumn 2006.