Memoria del proyecto ()
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Memoria iii Agradecimientos En primer lugar me gustaría agradecer a Xabier Carrera y a Jose Manuel Carballo, investigadores en el Laboratorio de automoción (Departamento de Mecánica), el apoyo diario que me han ofrecido a lo largo de todo el desarrollo del proyecto. A Jordi Viñolas y Joan Savall, responsables del laboratorio, que siempre han estado dispuestos a colaborar cuando se les ha pedido ayuda en los momentos difíciles. Por otro lado también estoy muy satisfecho de la buena compañía y la colaboración prestada por los diferentes alumnos que trabajan es este laboratorio, sean internos o proyectandos, ya que me han ayudado a trabajar en un excelente ambiente de trabajo. Por último quería también mostrar un especial agradecimiento por el apoyo moral brindado por mis padres Herminio y Sagrario, mi tía Genoveva y demás familiares que me han estado apoyando continuamente y han colaborado a que realizase este proyecto con mucha más ilusión. A todos ellos: Gracias Memoria iv Resumen Esta memoria es parte de un proyecto final de carrera que ha sido realizada en el laboratorio de automoción de Tecnun (Escuela Superior de Ingenieros de la Universidad de Navarra). El proyecto consiste en un estudio preciso y detallado de los distintos sensores y tecnologías que existen en el mercado para el análisis del comportamiento de un vehículo en las diversas situaciones que se puede encontrar. El objetivo es analizar las tecnologías que hay actualmente y las posibles combinaciones entre ellas para determinar la trayectoria seguida por el coche y el comportamiento del coche durante dicha trayectoria misma, midiendo parámetros tan importantes como la velocidad. Las conclusiones obtenidas permitirán futuros proyectos relacionados con la implementación en el coche del laboratorio de algunos de los sensores estudiados. Debido a la complejidad que supondría el análisis dinámico de los seis grados de libertad del coche, considerándolo como sólido rígido, el proyecto se ha centrado preferentemente en un plano del vehículo. Aunque no se descartan otros posibles proyectos relacionados con el estudio de los otros planos del coche, ya que también son de gran importancia para el control dinámico del vehículo y las características de conducción. De entre todos los sensores que se van a explicar, existen algunos de los que ya dispone el laboratorio como son los acelerómetros. En el capítulo 2 se hará un breve repaso de los sensores que hay incorporados en el coche. Memoria v Índice de materias Agradecimientos............................................................................................................... iii Resumen………………………………………………………………………………….iv Índice de materias ............................................................................................................. v Símbolos y expresiones utilizadas con frecuencia ........................................................ vii Capítulo 0 Introducción ............................................................................................. 1 Capítulo 1 Objeto........................................................................................................ 3 1.1 OBJETIVO DEL PROYECTO................................................................................... 3 1.2 UTILIDAD DE LA VELOCIDAD LINEAL Y ANGULAR..................................... 3 1.2.1 Introducción ..................................................................................................... 3 1.2.2 Información proporcionada por la velocidad absoluta..................................... 5 1.2.2.1 Trayectoria seguida por el coche ................................................................ 5 1.2.2.2 Ángulos de deriva ....................................................................................... 5 1.2.2.3 Comportamiento en viraje........................................................................... 8 1.2.3 Información proporcionada por la velocidad angular.................................... 12 1.2.3.1 Comportamiento del coche en casos particulares. Control estabilidad..... 12 1.2.3.2 Sustituto de GPS ....................................................................................... 13 Capítulo 2 Elementos iniciales de trabajo ............................................................... 14 2.1 VEHÍCULO DE CAR-CROSS................................................................................. 14 2.2 SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS (Data Logger) ................................... 16 Capítulo 3 Sensores.................................................................................................... 18 3.1 INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 18 3.2 CARACTERÍSTICAS .............................................................................................. 19 3.3 SENSORES MONTADOS EN EL COCHE ............................................................ 23 3.3.1 Sensores de fuerza.......................................................................................... 23 3.3.2 Sensor de desplazamiento .............................................................................. 24 3.3.3 Acelerómetros ................................................................................................ 26 3.4 SENSORES DE VELOCIDAD ANGULAR ........................................................... 28 3.4.1 Introducción ................................................................................................... 28 3.4.2 Giróscopos mecánicos ................................................................................... 29 3.4.3 Giróscopos ópticos......................................................................................... 31 3.4.3.1 Efecto Sagnac en el vacío ......................................................................... 32 3.4.4 Giróscopos electrónicos ................................................................................. 36 3.4.4.1 Aceleración de Coriolis............................................................................. 37 3.4.4.2 Principio de funcionamiento ..................................................................... 39 3.4.5 Otros giróscopos ............................................................................................ 41 3.5 TECNOLOGÍAS PARA MEDIR LA VELOCIDAD LINEAL............................... 44 3.5.1 Introducción ................................................................................................... 44 3.5.2 Acelerómetros ................................................................................................ 45 3.5.3 Quinta rueda................................................................................................... 46 3.5.3.1 Introducción .............................................................................................. 46 3.5.3.2 Conceptos previos..................................................................................... 47 3.5.3.3 Elementos necesarios ................................................................................ 50 3.5.3.4 Cálculo de la velocidad absoluta............................................................... 52 3.5.4 Sensores ópticos............................................................................................. 54 3.5.4.1 Introducción .............................................................................................. 54 Memoria vi 3.5.4.2 Características ........................................................................................... 54 3.5.4.3 Funcionamiento y componentes ............................................................... 56 3.5.5 GPS ................................................................................................................ 58 3.5.5.1 Introducción .............................................................................................. 58 3.5.5.2 Calculo de la posición............................................................................... 60 3.5.5.3 GPS diferencial ......................................................................................... 61 3.5.5.4 Errores en las señales ................................................................................ 62 3.5.5.5 Sensores con GPS ..................................................................................... 63 3.5.6 Sensores Doppler ........................................................................................... 66 3.5.6.1 Introducción .............................................................................................. 66 3.5.6.2 Frecuencia ................................................................................................. 69 3.5.6.3 Corrección del ángulo de offset ................................................................ 70 3.5.6.4 Ensayos realizados .................................................................................... 72 3.5.6.5 Consideraciones ........................................................................................ 72 3.5.6.6 Ratio de corrección del angulo offset ....................................................... 73 3.5.6.7 Otros modos de uso................................................................................... 75 Capítulo 4 Comparación y Combinaciones entre todas las tecnologías................... 76 4.1 ESTUDIOS REALIZADOS ....................................................................................... 76 4.1.1 Primer estudio ................................................................................................ 76 4.1.1.1 Conclusiones ............................................................................................. 77 4.1.2 Segundo estudio ............................................................................................. 78 4.1.2.1 Conclusiones ............................................................................................. 81 4.1.2.2 Consideraciones ........................................................................................ 82 4.2 VENTAJAS E INCONVENIENTES DE CADA TECNOLOGÍA.......................... 82 4.2.1 Acelerómetros ................................................................................................ 82 4.2.2 Quinta rueda................................................................................................... 83 4.2.3 Sensores ópticos............................................................................................. 83 4.2.4 GPS ................................................................................................................ 84 4.2.5 Sensores de Efecto Doppler ........................................................................... 85 4.2.6 Precios............................................................................................................ 86 4.3 COMBINACIÓN DE SENSORES........................................................................... 87 4.3.1 Introducción ................................................................................................... 87 4.3.2 Sistemas inerciales ......................................................................................... 87 4.3.3 Acelerómetro longitudinal y giroscopio ........................................................ 88 4.3.4 Giroscopio y acelerómetro con GPS.............................................................. 88 4.3.5 Sensor Doppler y giróscopo........................................................................... 89 4.4 TECNOLOGÍAS QUE UTILIZAN FABRICANTES Y EQUIPOS ....................... 90 Capítulo 5 Conclusiones y lineas futuras de trabajo ................................................. 91 Capítulo 6 Presupuesto................................................................................................. 92 Capítulo 7 Bibliografía ................................................................................................. 93 Capítulo 8 URL´s consultados ..................................................................................... 94 Memoria vii Símbolos y expresiones utilizadas con frecuencia α Ángulo de deriva de las ruedas β Ángulo de deriva del vehículo Vx Velocidad longitudinal (o simplemente velocidad). Velocidad a la que se desplaza el coche en el eje x. Vy Velocidad transversal. Velocidad a la que se desplaza el coche en el eje y CIR Centro Instantáneo de Rotación F1 Fuerza lateral que actúa sobre la rueda del vehículo FYα Fuerza lateral de deriva dn Avance del neumático δ Ángulo de guiado µ Valor de la adherencia neumático-calzada µd Valor de µ con deslizamiento del 100% µ max Valor máximo de µ Memoria Capítulo 0 1 Introducción Este proyecto se comenzó básicamente a principios de Noviembre de 2003. El inicio se centró principalmente en el estudio de los ángulos de deriva de las ruedas del coche y la manera de calcularlos. Después de analizar las distintas alternativas, se vio que no eran fáciles de medir a través de la tecnología de la que se disponía en el laboratorio. Por eso se procedió a la búsqueda de nueva tecnología empleada en los grandes equipos de competición y empresas de automóviles que ayudase a calcular dichos ángulos. A medida que se fue investigando se llego a la conclusión de que los ángulos de deriva se podían calcular de forma indirecta a partir de la velocidad absoluta de algún punto del coche. Por lo que se empezó a buscar distintos tipos de sensores o tecnologías que había en el mercado para poder determinar la velocidad de un vehículo. Finalmente se vio que el hecho de tener bien definido el vector velocidad del vehículo podía aportar una información más amplia que simplemente la de calcular los ángulos de deriva, y que influiría en las características de conducción del coche. Por eso a partir de esto, el proyecto reorientó su objetivo a un punto de vista más general y se centró en la determinación del vector velocidad por medio de las diferentes tecnologías que había en el mercado o que pudieran ser desarrolladas en el laboratorio. En el propio laboratorio se pueden realizar simulaciones en PC en las que se determinan diferentes comportamientos y parámetros del coche. La idea de añadir más sensores al coche es para poder obtener una validación experimental de dichas simulaciones en PC. El proyecto se ha estructurado de la siguiente forma: 1-Evaluación de los sensores que posee el coche. 2-Estudio de las tecnologías que hay para medir la velocidad lineal y angular en el plano xy. 3-Comparación de todas las tecnologías y posibles combinaciones entre ellas para una posible implementación en el coche del laboratorio. Memoria 2 El proyecto evalúa tecnologías punteras que se están usando en importantes competiciones como puede ser la Fórmula 1. Aunque en principio esto puede resultar algo inalcanzable en el laboratorio, la verdad es que a medio plazo este proyecto ayudará mucho a las futuras competiciones en las que se espera que el laboratorio de automoción participe. Memoria Capítulo 1 3 Objeto 1.1 OBJETIVO DEL PROYECTO En el Laboratorio de Automoción de TECNUN (Universidad de Navarra) surgen continuamente proyectos de importante interés tecnológico, que sirven para mejorar y analizar las características del vehículo del laboratorio y de apoyo a las tesis doctorales que se estén realizando en el propio departamento. Esta memoria es parte de un proyecto que sirve de apoyo a dos tesis doctorales: una de ellas basada en el diseño y desarrollo de una suspensión de tipo semiactivo y la otra relacionada con el desarrollo de un modelo matemático del vehículo a partir del software de análisis simbólico multibody SAMBS. El presente proyecto tiene como objetivo el estudio exhaustivo de las diferentes tecnologías actuales que puedan ayudar a determinar el comportamiento dinámico del vehículo a lo largo de su trayectoria. El estudio realizado servirá para una futura implementación en el coche de algunas de las tecnologías evaluadas, ya sea a través de otros proyectos que diseñen alguno de estos sensores o bien implementando soluciones comerciales. 1.2 UTILIDAD DE LA VELOCIDAD LINEAL Y ANGULAR 1.2.1 Introducción En un coche se pueden definir varios tipos de movimientos, supuesto como un sólido rígido. Considerando al vehículo como tal se pueden encontrar los 6 grados de libertad indicados en la Error! Reference source not found., tres desplazamientos según cada uno de los ejes de traslación y tres giros según los mismos ejes. El movimiento de traslación lateral y los ángulos de balanceo y lazo definen el comportamiento lateral de los vehículos y determinan también parte sus características de conducción. Memoria 4 Figura 1. Grados de libertad del coche Como se ha comentado anteriormente el objetivo del presente proyecto es tener un control dinámico del coche del laboratorio analizando su comportamiento a través de sensores, centrándose preferentemente en el plano xy (ver Figura 1). El control de la velocidad del coche, ya sea lineal o angular, es un aspecto muy importante porque es necesario para el cálculo de otros parámetros o comportamientos que influyen en las características de conducción. Entre la información que se puede obtener a partir de la velocidad absoluta y la velocidad angular por separado destacan los siguientes puntos: • Por medio de la velocidad absoluta 1. Trayectoria seguida por el coche 2. Ángulos de deriva 3. Comportamiento en viraje 4. • Por medio de la velocidad angular alrededor del eje z 1. Comportamiento del coche en casos particulares. Control de estabilidad 2. Sustituto del GPS A continuación se van a explicar los distintos conceptos que se acaban de exponer y la forma de hallarlos a través de la velocidad. Memoria 5 1.2.2 Información proporcionada por la velocidad absoluta 1.2.2.1 Trayectoria seguida por el coche Hoy día debido a la alta competitividad que existe en las carreras de coches es muy importante optimizar al máximo las trayectorias seguidas por los vehículos a lo largo del circuito, siendo de vital importancia en las curvas. De esta forma se podrían minimizar los tiempos en las sucesivas vueltas que es el objetivo de todo piloto de carreras. Si se dispone del vector velocidad de un punto del coche, se podrían obtener valores de posición integrando la señal de velocidad. Monitorizando la trayectoria calculada se vería el posible alejamiento que existe respecto de la trayectoria ideal que es la que daría el mínimo tiempo de recorrido de cada vuelta. 1.2.2.2 Ángulos de deriva Los neumáticos son el punto de contacto entre el coche y la carretera. Es por ello por lo que tienen que garantizar un cierto número de funciones como guiar, soportar la carga, amortiguar o transmitir esfuerzos. Si un neumático rueda sometido exclusivamente a fuerzas verticales (carga) y longitudinales (tracción o frenado), la dirección del movimiento coincide con el eje x (ver la Figura 3), contenido en el plano medio de la rueda. Cuando además de estas fuerzas, actúa una fuerza lateral ( F1 ) en dirección perpendicular al referido plano de la rueda, debido a la aceleración centrifuga en curvas o al empuje del aire, el movimiento real del neumático real respecto al suelo, se produce siguiendo una trayectoria que forma un ángulo α con el plano de la rueda (ver Figura 3) que se denomina ángulo de deriva. En la huella de contacto neumático-suelo se genera una fuerza transversal FYα igual y opuesta a F1 aunque no colineal con la proyección de ésta sobre el plano de rodadura (ver Figura 3). Para un determinado ángulo de deriva, esta fuerza está retrasada respecto a F1 en la dirección OX, una distancia d n denominada avance del neumático. El producto de d n por FYα es el valor de un momento respecto al eje vertical, que tiende a alinear el plano de la rueda con la dirección del movimiento, ayudando a las ruedas a volver a su posición original, al terminar de recorrer una curva. Memoria 6 Figura 2. Deformación trasversal del neumático bajo la influencia de una fuerza trasversal Figura 3. Esquema del comportamiento del neumático sometido a esfuerzos laterales La relación FYα ( α ) define las propiedades de un neumático bajo condiciones operativas específicas (presión de inflado y carga normal) y pueden variar ampliamente de unos neumáticos a otros, en función de su estructura y demás características constructivas. Esto se aprecia en la Figura 4. Memoria 7 Figura 4. Fuerza trasversal en función del ángulo de deriva Para valores pequeños del ángulo de deriva ( α ⟨ 4 o 5º) la relación FYα ( α ) es prácticamente lineal. Corresponde a aceleraciones laterales menores de 0.3 g., y es despreciable el deslizamiento lateral neumático-suelo en esta zona. A medida que se incrementa la fuerza lateral que actúa sobre la rueda, aumenta el deslizamiento lateral y decrece rápidamente la pendiente de la curva. Como se ha podido deducir, el conocer los ángulos de deriva es un factor muy importante en el control direccional y estabilidad de los vehículos automóviles, siendo de especial importancia la relación entre la fuerza transversal y el ángulo de deriva. Hoy día hay sensores, como se detallarán mas adelante, que son capaces de medir tanto el módulo como la dirección de la velocidad absoluta del coche directamente. Conocer este parámetro puede ayudar a calcular los ángulos de deriva de las ruedas. Si se tiene la velocidad absoluta de dos puntos del vehículo se obtiene directamente el punto CIR de la trayectoria del coche y una vez hallado éste se podría calcular la velocidad absoluta de cualquier punto del vehículo, y por lo tanto la de las ruedas. De esta forma se determinaría el ángulo que forma la velocidad absoluta con la orientación de las ruedas que, como ya se sabe, se denomina ángulo de deriva. Esto que se acaba de explicar aparece expuesto de forma mas clara en la Figura 5. Memoria 8 Figura 5. Ángulos de deriva de los neumáticos de un coche de F1 Por lo tanto se acaba de demostrar la importancia del conocimiento de la velocidad absoluta de algún punto del vehículo para conocer los ángulos de deriva de las ruedas del coche que son unos parámetros fundamentales para el control direccional de los vehículos. 1.2.2.3 Comportamiento en viraje Otro motivo importante por el que es fundamental medir la velocidad absoluta del coche es para conocer su comportamiento en viraje, el cual viene dado por los ángulos de deriva. Antes de analizar esto con más detalle, se va a hacer un breve repaso de los posibles comportamientos en viraje que puede presentar un vehículo. Según sean las relaciones entre los ángulos de deriva de los neumáticos anteriores y posteriores, el comportamiento de los automóviles se clasifica en subvirador, sobrevirador y neutro: • Condiciones neutras Para este caso se establece que los ángulos de deriva de las ruedas delanteras y traseras son idénticos. Memoria • 9 Condiciones de subviraje En el caso de que el vehículo sea subvirador se cumplirá que los ángulos de deriva en las ruedas delanteras son superiores al de las ruedas traseras. Por lo tanto un vehículo que subvire en una curva se ira “de morro” si el conductor no modifica la dirección del vehículo. • Condiciones de sobreviraje Y por último si las condiciones son de sobreviraje, los ángulos de deriva de las ruedas delanteras serán menores que los de las traseras. El conductor no necesita girar el volante para tomar una curva tanto como si se estuviera en condiciones de subviraje. A la hora de establecer el tipo de comportamiento de un vehículo se debe diferenciar entre situaciones estacionarias y transitorias. El vehículo se comportará de manera diferente dependiendo de las diversas situaciones en las que se puede encontrar. Por lo tanto cuando se habla de comportamiento en viraje se esta hablando de comportamientos transitorios. A continuación se van a poner unos ejemplos de dos situaciones estacionarias para entender mejor el concepto del comportamiento en viraje. Por ejemplo si el vehículo se encuentra acelerando en una curva y suponiendo invariable el ángulo de dirección ( δ ), la trayectoria seguida por el coche será diferente en función de si esta subvirando, sobrevirando o puede apreciar en la Figura 6. en condiciones neutras. Esto se Memoria 10 Figura 6. Respuesta direccional de un vehículo neutro, subvirador o sobrevirador, al acelerar en curva, manteniendo constante el ángulo de dirección Como se puede ver el vehículo de comportamiento neutro describiría una trayectoria de radio constante. Si el vehículo sobrevira describirá una trayectoria de radio variable según aumenta la velocidad, e inferior a R. Mientras que un vehículo que este subvirando circulará describiendo una trayectoria de radio superior a R. Otro caso que se podía encontrar es el de cuando en coche está circulando en línea recta. Por lo tanto se parte de que el empuje lateral es distinto de cero y no ha habido ningún giro de la dirección ( δ = 0 ). Para este caso un vehículo en condiciones neutras seguirá una trayectoria recta pero desviada respecto al eje longitudinal del vehículo en su posición de referencia. Un vehículo que subvirara seguiría una trayectoria no recta, con un ángulo de desviación creciente respecto a la trayectoria recta de referencia y en el sentido del empuje lateral. Por último el estado sobrevirador tendrá un comportamiento análogo, pero en sentido de su trayectoria es contrario al del empuje. Estos diferentes comportamientos se pueden ver mejor en la Figura 7 Memoria 11 Figura 7. Respuesta direccional de un vehículo neutro, subvirador y sobrevirador bajo la influencia de una acción lateral y con ángulo de guiado δ = 0 Estos casos que se acaban de exponer se tratan de ensayos estacionarios ya que, como ya se ha comentado, el comportamiento neutro, subvirador o sobrevirador es transitorio. Es decir que por ejemplo un vehículo no tiene por qué tener siempre un comportamiento subvirador sino que dependerá de la situación en la que se encuentre. Los vehículos que tienden a sobrevirar proporcionan una respuesta direccional más “sensitiva” que otros , pero presentan dos problemas importantes, el primero, la inestabilidad a velocidades superiores a la crítica (velocidad a partir de la cual el ángulo de guiado en los vehículos sobreviradores puede hacerse negativo) y el segundo, requerimientos de corrección del ángulo de dirección al acelerar en curva, o bajo acciones laterales, diferentes a los que intuitivamente puede predecir un conductor normal. Por estas razones es indeseable este tipo de comportamiento para condiciones normales de conducción. Los vehículos que tienden a subvirar presentan un comportamiento contrario al anterior. Su dificultad es una respuesta lenta y menos “sensitiva”, especialmente con grados elevados de subviraje. En cualquier caso, un ligero subviraje, es un comportamiento deseable en conducción normal en carretera abierta. Memoria 12 En el caso de las competiciones, todo piloto profesional desea en su coche de carreras un sobreviraje al entrar en las curvas para facilitar la inserción del eje delantero, y un subviraje en la salida para una autoalineación más rápida que favorezca la aceleración. Con todo lo que se acaba de exponer sobre los distintos comportamientos en viraje, se ha podido deducir que el control de la velocidad absoluta del coche es muy interesante, ya que a partir de ella se pueden hallar los ángulos de deriva, como se demostró en el apartado anterior, son necesarios a la hora de estudiar el comportamiento del coche. 1.2.3 Información proporcionada por la velocidad angular 1.2.3.1 Comportamiento del coche en casos particulares. Control estabilidad Hasta ahora se ha visto la importancia que tiene el cálculo de la velocidad absoluta para determinar algunos parámetros y diferentes comportamientos del coche. Por otro lado respecto a la velocidad angular en el plano xy también hay que decir que su control es un aspecto fundamental para analizar como se comporta el vehículo en algunas situaciones. Para analizar esto, se va a plantear una determinada situación. Analícese por ejemplo el caso, de que un coche se desplace una determinada distancia hasta llegar a un punto A (ver Figura 8 ). Puede suceder que ese recorrido lo haga en línea recta a una determinada velocidad de módulo V, o bien que el coche se desplace girando continuamente en el plano xy y manteniendo el mismo módulo y dirección de velocidad que para el otro caso. El comportamiento del coche en los dos casos es totalmente diferente aunque se mantenga el mismo valor de velocidad. Esto se aprecia mejor en la Figura 8. Memoria 13 Figura 8. Distintos comportamientos de un coche al recorrer una distancia En la actualidad hay sensores que miden la velocidad de giro del coche alrededor del eje Z, denominados giróscopos. Estos se explicarán con más detalle en el capítulo 3. Debido al peligro que conllevan algunas situaciones como por ejemplo el derrape en seco o el giro descontrolado del coche, los grandes fabricantes de automoción han incorporado a sus vehículos unos sistemas de control que se apoyan en los sensores de velocidad angular (giróscopos). Básicamente lo que se hace es medir como de rápido está girando el coche y si el giroscopio detectara que el coche está fuera de control, el sistema de frenos del vehículo actuaría de tal manera que se intentara controlar el coche. 1.2.3.2 Sustituto de GPS Hay que tener en cuenta que la velocidad angular se puede integrar a lo largo del tiempo para determinar la posición angular, esto es particularmente útil para navegación basada en GPS cuando la señal del satélite se pierde en pequeños periodos de tiempo (por ejemplo en túneles). Memoria Capítulo 2 14 Elementos iniciales de trabajo 2.1 VEHÍCULO DE CAR-CROSS El principal elemento del que se parte y hacia el que está dirigido este proyecto es evidentemente el propio coche. Se trata de un Car-Cross modelo Melmac, un vehículo fabricado por Tenroj para pruebas en circuitos de tierra. En la Figura 9 se puede ver al piloto Ander Vilariño probando el coche en el circuito de Olaberría (Guipúzcoa) en una de las pruebas que se realizaron en dicho circuito. Figura 9. El car-cross Melmac en acción Las especificaciones técnicas del coche son las siguientes: • Chasis principal y secundario tubular. Tubos de 40 y 32 mm. • Motor central, Honda CBR600 F. • Potencia aproximada: 92 CV a 12.000 rpm • Par máximo: 12 mdaN a 10.500 rpm • Régimen máximo: 12.330 rpm Memoria 15 • Tracción: a las ruedas traseras sin diferencial • Peso: inferior a 300 kg. • Suspensión: de doble triángulo independiente a las cuatro ruedas. Conjunto muelle-amortiguador en cada rueda. Precarga de muelle ajustable. Amortiguador regulable. • Frenos: de disco macizo de 5 mm. Dos discos delanteros y uno trasero. Reparto de frenada delantero/trasero regulable. • Dirección: tipo piñón/cremallera • Cambio de marchas: secuencial de 6 velocidades. No tiene marcha atrás. • Transmisión: por cadena • Mandos en el volante • Volante extraíble • Acelerador electrónico El coche del laboratorio ha sido modelizado con el programa Pro-Engineer anteriormente en el propio laboratorio tal y como se puede apreciar en la Figura 10. Figura 10. Modelización del Melmac realizada con Pro-Engineer. Memoria 16 El coche del laboratorio va provisto de una serie de sensores que se explicarán en el capítulo siguiente. 2.2 SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS (Data Logger) El sistema de adquisición de datos, modelo GEMS DA99 permite grabar los valores de una cantidad finita de sensores en una tarjeta PCCard, así como visualizarlos en un monitor que se integra en el propio coche. La unidad central recibe el nombre de data logger como se puede apreciar en la Figura 11. Figura 11. Data-logger Las principales características son las siguientes: • Sistema compacto. Unidad central: 110×110×45 mm. Peso: 450 gr. • 24 canales analógicos • 6 canales de velocidad • 8 entradas para termopares (temperatura) • Resolución hasta 16 bits. • Resolución en 8 bits con selección de modo: 8×1, 8×2, 8×4,… • Hasta un kHz de frecuencia de muestreo • Ranura PCMCIA para el almacenaje de datos en tarjeta PCCard SRAM • Conectores Autosport • Pantalla digital con hasta 8 configuraciones de presentación. Esta se puede ver en la Figura 12. Memoria 17 Figura 12. Monitor o display integrado en el cuadro de mandos Memoria Capítulo 3 18 Sensores 3.1 INTRODUCCIÓN Los sensores son dispositivos empleados para convertir una magnitud física o química en una señal generalmente eléctrica que puede de esta forma ser fácilmente procesada, almacenada o transmitida. Son por tanto elementos transductores al transformar una magnitud en otra diferente, en este caso eléctrica. Por otro lado están los dispositivos actuadores, encargados de transformar una magnitud eléctrica en una de otro tipo, generalmente provocando una acción (Ej. Abriendo o cerrando una válvula). La señal eléctrica proporcionada a la salida del sensor puede ser una tensión, corriente o carga, pero también una variación en la resistencia o capacidad del sensor (en cuyo caso se suele hablar de sensores resistivos y capacitivos, respectivamente). Tal variación se puede convertir fácilmente en una variación proporcional de tensión, corriente o carga, mediante configuraciones en puente resistivo o capacitivo, por ejemplo. Se entiende por el término microsensores a sensores miniaturizados, frecuentemente fabricados en tecnologías estándar de integración de circuitos (o bien en versiones ligeramente modificadas de estas tecnologías). El circuito integrado resultante puede contener tan sólo estos sensores, o bien puede incluir junto con éstos los circuitos electrónicos asociados para el procesamiento de la señal generada por el sensor. El microsensor puede ser un dispositivo semiconductor (transistor, diodo, etc.), o bien una estructura mecánica en miniatura (micropuentes, espiras, diafragmas, membranas, etc.) obtenida por técnicas de micromecanizado (micromachining). La tecnología de micromecanizado se divide en micromecanizado de “cuerpo” o “sustrato” (bulk micromachining) y en micromecanizado de superficie (surface micromachinig). En la primera el microdispositivo se fabrica en el cristal de silicio, normalmente por eliminación selectiva de ciertas regiones. En el segundo se fabrica depositando capas adicionales sobre el sustrato de silicio. Estos sistemas pueden integrar en un mismo Memoria 19 chip sensores, actuadores y la electrónica de procesado necesaria, por lo que se suelen denominar sistemas Micro-Electro-Mecanizados (MEMS). Hoy día muchos de los sensores que se están fabricando son mediante la tecnología MEMS debido a importantes ventajas que puede ofrecer como el tamaño y el coste. En esta sección conviene tratar el concepto que en la literatura en inglés se conoce como “smart sensors” (sensores inteligentes). Se trata de sensores que no sólo producen la magnitud que se pretende medir, sino que también incorporan funciones de procesamiento tales como: • Comunicación bidireccional. La transmisión de la información medida se realiza bajo petición, controlandose funciones locales. • Autocalibración: Se trata de compensar variaciones de características con el tiempo o con condiciones ambientales. Filtrados, reducción de información en general y compensación de no linealidades. • Fusión multisensorial. Medidas diferentes con diversos sensores y obtención de una estimación en función de todas las medidas. Para realizar estas funciones se emplean normalmente circuitos electrónicos especializados, microcontroladores y otros componentes electrónicos. 3.2 CARACTERÍSTICAS A la hora de evaluar los sensores, se les debe exigir una serie de características, que se pasan ahora a enumerar y comentar: • Precisión. Una medida será más precisa que otra si los posibles errores aleatorios en la medición son menores. Se debe procurar la máxima precisión posible. Memoria • 20 Rango de funcionamiento. El sensor debe tener un rango de funcionamiento adecuado, es decir, debe ser capaz de medir de manera exacta y precisa un determinado abanico de valores de la magnitud correspondiente. • Velocidad de respuesta. El sensor debe responder a los cambios de la variable a medir en un tiempo mínimo. Lo ideal sería que la respuesta fuera instantánea. • Calibración. La calibración es el proceso mediante el que se establece la relación entre la variable medida y la señal de salida que produce el sensor. La calibración debe poder realizarse de manera sencilla y además el sensor no debe precisar una recalibración frecuente. • Fiabilidad. El sensor debe ser fiable, es decir, no debe estar sujeto a fallos inesperados durante su funcionamiento. • Coste. El coste para comprar, instalar y manejar el sensor debe ser lo más bajo posible. • Facilidad de funcionamiento. Por último, sería ideal que la instalación del sensor no necesitara de un aprendizaje excesivo. Todas estas características son las deseables en los sensores. Sin embargo, en la mayoría de los casos lo que se procurará será un compromiso entre su cumplimiento y el coste que ello suponga a la hora del diseño y fabricación. Otras características a tener en cuenta son: • Linealidad. La característica entrada/salida es lineal. Normalmente se evalúa la separación máxima de la línea recta. • Histéresis. La salida del sensor para una determinada entrada varía dependiendo de de que entrada esté aumentando o disminuyendo. • Repetitividad. Es la variabilidad de la salida ante la misma entrada. Memoria • 21 Resolución. Es el cambio más pequeño en la entrada que puede ser detectable a la salida. • Sensibilidad. Un pequeño cambio en la entrada causa un pequeño cambio en la salida. Normalmente se cuantifica por la relación entre el cambio en la salida dividido por el cambio en la entrada. • Ruido. Es el nivel de señal espuria en la salida que no corresponde a un cambio en la entrada. • Offset. Es el valor de salida del sensor cuando la magnitud medida es cero. • Diferencia de fase. Si se considera que el fenómeno a medir sufre una variación de tipo armónico, los transductores reproducen dicho fenómeno físico con un cierto retraso τ. Este retraso, en general, es función de la frecuencia. Por la transformada de Fourier, cualquier función temporal puede considerarse como suma de señales armónicas, cada una con frecuencia diferente. Según lo afirmado en el párrafo anterior, el transductor representará el parámetro a medir con un retraso τ que en general, será distinto para cada frecuencia. La señal de salida del transductor será el resultado de superponer la señal resultante de cada una de las frecuencias que componían la señal original. Como el retraso introducido en cada una de ellas es distinto la señal resultante sufre una distorsión con relación a la variación de la señal original. Figura 13. Retraso producido entre la señal original y la de salida Memoria 22 Considerando una señal de medida armónica, el fenómeno a medir está dado por: x = X cos ωt (Ec. 3.1) Y la señal que se obtiene en el transductor: y = SX cos [ω(t - τ)] = SX cos (ωt - φ ) siendo (Ec. 3.2) S = sensibilidad del transductor φ = diferencia de fase A la frecuencia ω, la relación entre el retraso τ y φ es: φ = ωτ (Ec. 3.3) Como se indica en la Figura 14, para que no se produzca distorsión en la señal de medida, τ debe ser constante e independiente de la frecuencia. Esta condición equivale a que la curva de la diferencia de fase sea una recta que pasa por el origen o nula para cualquier frecuencia. Figura 14. Curva de la diferencia de fase respecto la frecuencia Memoria 23 3.3 SENSORES MONTADOS EN EL COCHE A lo largo del tiempo y dependiendo de las necesidades que ha habido en el laboratorio se han incorporado al coche una serie de sensores para medir diferentes parámetros. De todos los sensores que hay, unos han sido adquiridos directamente a fabricantes mientras que otros han sido diseñados y fabricados en el propio laboratorio. A continuación se va a hacer una breve explicación de todos ellos. 3.3.1 Sensores de fuerza El coche va previsto de dos tipos de sensores de fuerza: dos delanteros y dos traseros. Todos ellos diseñados y construidos en el laboratorio gracias a un proyecto final de carrera. Su construcción se hizo con el objetivo de tener una continua y correcta muestra de las cargas exteriores que sufre el vehículo en condiciones estáticas y de conducción. Estos sensores van provistos de una pieza de acero con una parte en voladizo, la cual flecta cuando es sometida a las cargas transmitidas por el muelleamortiguador. Esa deformación es detectada por medio de unas galgas extensométricas que lleva incorporado el sensor. Las galgas están conectadas en puente completo de Wheastone, lo que produce una señal de salida en forma de tensión eléctrica proporcional a la carga si se alimenta el puente en el modo indicado. En la Figura 15 y Figura 16 se ven con más claridad detalles de ambos sensores (delantero y trasero). Figura 15. Sensor delantero montado Memoria 24 Figura 16. Sensor trasero montado 3.3.2 Sensor de desplazamiento En el laboratorio de automoción también, gracias a otro proyecto fin de carrera, se ha diseñado un sensor de desplazamiento con el objetivo de medir la distancia que se mueven las ruedas de un car-cross respecto de su chasis. Se han fabricado 4 sensores, uno para cada una de las suspensiones. Uno de ellos se puede ver instalado en la parte delantera del coche en la Figura 17 y en la Figura 18. Figura 17. Sensor con su soporte en el car-cross Memoria 25 Figura 18. Detalle del soporte del cable en el car-cross El sensor se alimenta con un voltaje, y este nos da una tensión proporcional al desplazamiento. Después este voltaje hay que modificarlo, es decir, calibrar el sensor para que el valor de la pantalla sea precisamente el desplazamiento. Entre las principales características del sensor se pueden ver en la Tabla 1. Memoria 26 Tabla 1. Características del sensor desplazamiento 3.3.3 Acelerómetros Otros de los sensores de los que se dispone en el laboratorio pero que, a diferencia de los anteriores, fueron comprados a la empresa crossbow technology (ver capítulo URL’s) son un par de acelerómetros, uno uniaxial como se muestra en la Figura 19 y otro triaxial como se aprecia en la Figura 20. Memoria 27 Figura 19. Acelerómetro uniaxial Figura 20. Acelerómetro triaxial Memoria 28 El sensor triaxial (modelo CXL04LP3) posee las siguientes características: Tabla 2. Características del acelerómetro triaxial Para obtener mayor información sobre este tipo de sensores (ver A2). 3.4 SENSORES DE VELOCIDAD ANGULAR 3.4.1 Introducción Hoy en día existen varias tecnologías para medir la orientación de un vehículo, entre las que destacan los compases magnéticos y los giróscopos. Los primeros son magnetómetros, es decir, son sensores de medida de campo magnético, que se emplean para medir el campo de la tierra. Por otro lado los giróscopos miden la velocidad angular de rotación, o como de rápido gira un objeto sobre si mismo. Los giróscopos presentan la ventaja, con respecto a los compases magnéticos, de su inmunidad en relación con las interferencias electromagnéticas y ferromagnéticas que afectan a los compases. Memoria 29 Desde el punto de vista de la automoción el uso de giróscopos es muy común ya que pueden calcular la velocidad de rotación de un coche en relación a los ejes x, y ó z. El conocimiento del ángulo rotado en el eje y (pitch), puede ser importante en los momentos de frenadas bruscas mientras que en las curvas será bueno conocer la rotación en el eje x (roll). Desde el punto de vista del objetivo del proyecto se profundizará principalmente en la rotación alrededor del eje z (yaw) ya que servirá para orientar el vehículo en el plano xy. En muchas ocasiones, para determinar el vector velocidad de algún punto del coche, será necesario combinar estos sensores con otros ya que por sí solos no puede dar una información completa. Existen diversos tipos de giroscopios, cada uno de los cuales esta regido por principios físicos diferentes. A continuación se van a explicar los diferentes modelos: mecánicos, ópticos y electrónicos. Los giroscopios mecánicos son los mas antiguos mientras que los ópticos y los electrónicos son mas modernos y los que mas se utilizan en el mundo de la automoción. 3.4.2 Giróscopos mecánicos Los giróscopos mecánicos están constituidos por un volante o masa que rota suficientemente rápido alrededor de un eje estando la masa distribuida en la periferia con objeto de que el momento de inercia del eje de rotación sea alto. En la Figura 21 se muestra una configuración típica de este modelo de giróscopo. Memoria 30 Figura 21. Componentes del giróscopo mecánico El rotor es accionado mediante un motor eléctrico, suspendiéndose mediante un par de cojinetes que deben ser de bajo rozamiento en cada extremo del eje. Estos cojinetes están soportados por un anillo circular, conocido como anillo gimbal interno, el cual, a su vez, pivota en un segundo juego de cojinetes que están unidos rígidamente a un anillo gimbal externo. Nótese que existen tres ejes: el eje de rotación del volante, o rotor, un eje perpendicular al de rotación del volante, que define el pivote interno, horizontal en la figura anterior, y un tercer eje perpendicular a los dos anteriores que define el pivote externo, vertical en la figura anterior. Una propiedad importante de los giróscopos es que si en la rueda que gira se le aplica un par de fuerzas perpendicular al eje, tendiendo a volcarla, se aprecia el fenómeno, en principio sorprendente, de que la rueda adquiere un lento movimiento de rotación, pero no alrededor del eje del par aplicado, sino alrededor del otro eje perpendicular a él y al eje de giro de la rueda. Este movimiento, al cual se conoce con el nombre de movimiento de precesión, se mantiene mientras existe la inercia giroscópica. Esta propiedad también se puede usar para la medida del ángulo girado. Memoria 31 Figura 22. Aplicación de una fuerza vertical en el extremo del rotor Así si se aplica una fuerza vertical hacia abajo en el extremo de eje del rotor (Figura 22), se produce un par en el eje horizontal que origina un movimiento de presesión de rotación alrededor del eje vertical. Si a la vez gira la base del instrumento sobre el mismo eje vertical existirá una relación entre el movimiento de precesión y la velocidad de giro de la base. En efecto, cuanto más rápido gire la base, mayor fuerza es necesaria para la presesión y la velocidad de giro de la base. Esta relación proporcional puede emplearse para medir la velocidad de giro sobre el eje vertical. Asimismo si en un barco se coloca el rotor del giroscopio en una dirección perpendicular al eje longitudinal del barco se mediría la variación en el ángulo de alabeo (roll) o rotación sobre el eje longitudinal del barco. Conviene resaltar que este giroscopio proporciona la variación de ángulo de rotación de un eje perpendicular al eje del rotor. 3.4.3 Giróscopos ópticos La medición de rotación es de considerable interés en un gran número de áreas. Los más populares métodos de medición de la rotación usados en las décadas pasadas, se basan en el giróscopo mecánico, el que, como ya se ha comentado, depende del momento angular generado por una rueda o bola, a la cual se le imprime un movimiento rotativo. El principio por el que se basa un giróscopo laser es el llamado efecto Sagnac. Las principales ventajas de los giróscopos ópticos sobre los mecánicos, básicamente son: Memoria 32 • No posee partes móviles • No es necesario un tiempo de calentamiento (WARM-UP) • No son sensibles a la gravedad • Gran rango dinámico • Lectura digital • Bajo costo • Tamaño reducido Por el contrario, el inconveniente que tienen este tipo de giróscopos es que son bastante frágiles. Existen dos tipos de giróscopos ópticos: los RLG (Ring Laser Gyro) en los que el medio por el que circula el rayo de luz es un anillo de fibra, y los FOG (Fiber Optic Gyro) en los que el medio es una espiral de fibra óptica. Independientemente del tipo que se tenga el principio por el que se rigen ambos es el mismo: el efecto Sagnac. Un ejemplo de FOG puede verse en los anejos (A1 1.1). 3.4.3.1 Efecto Sagnac en el vacío El principio en el que se basa este efecto es en la diferencia de camino recorrido por dos haces luminosos dentro de un recorrido de fibra óptica. Figura 23. Estructura y componentes de un RLG Memoria 33 Se va a intentar analizar el principio de funcionamiento. Para ello se parte de un disco de radio R rotando a una velocidad omega (ver Figura 24). Figura 24. Recorrido de los dos rayos lumínicos La diferencia de camino que ven dos rayos lumínicos viajando en direcciones opuestas, a lo largo del perímetro es de: ∆L = (4 ⋅ A / c) ⋅ Ω (Ec. 3.4) donde A es el área encerrada por el camino y c es la velocidad de la luz. La derivación de esta ecuación se basa en la propagación de la luz en un campo rotativo, donde la teoría general de la relatividad debe ser usada para realizar los cálculos apropiados. La explicación del fenómeno es la siguiente. Nuevamente se considera el disco rotando con una velocidad angular omega perpendicular al plano del disco. En un cierto punto del perímetro (designado como 1) fotones idénticos se envían en ambos sentidos del anillo a la largo de su perímetro. Si la velocidad angular es cero, entonces ambos fotones verán que el camino es de la misma longitud, cubriendo una distancia (hasta llegar nuevamente al punto 1) de 2 ⋅ Π ⋅ R . Si ahora el anillo se encuentra rotando, al llegar ambos fotones al punto 1 uno va a tardar un tiempo tccw (counterclockwise) y el otro un tiempo tcw (clockwise). Las ecuaciones vienen dadas por: Lccw = 2 ⋅ Π ⋅ R − R ⋅ Ω ⋅ t ccw = cccw ⋅ t ccw (Ec. 3.5) Memoria 34 Lcw = 2 ⋅ Π ⋅ R + R ⋅ Ω ⋅ t cw = ccw ⋅ t cw ∆t = t cw − t ccw = (2 ⋅ Π ⋅ R) ⋅ (2 ⋅ R ⋅ Ω) / c 2 = 4 ⋅ Π ⋅ R 2 ⋅ Ω / c 2 = (4 ⋅ A / c 2 ) ⋅ Ω (Ec. 3.6) (Ec. 3.7) Cuando se divide un rayo de luz y luego se recombina, se forma una interferencia. El modelo de interferencia obtenido dependerá de la velocidad de rotación. Si se supone que no ha habido rotación, los dos rayos estarían en fase por lo que se conseguiría interferencia constructiva que se representaría con un punto blanco. Por el contrario si se ha producido una rotación los rayos ya no estarían en fase por lo que se obtendría interferencia destructiva y por lo tanto un punto negro. A continuación se representa de modo esquemático lo que se acaba de decir para su mejor comprensión (ver Figura 25). Figura 25. Tipos de interferencia producidos al recombinar dos rayos de luz. Otro de los modelos de giróscopos ópticos que se pueden hacer es arrollando varias vueltas de fibra óptica, como se muestra el la Figura 26. Memoria 35 Figura 26. Estructura y componentes de un FOG. Según la forma en que esté realizado el separador de rayos (beamsplitter) las señales provenientes de la fibra pueden interferir en forma constructiva o destructiva, como ya se ha comentado. En presencia de rotación, las señales lumínicas mostrarán una diferencia de camino generada por: ∆L = Lcw − Lccw = (4 ⋅ A ⋅ N / c) ⋅ Ω = ( L ⋅ D / c) ⋅ Ω (Ec. 3.8) Esto causará una variación de fase de: ∆Φ = (2 ⋅ Π ⋅ L ⋅ D / λ0 ⋅ c) (Ec. 3.9) Para un tamaño de sensor dado, la sensibilidad puede aumentarse incrementando la longitud de la fibra. Desgraciadamente no puede alargarse indefinidamente, debido a la atenuación dentro de la fibra. A partir de la medida de diferencia de fase los sensores ópticos pueden transformarla en velocidad de rotación que es lo que realmente se quiere medir. Memoria 36 3.4.4 Giróscopos electrónicos Son normalmente sensores de velocidad angular que emplean el efecto de Coriolis. Para ello se realizan micromecanizados del silicio. El movimiento de rotación produce fuerzas de Coriolis que dependen de la velocidad de giro. Un sensor típico puede tener dimensiones entre 2 y 3 milímetros. Los giroscopios, como ya se sabe, miden la velocidad angular de rotación, o como de rápido gira un objeto. La rotación es normalmente medida en referencia a uno de los tres ejes: x, y o z. La Figura 27 muestra como según el plano en el que se monte el giróscopo, calculará una determinada velocidad de rotación: Figura 27. Velocidades angulares que mide un giróscopo electrónico. Por ejemplo los modelos de giróscopos ADXRS150 y ADXRS300 (ver A1 1.2 y A1 1.3) miden la rotación yaw pero si se montan en otro plano (por ejemplo en el eje xz) pueden ser usados para calcular la velocidad angular de roll. Una característica importante que hay que definir en este tipo de sensores es el rango completo de escala cuyo valor determina la cantidad de velocidad angular que se puede medir. Por ejemplo, un giróscopo de yaw montado en un plato rotando a 33.3 rpm debería medir una rotación de 360 º × 33.3 rpm dividido por 60 segundos o 200 º / s . Saldría un voltaje proporcional a la velocidad angular, o la sensibilidad, como medida en milivoltios por grado por segundo. Así que en el ejemplo anterior del plato, un giróscopo necesitaría tener un rango completo de al menos 200 º / s . Normalmente existe una compensación entre el rango completo de escala y la sensibilidad. Por ejemplo el modelo ADXRS300 (ver A1 1.3) tiene un rango completo Memoria 37 de escala de 300 º/s y una sensibilidad de 5 mV/º/s mientras que el modelo ADXRS150 (ver A1 1.2) tiene un rango de escala mas limitado de 150º/s pero con una gran sensibilidad de12.5 mV/º/s. 3.4.4.1 Aceleración de Coriolis Todo cuerpo que se mueve sobre un sistema en rotación experimenta una aceleración, llamada aceleración de Coriolis. La aceleración de Coriolis está muy relacionada con el parámetro de Coriolis: f = 2 ⋅ Ω ⋅ sen(θ ) donde (Ec. 3.10) es la velocidad angular del sistema que rota (la Tierra, por ejemplo) y es la latitud del lugar. Este parámetro es positivo en el hemisferio norte y negativo en el hemisferio sur, tal como se deduce de los signos de la latitud en cada hemisferio. También se observa que se anula en el ecuador, dado que allí es cero. En términos del parámetro de Coriolis, la aceleración de Coriolis que siente un cuerpo que se mueve con rapidez v sobre un cuerpo que rota es simplemente: − − acor = f ⋅ v (Ec. 3.11) La aceleración de Coriolis es hacia la derecha del cuerpo, en un hemisferio norte, hacia su izquierda, en un hemisferio sur, y nula en el ecuador. Un cuerpo que siente una aceleración de Coriolis obviamente experimenta también una fuerza de Coriolis. Para calcularla basta con multiplicar la aceleración de Coriolis por la masa, según la segunda ley de Newton. Dado que la dirección de la aceleración (y la fuerza) de Coriolis depende del hemisferio en que se mueve el cuerpo, es importante reconocer en qué hemisferio ocurre el movimiento. Esto no es necesariamente trivial. Una forma sencilla de reconocer cuál es el hemisferio norte y cuál el sur en un cuerpo que rota es la siguiente: Memoria 38 Se "sigue" con los dedos meñiques a índice (4 dedos) de la mano derecha la dirección en que el cuerpo rota. El pulgar apunta entonces hacia el hemisferio norte. La fuerza de Coriolis es normalmente muy pequeña, por lo que difícilmente experimentamos directamente sus efectos en la vida diaria. Sin embargo, frecuentemente ella determina los movimientos de fluidos que se mueven lentamente o que se mueven por largos periodos de tiempo (la atmósfera y los océanos, por ejemplo) Se va a ver un ejemplo que ayudará mas tarde a entender la explicación de este modelo de giróscopos. Supóngase que una persona esta en una plataforma giratoria como se muestra en la Figura 28: Figura 28. Plataforma giratoria con una persona subida en ella Si se coloca cerca del centro y se intenta mantener la posición respecto del suelo, se debe andar contra la rotación a una velocidad dada. Por otro lado si se desplaza hacia un punto cercano al extremo exterior de la plataforma, tendría que andar más rápido para mantener la posición relativa al suelo. Este incremento de velocidad, que es perpendicular al movimiento radial, es la aceleración de coriolis. Si la persona tiene una masa M y se sabe que la aceleración de coriolis, según se ha visto, vale 2 ⋅ Ω ⋅ v , la fuerza que debe aplicar la plataforma para provocar esa aceleración será 2 ⋅ M ⋅ Ω ⋅ v . La persona que está subida en la plataforma experimentaría la correspondiente fuerza de reacción. Memoria 39 3.4.4.2 Principio de funcionamiento Este tipo de giróscopos, como por ejemplo los modelos ADXRS (ver A1 1.2 y A1 1.3), aplican el efecto de la aceleración de coriolis usando una masa que se desplaza de forma análoga a la persona que estaba pisando la plataforma rotativa en el ejemplo anterior. La masa es micromecanizada de polisilicio y atada a una estructura de polisilicio de tal forma que pueda vibrar a lo largo de una dirección. Cuando la masa que vibra se mueve hacia el extremo exterior de la plataforma, esta experimenta una fuerza de reacción hacia la izquierda, por el contrario cuando se mueve hacia el centro de rotación la experimenta hacia la derecha. Esto último se expresa más claramente en la siguiente figura (Figura 29): Figura 29. Fuerzas producidas por el desplazamiento vertical de una masa La flecha roja mostrada en la Figura 29 que se ve en el dibujo indica la fuerza aplicada a la estructura, basada en el estado de la masa que se desplaza. Para medir la aceleración de coriolis, la estructura que contiene la masa es atada al sustrato a 90º relativos a la dirección de desplazamiento de la masa, como se aprecia en la Figura 30. La figura también muestra unas pequeñas barras de silicio que se usan para detectar la aceleración capacitivamente, como se describirá mas tarde. Si el muelle tiene una rigidez K, entonces el desplazamiento resultante de la fuerza de reacción será 2 ⋅ Ω ⋅ v ⋅ M / K Memoria 40 Figura 30. Direcciones de desplazamiento de la masa y la estructura que la contiene. A continuación en la Figura 31, se muestra la estructura completa y como la superficie en la que esta montado el giroscopio rota. También se puede apreciar como la masa y la estructura experimentan la aceleración de coriolis y se desplazan 90º una respecto de la otra. Figura 31. Desplazamiento de la masa y de la estructura que la contiene. La estructura y la masa que vibra se desplazan lateralmente en respuesta al efecto de coriolis. Este efecto se determina del cambio diferencial en capacidad entre las barras de silicio del sustrato y aquellos atados al sustrato. Si la capacidad total es C y el espacio entre las barras es g, entonces la capacidad diferencial debida al desplazamiento de la masa debido a la aceleración de coriolis, será 2 ⋅ Ω ⋅ v ⋅ M ⋅ C g⋅K Memoria 41 Si la velocidad angular de rotación se incrementa, la aceleración de coriolis incrementa, esto hace que se produzca el desplazamiento de la masa. Por lo tanto el desplazamiento de la masa y el de la estructura que la contiene son medidos a través de la capacidad que se establece entre las pequeñas barras de silicio de la estructura que contiene a la masa y las barras del sustrato base. Cada velocidad angular y cada aceleración de coriolis corresponden a una determinada capacidad. La electrónica puede detectar cambios en capacidad tan pequeños como 12 ⋅ 10 −21 F. Lo que ocurre es que para detectar estos cambios tan pequeños se tiene que recurrir a amplificadores y a filtros. Por último decir que este tipo de sensores son los que mas se están usando en la industria debido a su pequeño consumo de potencia y su pequeño tamaño. 3.4.5 Otros giróscopos Hoy día, aunque son menos usados, también existen giróscopos que utilizan algún tipo de fluido de manera que se trabaja con la interacción de las propiedades térmicas e inerciales de este. Un posible diseño es el esquema que se muestra a continuación: Figura 32. Estructura de un giróscopo que funciona con agua. Memoria 42 En el esquema de la Figura 32 se muestra el recorrido del agua y los sensores de temperatura que se utilizan. El funcionamiento consiste en que en el plano de rotación o yaw, la velocidad angular del dispositivo induce una aceleración de Coriolis normal a la dirección de flujo y cuyo valor es: ac = 2 ⋅ ω ⋅ Vx (Ec. 3.12) donde : a c : Aceleración de Coriolis w : Velocidad angular V x : Componente axial de la velocidad del fluido La aceleración de Coriolis perturba el perfil de la velocidad parabólica del flujo. Y ∂P asumiendo que el gradiente de presión, ∂x , es invariante a lo largo del canal, a partir de las ecuaciones de Navier Stokes, se puede llegar a: ρ ⋅Vy ⋅ ∂V x ∂ 2V ∂P = µ ⋅ 2x − ∂y ∂x ∂y ∂ 2V y ∂V x ρ ⋅Vy ⋅ =µ⋅ − 2 ⋅ ρ ⋅ ω ⋅ Vx ∂y ∂y 2 (Ec. 3.13) donde ρ , µ y V y son la densidad del fluido, la viscosidad dinámica y la velocidad trasversal del fluido respectivamente. El fluido entra al canal a una temperatura más alta que el silicio de alrededor, de manera que el fluido pierde calor por convección a través de las paredes del canal. El resultante perfil de temperaturas vendrá dado, en términos de velocidad axial y trasversal, por: Vx ⋅ ∂T ∂T ∂ 2T + Vy ⋅ +α ⋅ 2 = 0 ∂x ∂y ∂y (Ec. 3.14) Memoria donde 43 ∂T se considera constante asumiendo una velocidad uniforme de flujo de calor a ∂x lo largo de la longitud del canal. El efecto de la aceleración de Coriolis en la velocidad y el perfil de temperaturas se muestra en la Figura 33: Figura 33. Perfiles de velocidad y temperatura perturbados y sin perturbar. Resolviendo las ecuaciones anteriores (Ec. 3.13 y Ec. 3.14) se puede obtener la velocidad angular, ω , como función de la diferencia de temperaturas medida por los correspondientes sensores situados en paredes opuestas del canal. Se supone que el gradiente de temperatura trasversal de la ecuación 3.14 no afecta al cálculo del perfil de velocidad de 3.13. Memoria 44 3.5 TECNOLOGÍAS PARA MEDIR LA VELOCIDAD LINEAL 3.5.1 Introducción Actualmente están surgiendo nuevas tecnologías referidas a las pruebas realizadas en vehículos para las medidas de velocidad absoluta y longitudinal, las cuales están ofertando una mayor exactitud, ahorros de tiempo y mayor facilidad en su uso. Centrándose principalmente en medidas de velocidad, donde una vez la quinta rueda representó una excelente tecnología de calidad, las nuevas innovaciones en sistemas de medidas sin contacto han hecho que muchos ingenieros se planteen seriamente la reevaluación de los sistemas existentes. Problemas como la falta de exactitud a altas velocidades, el crecimiento de la rueda, y los saltos muy propios de la quinta rueda, son totalmente eludidos con los sistemas de no contacto. Las principales razones de estos problemas es el contacto directo con la superficie a estudiar. Entre los principales sistemas de no contacto usados para medidas de velocidad y distancia en pruebas de vehículos, están los sensores ópticos, la tecnología GPS y los sensores Doppler. Estos últimos están basados en el efecto Doppler A continuación se va a hacer un estudio de las diferentes tecnologías que existen para la medida de la velocidad (absoluta y longitudinal) en algún punto del vehículo. Se comenzará por el análisis de los acelerómetros que miden las aceleraciones en las diferentes direcciones del vehículo. A continuación, se explicará la tecnología de la quinta rueda y luego se procederá a la exposición de las tecnologías de no contacto. Memoria 3.5.2 45 Acelerómetros A la hora de determinar la velocidad absoluta de un determinado punto del vehículo lo primero que se podría plantear es el tratamiento de la señal de salida de un acelerómetro. Los acelerómetros son dispositivos que se emplean para determinar la aceleración en cada uno de los ejes de movimiento del coche. Existen diferentes tecnologías para construir acelerómetros. Una posible estructura consiste en una masa colocada en el extremo de una viga en voladizo, situada entre dos electrodos fijos. El amortiguamiento del sistema se consigue mediante películas de gas entre la masa y los electrodos. La masa y la viga en voladizo se fabrican en silicio. En esta estructura capacitiva el movimiento de la masa se detecta midiendo la capacidad variable en el condensador. Hay diferentes tipos de acelerómetros dependiendo de si miden la aceleración en uno, dos o los tres ejes del vehículo (ver A2). Se podría pensar que si, por ejemplo, se colocaran dos acelerómetros en el coche, uno para calcular la aceleración longitudinal y el otro para la lateral y se integraran las señales obtenidas, se llegaría a obtener la velocidad lateral y longitudinal del vehículo, y por lo tanto el vector velocidad absoluta (ver Figura 34). Es cierto que, que si el coche se desplazase en línea recta, de forma que no hubiese fuerzas laterales, se podría obtener el valor de dicho parámetro. El problema surge cuando el vehículo se esta desplazando en una curva y aparecen en los neumáticos una serie de fuerzas laterales, como se ha comentado anteriormente, que hacen que al integrar la señal de aceleración del acelerómetro lateral no se obtenga el verdadero valor de velocidad lateral. Esto se debe a que la fuerza normal que se produce en los neumáticos es una fuerza no inercial. Por esta razón la idea de poner un acelerómetro biaxial o bien dos uniaxiales no es un buen método para calcular la velocidad absoluta de un punto del coche. El la Figura 34 se puede ver como si en una curva se tiene V x y V y , se obtiene directamente el vector velocidad el cual es tangente a la trayectoria de la curva. Memoria 46 V y − V Vx Figura 34. Velocidad lateral y longitudinal de un punto del coche en una curva 3.5.3 Quinta rueda 3.5.3.1 Introducción Hasta hace poco tiempo que han surgido las tecnologías sin contacto para medidas de velocidad, la quinta rueda representó el principal instrumento para medir este parámetro. A diferencia de otras tecnologías, el hecho de ser un mecanismo basado en el contacto de dos superficies, hace que puedan aparecer algunos problemas como deslizamiento en el contacto, saltos de la rueda, etc. Por otro lado, dependiendo de aspectos como la magnitud de la velocidad a la que se desplaza el vehículo o las condiciones de la superficie por la que se circula, esta tecnología puede aportar a sus medidas una serie de ventajas respecto a las tecnologías sin contacto. Esto se explicará con más detalle en capítulos posteriores. Memoria 47 Figura 35. Dispositivo de quinta rueda montado en un coche 3.5.3.2 Conceptos previos Antes de pasar a explicar el mecanismo de la quinta rueda, es importante conocer lo que se denomina como coeficiente de adherencia ( µ max ). Esto se debe a que al ser una tecnología de contacto es importante tener en cuenta las posibles condiciones de contacto que se pueden dar entre el neumático y la superficie por donde se circula. Dicho coeficiente corresponde al valor máximo de la adherencia entre el neumático y la superficie de rodadura. Una vez superado ese límite, el deslizamiento entre el neumático y la superficie de rodadura se extiende de forma casi instantánea a toda la huella de contacto y disminuye hasta el valor µ d (coeficiente de adherencia en deslizamiento). Los valores del coeficiente de adherencia, están influenciados por diversos factores que se pueden agrupar en internos (relacionados con el propio neumático y el vehículo) y externos o relativos al ambiente en que se mueve, especialmente la naturaleza y estado de la calzada. Los principales factores internos que afectan a µ son: • Velocidad de la marcha • Dibujo de la banda de rodamiento • Carga normal sobre la rueda Memoria 48 Los principales factores externos, relacionados con la calzada, son: • Naturaleza de la superficie • Humedad superficial • Limpieza Con todo esto lo que se quiere dar a entender es que al ser la quinta rueda una tecnología de contacto, la veracidad de las medidas de velocidad que se obtengan en las pruebas que se realicen dependerá de factores como los que se acaban de exponer. La velocidad del vehículo influye en µ max y µ d , haciendo disminuir estos. Esta variación puede verse representado en la Figura 36: Figura 36. Coeficiente de adherencia máxima (transversal y longitudinal) en función de la velocidad y del desgaste de la banda de rodamiento El diseño de la banda de rodamiento influye en el coeficiente de adherencia y, especialmente en los valores relativos de la adherencia longitudinal y transversal. El desgaste de la banda también tiene influencia en µ max , aumentando éste valor con un cierto desgaste de dibujo (ver Figura 36). Memoria 49 En relación con los factores que se han denominado externos, los principales son la naturaleza de la superficie de rodadura y su estado de humedad. En cuanto a la primera, en la Tabla 3 se indican los valores medios orientativos de µ max y de µ d , correspondientes a diferentes tipos de superficies. Valor máximo µ max Valor de deslizamiento µ d Asfalto y hormigón secos 0.8-0.9 0.75 Asfalto mojado 0.5-0.7 0.45-0.6 Hormigón mojado 0.8 0.7 Grava 0.6 0.55 Tierra seca 0.68 0.65 Tierra húmeda 0.55 0.4-0.5 Nieve dura 0.2 0.15 Hielo 0.1 0.07 Superficie Tabla 3. Valores medios del coeficiente de adherencia (neumático-superficie) El estado de la humedad y suciedad de las superficies influyen en la adherencia, provocando la disminución de esta última. En la Figura 37 puede observarse, que sobre calzadas mojadas la adherencia disminuye, tanto más, cuando mayor es el espesor de la capa de agua. Se ha visto que si aumenta el desgaste en la superficie de la rueda aumentará µ max . Pero esto es para el caso de superficies secas, para superficies mojadas ocurrirá lo contrario, es decir, que la adherencia disminuye. Memoria 50 Figura 37. Influencia del espesor de la capa de agua y la velocidad sobre el coeficiente de adherencia 3.5.3.3 Elementos necesarios El uso de la quinta rueda ha sido siempre una forma simple y no muy costosa de medir la velocidad longitudinal del vehículo. Para hallarla se apoya en una serie de dispositivos que a continuación se van a exponer para una posterior mejor comprensión del funcionamiento de esta tecnología. Tacogenedador Es un dispositivo para medir la velocidad angular. Su funcionamiento es sencillo: convertir la energía rotacional del eje en cuestión en energía eléctrica, proporcional a la rotacional y que puede ser fácilmente medida. Una posible configuración podría ser la que se ve en la Figura 38. Memoria 51 Figura 38. Esquema y componentes de un tacogenador. Para generar la corriente a partir del giro se acopla al motor o eje que se va a medir, una espira situada dentro de un campo magnético fijo (creado por los dos imanes). Al girar el motor, la espira girará en el interior del campo magnético, lo que provocará una corriente eléctrica. Estos dispositivos pueden llegar a tener una precisión del 0,5 %, por lo que puede resultar una solución aceptable a la hora de medir la velocidad angular. Potenciometro Los potenciómetros son unos dispositivos capaces de medir la posición angular y pequeños desplazamientos de posición lineal. Según el tipo de posición a medir, se tendrán dos tipos distintos de dispositivos pero la idea básica es común. Constan de una resistencia a través de la cual hay una determinada diferencia de potencial. Además hay un contacto unido a la resistencia pero que se puede deslizar a su alrededor; este elemento es conocido como wiper. El wiper se conecta físicamente al elemento cuyo movimiento vamos a medir. Cuando este elemento se mueva el wiper se ira moviendo por la resistencia y la tensión de salida en él (en el wiper) irá cambiando. Si se mide está tensión de salida, se podrá determinar cuanto se ha desplazado el wiper, y por lo tanto cuanto se ha desplazado el elemento que se pretendía controlar. Memoria 52 3.5.3.4 Cálculo de la velocidad absoluta Normalmente esta forma de calcular la velocidad del coche se usa para calcular la velocidad longitudinal del vehículo. Se ha empleado durante muchas décadas, y hoy día se sigue empleando aunque en menor medida. La forma de medir la velocidad consiste en colocar un dispositivo de quinta rueda como se ve en la Figura 39. Con un tacogenerador que midiese la velocidad angular de la rueda se podría convertir a velocidad lineal y tener directamente la velocidad longitudinal. Para evitar problemas como saltos de la rueda al circular por una superficie irregular, a veces se añade al dispositivo un muelle (ver Figura 39) Figura 39. Quinta rueda montada en un coche Hasta ahora se ha visto como con la tecnología de quinta rueda se puede calcular la velocidad longitudinal del coche. Pero lo que realmente interesa es el vector velocidad absoluta que es la que aporta más información. Una de las opciones que se plantearon en el laboratorio, pero que no se ha visto que haya sido utilizada en competiciones, fue recurrir a la utilización de un potenciómetro que determinara la posición angular. Memoria 53 Figura 40. Medida de la velocidad absoluta con un potenciómetro y una quinta rueda Como se muestra en la Figura 40 el ángulo β 5 podría calcularse a partir del potenciómetro mencionado colocado en el punto A. Para obtener señales de velocidad angular bastaría con derivar las señales de posición del potenciometro. El módulo de la velocidad del punto B se obtendría a partir del tacómetro que se colocase en el punto B. La dirección de V B será la que se indica en la Figura 40. Por otro lado se sabe que el campo de velocidades de un sólido rígido viene dado por: _ _ _ _ V B = V A + ω ∧ AB (Ec 3.15) siendo V A la velocidad lineal de un punto del sólido, V B la de otro punto, ω la velocidad angular a la que rota el sólido y AB la distancia que hay entre el punto A y el punto B. Aplicando campo de velocidades entre A y B se podría obtener el vector velocidad absoluta del punto A Por lo tanto se acaba de ver una manera, en principio viable, de calcular el vector velocidad absoluta de un punto del coche. Memoria 3.5.4 54 Sensores ópticos 3.5.4.1 Introducción Una de las tecnologías que hoy día están en pleno auge, no solo en el mundo del automóvil sino en toda la industria en general, es la tecnología óptica. Un sensor óptico se basa en el aprovechamiento de la interacción entre la luz y la materia para determinar las propiedades de ésta. Una mejora de los dispositivos sensores, comprende la utilización de la fibra óptica como elemento de transmisión de la luz. Figura 41. Proceso de funcionamiento de un sensor óptico En general, los sensores ópticos han sido ampliamente aceptados entre los expertos en tecnologías de ensayos en vehículos. Son muy utilizados preferentemente por su exactitud, facilidad de uso y adaptabilidad a una amplia variedad de entornos de pruebas. 3.5.4.2 Características Los sensores ópticos son usados, particularmente para medidas de: • Velocidad • Distancia • Altura • Angulo • Aceleración • Velocidad de yaw • Deriva • Deslizamiento de la rueda • Ensayos de frenado Memoria 55 Figura 42. Sensor óptico en una prueba En la Figura 42 se puede observar como se ha colocado un sensor óptico en un coche para obtener valores de los parámetros anteriormente señalados. La prueba se hizo en una superficie pavimentada pero los sensores ópticos también se pueden usar en terrenos no pavimentados. En contraste a otros dispositivos que miden velocidad y distancia, los cuales a menudo son incapaces de medir velocidades muy pequeñas, los sensores ópticos pueden registrar velocidades tan bajas como 0.3 kilómetros por hora. Estos pequeños detalles hacen que los sensores ópticos sean muy aceptados para aplicaciones que demandan exactitud a bajas velocidades. Para ensayos a altas velocidades los sensores ópticos son también más exactos, especialmente en comparación con la quinta rueda, la cual es propensa a saltos cuando es usada por encima de las velocidades medias. Por ejemplo, el sensor de velocidad y distancia Datron DLS-3 (ver Figura 43) proporciona un margen de exactitud de ±0.2% en medidas a velocidades tan altas como son 400 kilómetros por hora. En comparación, la quinta rueda típicamente consigue un rango de exactitud en sus medidas de ±1.5%, con un empleo eficaz máximo a velocidades de solo 97 kilómetros por hora. A velocidades mayores de 100 kilómetros por hora, la quinta rueda queda esencialmente inútil. Memoria 56 Figura 43. Sensor DLS-3 instalado en un coche 3.5.4.3 Funcionamiento y componentes Los sensores ópticos combinan dos avanzadas tecnologías: correlación óptica y filtración de frecuencia espacial. Para la adquisición de medidas de datos, el sensor óptico proyecta un rayo de luz de alta intensidad sobre la parte superior de la superficie a examinar. Una lente óptica ve el área de la superficie iluminada y enfoca esta imagen en un enrejado transparente. Cuando ocurre el movimiento relativo entre el vehículo y la carretera, se genera una señal eléctrica por los fotorreceptores que están montados detrás del enrejado. Para medir los parámetros se usan componentes de frecuencia de la señal. Figura 44. Componentes del sensor óptico Memoria 57 La disposición de los distintos elementos que se acaban de comentar dentro del sensor se puede ver mejor en la Figura 44 y Figura 45. Figura 45. Estructura interna del sensor Las distintas imágenes se van superponiendo en el tiempo de manera se puede sacar la dirección del vector velocidad. Esto se puede ver en la Figura 46: Figura 46. Captación de imágenes y trayectoria en velocidad Memoria 58 El sensor tiene que estar situado dentro de un rango de distancia al suelo ya que si se pone a mucha altura el rayo puede perder intensidad. Se suelen establecer unos márgenes de altura entre los que puede operar el sensor (ver A4). Los sensores ópticos se pueden usar correctamente en superficies no pavimentadas como grava o caminos fuera de carretera. También se pueden usar en superficies pavimentadas irregulares o bien en superficies de adoquín. Aunque por otro lado hay que decir que, como se verá en los ensayos que se explicarán más adelante, en superficies mojadas no trabajan muy bien. Otra de las ventajas que tienen este tipo de sensores es que son legales para el uso público en autopistas. Además son fáciles de usar, con una instalación completa que no supera los 10 minutos. Por el contrario el tiempo de instalación de la quinta rueda puede llevar de 1 a 3 horas. 3.5.5 GPS 3.5.5.1 Introducción El GPS o sistema de posicionamiento Global (Global Positioning System), es un sofisticado sistema de orientación y navegación cuyo funcionamiento está basado en la recepción y procesamiento de las informaciones emitidas por una constelación de 24 satélites conocida como NAVSTAR, orbitando en diferentes alturas a unos 20.000 km. por encima de la superficie terrestre (ver Figura 47). Cada satélite da dos vueltas diarias al planeta, una cada doce horas. Las trayectorias y la velocidad orbital han sido calculadas para que formen una especie de red alrededor de la tierra (debe haber en todo momento cinco satélites a la vista en cualquier zona), de manera que un receptor GPS a cualquier hora del día o de la noche, en cualquier lugar, con independencia de las condiciones metereológicas, pueda facilitar la posición que ocupa al captar y procesar las señales emitidas por un mínimo de tres satélites. Memoria 59 Figura 47. Red de satélites alrededor de la tierra El GPS fue desarrollado por el departamento de defensa de USA con fines militares. Después se extendió su uso a aplicaciones civiles. Cada satélite transmite series de datos en dos códigos diferentes. Uno de los códigos, el código P, está reservado para su utilización militar, el otro código, llamado SPS, está destinado para uso civil. Cada código tiene una frecuencia de emisión diferente. El código P se emite en la frecuencia de 1227.6 MHz mientras que para el código SPS es de 1575.42 MHz. La estación central del sistema GPS, situada en Estados Unidos, degrada la precisión de las señales civiles (por medio de una pequeña diferencia en el tiempo de emisión/recepción) de forma que ofrezca un pequeño error. Esta degradación de la señal es conocida como disponibilidad selectiva (SA). Esta diferencia en las coordenadas de posición para usos civiles, es debida a motivos de seguridad, no hay que olvidar que algunos sistemas de dirección de mísiles utilizan el sistema GPS como guía. Memoria 60 3.5.5.2 Calculo de la posición Paso 1 Los satélites son puntos de referencia. Sus posiciones en el espacio se conocen con toda precisión, constituyendo la base de todos los cálculos GPS. Paso 2 El tiempo de viaje de la señal da la distancia. Mediante una serie de mensajes codificados, un receptor en tierra determina el momento en que la marca de tiempo partió del satélite, así como el momento de llegada a su antena. La diferencia es el tiempo de viaje de cada señal. La distancia es el producto del tiempo por la velocidad de la luz. En este proceso es donde hay errores. Figura 48. Medición por medio de un satélite Paso 3 Tres distancias fijan la posición. Se supone un receptor a 23000 km de un satélite. Esta medición restringe el lugar del universo en que puede encontrarse el receptor. Indica que ha de estar en algún lugar de una superficie esférica imaginaria, centrada en ese satélite y con un radio de 23000 km (ver Figura 48). Figura 49. Medición por medio de dos satélites Memoria 61 Si por ejemplo el receptor se encuentra a 26000 km de un segundo satélite, eso restringe aún más el lugar, a la intersección entre dos esferas, que es una circunferencia (ver Figura 49). Figura 50. Medición por medio de tres satélites Una tercera medición, añade otra esfera, que intercepta el círculo determinado por las otras dos. La intersección ocurre en dos puntos, y así con tres mediciones, el receptor restringe su posición a sólo dos puntos en todo el universo (ver Figura 50). Una cuarta medición seleccionaría uno de estos dos puntos, pero no es necesario, pues de los dos puntos del paso anterior, uno está a miles de Km. de la Tierra, por lo que no tiene sentido. Aunque a veces es realizada esta cuarta medición, para proporcionar una forma de asegurar que el reloj del receptor está sincronizado con la hora universal. 3.5.5.3 GPS diferencial Es una forma de hacer más preciso al GPS. El DGPS proporciona mediciones hasta un par de metros en aplicaciones móviles, e incluso mejores en sistemas estacionarios. El DGPS opera mediante la cancelación de la mayoría de los errores naturales y los causados por el hombre, que se infiltran en las mediciones normales con el GPS. Las imprecisiones provienen de diversas fuentes, como los relojes de los satélites, Memoria 62 órbitas imperfectas y, especialmente, del viaje de la señal a través de la atmósfera terrestre. Dado que son variables es difícil predecir cuales actúan en cada momento. Lo que se necesita es una forma de corregir los errores reales conforme se producen. Aquí es donde entra el segundo receptor, se sitúa en un lugar cuya posición se conozca exactamente. Calcula su posición a través de los datos de los satélites y luego compara la respuesta con su posición conocida. La diferencia es el error de la señal GPS. No es posible calcular el error en un momento y que valga para mediciones sucesivas, ya que los receptores de los satélites cambian continuamente. Para realizar esta tarea es necesario tener dos receptores operando simultáneamente. El de referencia permanece en su estación y supervisa continuamente los errores a fin de que el segundo receptor (el itinerante) pueda aplicar las correcciones a sus mediciones, bien sea en tiempo real o en algún momento futuro. 3.5.5.4 Errores en las señales Errores de los satélites Los satélites llevan relojes atómicos muy precisos, pero no perfectos. La posición de los satélites en el espacio es también importante, estos se ubican en órbitas altas, por lo que están relativamente libres de los efectos perturbadores de la capa superior de la atmósfera terrestre, pero aún así se desvían ligeramente de las órbitas predichas. La atmósfera La información se transmite por señales de radio y esto constituye otra fuente de error. La física indica que las señales de radio viajan a la velocidad de la luz, que es constante, pero eso sólo es en el vacío. Las ondas de radio disminuyen su velocidad en función del medio en que se propagan. Así pues, conforme una señal GPS pasa a través de las partículas cargadas de la ionosfera y luego a través del vapor de agua de la troposfera, se retrasa un poco, lo cual implica un valor erróneo de la distancia del satélite. Memoria 63 Figura 51. Desviación de la señal del satélite debido a la atmósfera Error multisenda Cuando la señal GPS llega a la Tierra se puede reflejar en obstrucciones locales antes de llegar al receptor. La señal llega a la antena por múltiples sendas, primero la antena recibe la señal directa y algo más tarde llegan las desplazadas, produciendo ruido. Un ejemplo es en el caso de la TV cuando se ven imágenes múltiples solapadas. Figura 52. Diversos caminos que toma la señal para llegar a la antena Error del receptor Los receptores tampoco son perfectos y pueden introducir sus propios errores, que surgen de sus relojes o de ruido interno. 3.5.5.5 Sensores con GPS Hasta ahora se ha hablado de los GPS convencionales que cuya forma de tomar medidas se acaba de explicar. Actualmente existen unos sensores GPS para el cálculo de la posición y la velocidad del vehículo con una exactitud bastante alta en esta última y que toman sus medidas de forma distinta a los anteriores, ya que se basan en el Memoria 64 principio Doppler. Un ejemplo de este tipo de sensores puede ser el sensor VBOX (ver A5) de la empresa M-Tech (ver capítulo de URL’s). La forma de trabajar de este tipo de sensores es viendo la diferencia de fase (principio Doppler) que hay entre las señales que son recibidas de tres o más satélites, debido al movimiento de vehículo respecto de los satélites. A partir de esa diferencia de fase calcula la velocidad del receptor del coche. El receptor puede ser colocado en cualquier lugar como se muestra en la Figura 53: Figura 53. Receptor montado en un coche Mediante esta tecnología se puede calcular la velocidad con gran precisión. En la Tabla 4 se muestra la exactitud y la resolución de los diferentes parámetros que se pueden obtener con dicho sensor: Tabla 4. Datos de resolución y exactitud del sensor Memoria 65 Se podría haber planteado si es posible coger las diferentes señales de posición de un GPS convencional y derivarlas respecto del tiempo para obtener velocidades, de forma que no se tuviese que recurrir al efecto Doppler. Esto desde el punto de vista de la precisión no es viable ya que los errores en posición del GPS son bastante grandes. La empresa M-Tech hizo unas pruebas en las que se verificaba la hipótesis que se acaba de exponer. Se obtuvieron los siguientes resultados (ver Figura 54 y Figura 55). Figura 54. Valores de velocidad obtenidos integrando valores de posición La Figura 54 representa las medidas de velocidad que se obtienen como resultado de derivar las señales de posición obtenidas por un GPS. Como se puede observar las señales tienen demasiado ruido. Por otro lado si se recurre a la metodología de calcular la velocidad a partir de la diferencia de fase entre las señales (Efecto Doppler), la señal es mucho más clara como se muestra en la Figura 55. Memoria 66 Figura 55. Valores de velocidad obtenidos aplicando el efecto Doppler Aparte de la velocidad, este modelo de sensor (VBOX) puede medir otros parámetros como son: • Distancia • Posición • Altura • Aceleración lateral • Aceleración longitudinal • Velocidad vertical • Radio de giro Los dispositivos GPS muchas veces van provistos de otros sensores (giróscopos, odómetros, etc.) para situaciones en las que la señal de los satélites se pierda, por ejemplo al pasar por un túnel. 3.5.6 Sensores Doppler 3.5.6.1 Introducción Una de las tecnologías que se pueden utilizar para el cálculo de la velocidad longitudinal del vehículo es el uso de sensores basados en el efecto Doppler, denominados sensores radar o sensores Doppler. Este tipo de sensores son muy útiles tanto para el cálculo de la velocidad como para la distancia recorrida por el vehículo. Al ser una tecnología sin contacto las medidas del movimiento relativo no se ven afectadas por problemas como pueden ser el deslizamiento de la rueda. Memoria 67 Los sensores basados en le efecto Doppler son capaces de medir velocidades desde 0.5 hasta 480 Kmh y además debido a su tamaño pueden ser colocados en cualquier lugar del coche. Otra de las ventajas a parte de su tamaño, es que solo requiere una pequeña fuente de tensión DC de poca potencia. Estos sensores, al igual que los ópticos, pueden ser usados en varios tipos de superficies y es por ello por lo que son utilizados en carreras de competición para analizar el comportamiento de los vehículos. Uno de los principales inconvenientes que tienen estos sensores es que calculan sólo la velocidad longitudinal del coche, no la velocidad absoluta. Se podría pensar en la opción de poner un sensor transversalmente al coche y otro longitudinal para calcular la velocidad en ambas direcciones. Esta hipótesis ya ha sido estudiada por los fabricantes y las pruebas que han realizado demuestran que no se puede poner un sensor de efecto doppler transversalmente para obtener velocidad transversal ( V y ), debido a que normalmente son velocidades muy pequeñas y la resolución de estos sensores no es suficiente. La salida del sensor es un pulso digital. La frecuencia del pulso se puede utilizar para determinar la velocidad del vehículo o los pulsos se pueden sumar para determinar la distancia recorrida. Memoria 68 Figura 56. Sensor Doppler (modelo delta speed sensor DRS1000) montado en un coche En cuanto a la precisión, hay que decir que los sensores Doppler, aunque son más exactos que la quinta rueda, son algo menos precisos que los sensores ópticos. Se puede conseguir una precisión de hasta ± 0.5% dependiendo de algunos factores como se verá mas adelante, que puede ser aceptable para muchas de las aplicaciones. Como se muestra en la Figura 57 el sensor puede ser montado en un vehículo, apuntando al suelo y utilizado para medir la velocidad del vehículo relativo al suelo. El sensor se enfocará hacia delante o hacia atrás. Y debido a su pequeño tamaño puede montarse en cualquier lugar del coche. Memoria 69 Figura 57. Sensor Doppler montado en la parte trasera de un coche 3.5.6.2 Frecuencia Como ya se ha visto el principio Doppler explica que existe un cambio de frecuencia entre la onda emitida y la onda reflejada. Para el caso concreto del sensor de velocidad Delta (ver A6 6.1), se transmite una señal con una frecuencia específica que refleja en una superficie y es devuelta al sensor. Si el sensor o la superficie donde se refleja el rayo están moviéndose uno relativamente respecto del otro, la señal cambiará en frecuencia cuando vuelva al sensor. Este cambio en frecuencia permite medir la velocidad relativa entre el sensor y la superficie. El cambio de frecuencia Doppler viene dada por: Fd = 2 ⋅ V ⋅ ( donde: F0 ) ⋅ cosθ c Fd = Cambio de frecuencia observado (Hz) V = velocidad c = velocidad de la luz (Ec. 3.16) Memoria 70 F0 = 35.5 ± 0.1GHz (Frecuencia de transmisión) θ = ángulo offset del sensor relativo a la dirección de la superficie Para el caso del sensor de velocidad Delta (ver A6 6.1), el cambio Doppler es 65.74074 ± 0.185185 Hz/KPH (105.799 ± 0.298 Hz/MPH). La salida del sensor de velocidad Delta es una onda cuadrada que es 62.138 Hz/KPH (100 Hz/MPH). 3.5.6.3 Corrección del ángulo de offset Como se muestra en la Figura 58 existe un ángulo de offset entre el centro del rayo radar y la dirección de marcha de la superficie reflejada el cual introducirá un factor de coseno en la fórmula anterior. Figura 58. Ángulo de offset producido entre el rayo radar y la superficie Lo expuesto anteriormente hace que la salida del sensor se deba corregir dividiéndola por el coseno del ángulo de offset. Se van a analizar un par de casos para ver las diferencias que hay en velocidad dependiendo del ángulo de offset. • Por ejemplo, si tuviese una salida del sensor de 2600 Hz y un ángulo de offset de 30º el valor de la velocidad real será: velocidad real = 2600 Hz 100 Hz / MPH = 30.02 MPH cos 30º Memoria • 71 Si tuviese la misma salida pero con un ángulo de offset de 31º la velocidad real será: velocidad real = 2600 Hz 100 Hz / MPH = 30.33 MPH cos 31º Como se puede apreciar en el ejemplo los cambios en ángulo de offset influyen en la velocidad medida. Es recomendable que se conozca el ángulo con una precisión de al menos un grado para mantener una exactitud en velocidad del 1-2% para un objetivo en el centro del rayo. Debido a que el valor del coseno cambia rápidamente para ángulos de offset sobre 45º, estos ángulos no son recomendados. El rayo diverge 6º del centro, resultando aproximadamente un rayo con forma cónica. Esta geometría puede inducir un error en las medidas de velocidad. Esto ocurre porque el objetivo de un extremo del rayo es diferente el ángulo de offset que en el centro del rayo. Para pequeños ángulos de offset, el cambio en el coseno de un extremo de rayo al otro es pequeño por lo que los errores son pequeños. Para ángulos de offset mayores, el cambio es más significativo. En el caso del sensor de velocidad Delta incluye un algoritmo que determina la fuerza de la señal de vuelta. Si la señal es lo suficientemente fuerte, el sensor se bloqueará. A causa de que diferentes superficies reflejarán diferentes cantidades de energía hacia el sensor, este se bloqueará dependiendo de factores como el material de suelo o la orientación del sensor. Por ejemplo si esta orientación fuese perpendicular a la carretera se reflejaría mucha mas energía que si se pone con un cierto ángulo. El sensor recibe energía reflejada de todos los posibles objetivos dentro del rayo radar. Si alguno de los objetivos se esta moviendo, causará un cambio de frecuencia, posiblemente provocando una falsa medida sino es el objetivo deseado. Por esta razón, es importante considerar la geometría del rayo, particularmente la divergencia del ángulo, y hacer que el sensor no pueda detectar objetivos no deseados. Memoria 72 3.5.6.4 Ensayos realizados La empresa GHM Engineering (ver capítulo de URL’s) hizo unas pruebas en las que colocaron el sensor aproximadamente a un pie de altura y con una inclinación de 30º grados respecto de la horizontal. La salida del sensor fue recogida por el sistema de adquisición de datos GMH Engineering DataBRICK (A6 6.1.1). En la Figura 59 se pueden ver características como aceleración, marcha en vacío y frenado. En la prueba, el vehículo fue conducido sobre una superficie asfaltada. Figura 59. Velocidad resultante del ensayo 3.5.6.5 Consideraciones El sensor debería ser alineado paralelamente a la dirección de viaje del vehículo de para que no hubiese ángulo de offset pero esto no puede ser porque evidentemente, no habría señal de vuelta. Es importante considerar, a la hora de posicionar el sensor en el vehículo, factores tales como el cabeceo, vibraciones, polvo o el agua ya que podrían interferir en la señal. Debería ser colocado lejos de las vibraciones producidas por el motor. Memoria 73 3.5.6.6 Ratio de corrección del angulo offset Como ya hemos visto anteriormente tanto las medidas de velocidad como las de distancia usando este tipo de sensor deben ser corregidas por los errores de coseno. Un método de comparación de distancias es uno de los caminos más exactos para corregir la salida de velocidad del sensor. Para lograr esta corrección, el vehículo viaja una distancia conocida, mientras que por otro lado el sensor determina la distancia recorrida. A partir de estas dos medidas se puede establecer el factor corrector que vendrá dado por el siguiente ratio: longitud ) ) d conocida (longitud ) vconocida ( tiempo = Corrección offset = d medida (longitud ) v medida (longitud ) tiempo Donde: (Ec. 3.17) d conocida es la distancia conocida que recorrerá el coche. d medida es la distancia que medirá el sensor. vconocida es la velocidad conocida de desplazamiento del coche. v medida es la velocidad que medirá el sensor. La exactitud del factor de corrección depende de la longitud de la distancia conocida y puede ser mejorado incrementando la distancia viajada. Como se muestra en la ecuación anterior para obtener el factor de corrección de offset se puede recurrir a un método equivalente basado en el ratio de velocidad entre la velocidad medida por el sensor y la velocidad medida por otro método externo. Si se usa este método para calcular el factor de corrección del offset en vez del de las distancias, la precisión del factor de corrección dependerá de la exactitud con la que se mida la velocidad por este otro método externo. La empresa GMH Engineering hizo una prueba en la que un sensor Doppler fue conectado a un sistema de adquisición de datos DataBrick (A6 6.1.1) y montado en un tren recorriendo la distancia de una milla. Aparentemente el hecho de que el experimento sea con un tren y no un coche puede hacer pensar que no es una prueba muy práctica. Lo cierto es que el experimento que se va a explicar a continuación es simplemente para ver la diferencia que existe entre medidas de velocidad y distancia Memoria 74 corregidas y no corregidas. Es por esto por lo que el tipo de vehículo en el que se tomen las medidas no tiene tanta importancia. La prueba consistió, como ya se ha comentado, en hacer circular al tren con el sensor Doppler una milla. Se midió también el tiempo que tardó en recorrerla y fue de 88.3 segundos. Las graficas de velocidad y distancia corregidas y sin corregir que se obtuvieron se pueden ver en la Figura 60: Figura 60. Medidas de distancia y velocidad corregidas y sin corregir Las medidas de velocidad y distancia no corregidas son multiplicadas por el factor corrector de offset para obtener las medidas corregidas. Aplicando la fórmula anterior (Ec. 3.17) se llega al siguiente factor corrector: Corrección offset = 5280 ft = 1.29 4088 ft Memoria 75 3.5.6.7 Otros modos de uso A modo de curiosidad se puede decir que muchos de los sensores basados en el efecto Doppler pueden calcular la velocidad del vehículo colocando el sensor en una posición exterior al coche. Por eso son empleados por la policía para realizar controles de velocidad en las carreteras. Esto se puede ver claramente en la Figura 61 como se muestra a continuación. Figura 61. Sensor midiendo la velocidad del coche desde una posición externa al vehículo El principio de funcionamiento del sensor para este caso es igual que para el anterior en el que iba montado en el propio coche. El sensor determinará la velocidad relativa del coche respecto a la posición del sensor externo. Dentro de esta forma de trabajo, existen otros sensores (Micromet CF-3 radar, ver A7 7.1) que funcionan de esa manera. Es decir, que a partir de un radar colocado normalmente dentro del coche y otro dispositivo que actúa de recibidor colocado en una posición externa al vehículo, se puede calcular la velocidad a la que el coche se desplaza. Estos sensores no son tan usados como los que se han estudiado anteriormente, ya que entre otras cosas tienen la limitación de que el coche se tiene que desplazar en línea recta para que las señales se puedan transmitir bien. Memoria 76 Capítulo 4 Comparación y Combinaciones entre todas las tecnologías 4.1 ESTUDIOS REALIZADOS 4.1.1 Primer estudio La empresa Corrsys-Datron (ver capítulo de URL’s) realizó unos ensayos para comparar las tecnologías de GPS y de sensores ópticos. Estos ensayos pueden ayudar de forma general a ver las diferencias que existen entre las medidas obtenidas por ambas tecnologías. El ensayo consistió básicamente en llevar un coche hasta una velocidad de 145 km/h para luego frenarlo. Previamente a esto se habían colocado en el interior del vehículo un sensor óptico SCE de dos ejes (ver A4 4.5) y el sensor GPS VBOX (ver A5 5.3) cuya antena fue colocada en el centro de la parte superior del vehículo. La graficas que se obtuvieron sobre las medidas de la velocidad, se representan en las figuras siguientes. Figura 62. Medidas de velocidad de ambas tecnologías obtenidas durante el ensayo Memoria 77 Figura 63. Comparativa de resultados en la fase intermedia del ensayo Figura 64. Comparativa de resultados en el tramo final del ensayo 4.1.1.1 Conclusiones Como puede verse en la Figura 62, existe una buena correlación entre los sensores ópticos y el GPS, siendo ambos métodos útiles para medir la verdadera velocidad del vehículo. En el Figura 63 puede apreciarse como el ruido que está presente en los sistemas ópticos es de magnitud más grande que el ruido en la señal de GPS. Esto Memoria 78 puede ser debido a la vibración del sensor. También hay que tener en cuenta que en las pruebas que se realizaron en las señales de los sensores ópticos aparecían unas crestas de velocidad aparentemente causadas por los charcos de agua. Estas fueron omitidas en los resultados. El sensor GPS muestra significativamente menos ruido y además no cambia con la velocidad. Por ultimo si se analiza con más detalle la última fase del ensayo (Figura 64) en la que se frena el coche, se puede observar como la latencia del GPS es menor que la del sensor óptico. La latencia del sensor óptico es de alrededor de 20 o 25 ms mayor. La conclusión a la que se puede llegar es que los sensores GPS tienen algunas ventajas importantes en cuanto a latencia y ruido frente a los ópticos en medidas de velocidad. 4.1.2 Segundo estudio Otro de los estudios interesantes que se han llevado a cabo es el ensayo realizado por MIRA (Motor Industry Research Association). En el se tomaban medidas de distancia, tiempo y velocidad en un vehículo (Renault Scenic) por medio de los siguientes sensores (ver anejos): • Peiseler 5th wheel & display (dispositivo de quinta rueda) • Datron M3 microwave sensor (sensor basado en el efecto Doppler) • Datron V3 optical sensor type S-CE (sensor óptico) • Micromet CF-3 Radar sensor (sensor radar) • VBOX 2 (sensor basado en la tecnología GPS) Las pruebas se realizaron sobre una superficie con distintas condiciones de adherencia (superficie mojada y seca). Como ya se ha comentado en el apartado 6.2.2 el tipo de asfalto y su composición condiciona la adherencia del coche a través de los neumáticos mucho más que el tipo de neumáticos. Los distintos sensores montados en el coche se muestran en la Figura 65. Memoria Figura 65. Sensores montados en el coche y tipo de superficie por la que se circula 79 Memoria 80 Los gráficos de la señal de velocidad que se obtuvieron fueron los siguientes: Figura 66. Señales obtenidas por los sensores en una prueba con bajo µ Figura 67. Señales obtenidas por los sensores en una prueba con bajo µ Memoria Figura 68.Señales obtenidas por los sensores en una prueba con alto 81 µ. 4.1.2.1 Conclusiones Como se puede observar en los diferentes gráficos se llega a las siguientes conclusiones: • El sensor óptico Datron V3 vemos que no trabaja bien en superficies mojadas ya que como se puede observar en las graficas 1 y 2 se producen salidas (crestas) de lo que sería la curva de velocidad. De las doce carreras (12 curvas) que se realizaron con el coche en todas las curvas obtenidas había crestas o picos de velocidad. • Respecto al sensor Datron M3 hay que decir que en superficies mojadas (poca adherencia) tampoco funciona bien. Esto se aprecia en la Figura 67 donde se ve como también se pueden producir algunos picos en la curva de velocidad que no se corresponden con la realidad. Estos sensores, aunque den mejores resultados que los ópticos, no son una buena opción para este tipo de superficies. • Los sensores Micromet produjeron crestas tanto en las superficies mojadas como en la superficie seca. • En cuanto a los resultados obtenidos para la quinta rueda y el sensor VBOX 2 hay que decir que no hubo problemas en las señales de velocidad en ninguna de las pruebas tanto de baja adherencia como en alta. Memoria 82 4.1.2.2 Consideraciones Es importante tener en cuenta las velocidades alcanzadas en las pruebas y la superficie sobre la que ha circulado el coche. En cuanto a la primera de ellas, como se puede observar en las gráficas el rango de velocidad está entre 0 y 60 Kmh. El hecho de que las señales de la quinta rueda haya dado buenos resultados es porque no se han alcanzado altas velocidades, ya que sino con esta tecnología, como se ha comentado anteriormente, podría producir deslizamiento en la rueda que es un problema típico de las tecnologías de contacto. En cuanto a la superficie sobre la que se ha circulado, también ha influido en los buenos resultados de la tecnología de quinta rueda, ya que si hubiese sido una superficie con desniveles o poco uniforme podrían haberse producido saltos que influirían en la medida de velocidad. Otra de las conclusiones a las que se puede llegar es que la excelente precisión obtenida por los sensores basados en tecnología GPS (sensor VBOX 2) no solo en velocidad sino también en los ensayos de distancia recorrida. Por último decir que los sensores ópticos, como se ha podido observar, no son muy buenos cuando la superficie sobre la que se trabaja esta mojada pero dan muy buenos resultados cuando se trata de una superficie seca y uniforme (por ejemplo asfalto) como se puede ver en la Figura 68. 4.2 VENTAJAS E INCONVENIENTES DE CADA TECNOLOGÍA 4.2.1 Acelerómetros Los acelerómetros dan la aceleración en los tres ejes. Integrando la señal de aceleración se podría obtener velocidad. ÆVentajas • La señal de velocidad longitudinal obtenida mediante integración de la señal de aceleración proporcionada por el acelerómetro, es bastante precisa. • Precio no muy elevado • Pequeño tamaño Memoria 83 ÆInconvenientes • No se puede obtener velocidad lateral a partir de la integración de la medida de un acelerómetro colocado en dirección transversal como ya se comento. 4.2.2 Quinta rueda La tecnología de quinta rueda se usa para medir la velocidad longitudinal del coche. En principio se podría llegar a obtener el vector velocidad absoluta de un punto del coche mediante la idea propuesta en el laboratorio, ya comentada anteriormente, de combinar la quinta rueda con un potenciómetro. ÆVentajas • Tienen una precisión aceptable a velocidades menores de 100 kmh. • Siempre y cuando se mantenga la velocidad máxima anterior, proporciona valores de velocidad precisos cuando la superficie sobre la que circula está mojada. • Precios asequibles. ÆInconvenientes • A velocidades altas la quinta rueda se hace prácticamente inútil. • Dependiendo de la superficie pueden producirse saltos que perjudicarían a la medida de velocidad. • Al ser una tecnología de contacto se pueden producir deslizamientos. • Requiere mucho tiempo de instalación. • Poco práctica en una carrera de competición. • Debido a su tamaño no se puede instalar en cualquier lugar del coche. 4.2.3 Sensores ópticos Estos sensores obtienen directamente medidas de velocidad absoluta. Miden tanto el módulo como la orientación del vector velocidad absoluta. ÆVentajas • Es una tecnología de no contacto por lo que los problemas surgidos en la quinta rueda por el contacto con la superficie pueden ser eludidos. • Alta precisión incluso a velocidades altas. Memoria • Puede medir incluso a velocidades muy bajas. • Miden la velocidad y su dirección. • Poco tiempo de instalación. • Permitido su uso en autopistas. 84 ÆInconvenientes • No funcionan bien cuando la superficie esta mojada. • La señal de velocidad que se obtiene puede presentar ruido. • Tienen un precio bastante alto. • No pueden ser montados en cualquier lugar del coche ya que deben estar orientados hacia el suelo. • El sensor no se puede poner a mucha altura del suelo ya que el rayo de luz podría perder nitidez (depende del rango). • Debe utilizarse en superficies donde no haya grandes desniveles que puedan producir saltos del vehículo ya que el sensor podría salirse del rango. 4.2.4 GPS Aquí la señal de salida depende si se trata de un GPS convencional a si se trata de un GPS Doppler. Los primeros dan el vector velocidad (módulo y orientación) mientras que los segundos dan solo el modulo de la velocidad. Æ Ventajas GPS convencional • Da el vector velocidad • Son baratos Æ Inconvenientes GPS convencional • No son precisos • Tienen baja frecuencia (2 o 3 Hz) • A veces la señal no se recibe bien (por ejemplo en túneles) Æ Ventajas GPS Doppler • Alta precisión en velocidad. • Es una tecnología sin contacto con todas las ventajas que eso supone. Memoria • No influye el tipo de superficie por donde circule el vehículo (mojada, seca etc.) • Tienen frecuencia alta (hay modelos de 100Hz). • La señal de salida presenta menos ruido que la de los ópticos. • No hay que calibrar. 85 ÆInconvenientes GPS Doppler • Hay ocasiones en las que la señal no se recibe bien (tuneles, edificios altos, etc.). • Solo miden velocidad longitudinal. 4.2.5 Sensores de Efecto Doppler Estos sensores miden la velocidad longitudinal del vehículo. No te dan la orientación del coche. Æ Ventajas • Es una tecnología de no contacto. • Suelen ser sensores de pequeño tamaño. • Puede medir velocidades bastante altas. • Alta precisión. • Precio asequible comparado con otros sensores. • Pueden situarse a más altura que los ópticos. ÆInconvenientes • Son menos precisos que los ópticos • Como los sensores ópticos cuando la carretera esta mojada no funcionan bien • No miden la dirección de la velocidad • No se deben montar en lugares cercanos a posibles vibraciones (por ejemplo el motor) • Mide velocidad relativa por lo que si se trata de un suelo de tierra o piedras que puedan moverse, la medida de velocidad puede ser modificada. • Se tienen que montar de forma que enfoquen a la carretera. Esto puede limitar los lugares donde sea posible colocar el sensor. Memoria 86 4.2.6 Precios Uno de los principales aspectos a tener en cuenta a la hora de decidirse por un tipo de sensor u otro, es el precio. Por eso, a lo largo del desarrollo del proyecto se ha ido consultando el coste a las diferentes empresas de todos los sensores estudiados. A continuación, en la Tabla 5, se muestran algunos precios de los sensores. En la tabla se expone el tipo de sensor y el modelo que representa. Para obtener más información de cada uno de ellos se debe ir a los anejos. SENSORES ÓPTICOS L-CE L-CE c. gyro Precio(€) 6350 S-400 S-CE S-CE c.gyro SL ST 12750 10600 14400 13500 15650 HS-CE 18400 SENSORES DOPPLER Microwave sensor Delta speed sensor RM100 RM200 DataBrick Precio(€) 5300 1610 150* 550* 8800* GIRÓSCOPIOS CRS03 CRS05 Precio(€) 170 220 ACELERÓMETROS 1eje(SAA) 2ejes(DAA) 3ejes(TAA) Precio(€) 1210 1350 1550 SENSORES GPS GPS20Hz Precio(€) 7200 QUINTA RUEDA FWgmhengineering Precio(€) 5500* * Nota: Los productos con asteriscos son accesorios del sensor de velocidad Delta. Tabla 5. Listado de precios de los sensores A parte de los precios existen otras propiedades que pueden resultar interesantes a la hora de evaluar un sensor. En la tabla siguiente se muestran algunas con valores orientativos. Memoria 87 Quinta rueda Rango de medida Precisión Frecuencia de muestreo 0 a 130 Km/h 0.33 Km/h +/- 0.037%Kmh Sensor óptico 0.5 a 400 Km/h +/- 0.2% GPS Doppler 0.1 a 1600 Kmh 0.1 Km/h 1000 hz 100 hz Sensor Doppler 1.6 a 480 Kmh 0.34 % 100 Hz 4.3 COMBINACIÓN DE SENSORES 4.3.1 Introducción Como se ha podido observar existen algunos sensores que por si solos, pueden determinar directamente el vector velocidad absoluta en algún punto concreto del vehículo, como son los sensores ópticos. En el caso de que se quiera implementar en el vehículo otra vía por medio de otro tipo de sensores, muchas veces se tiene que recurrir a la combinación de dos o más de los sensores expuestos anteriormente para hallar dicho parámetro, ya que por si solos no nos determinarían la trayectoria completa del vehículo. A continuación se van a estudiar algunos de estos posibles casos y ver si son viables o no. 4.3.2 Sistemas inerciales Hoy día existen unos dispositivos denominados sistemas inerciales que pueden controlar seis grados de libertad del cuerpo donde son motados. Están provistos de un acelerómetro triaxial para controlar cada una de las aceleraciones (vertical, longitudinal y lateral) y de un giróscopo también triaxial que controla la velocidad angular en los tres ejes (yaw, roll y pitch). En muchos robots se integra dos veces la señal del acelerómetro de manera que se puede controlar la posición del robot en todo momento con una buena precisión. El problema surge cuando estos dispositivos se quieren colocar en vehículos. Como se ha comentado en el apartado de acelerómetros, cuando un coche está tomando una curva aparece una fuerza no inercial en los neumáticos que hace que al integrar la señal de aceleración lateral no se obtiene velocidad lateral. Por este motivo los sistemas inerciales no pueden ayudar a calcular la trayectoria de la velocidad del coche en el tiempo. Memoria 4.3.3 88 Acelerómetro longitudinal y giroscopio Esto es un caso particular del anterior ya que esta formado por un acelerómetro y un giróscopo, pero en este caso solo en un plano (xy). Después de conocer el funcionamiento de estos dos dispositivos se podría pensar en una combinación de ambos para la obtención del vector velocidad de un punto del vehículo. Con el acelerómetro se podría obtener la velocidad longitudinal del vehículo y con el giroscopio cuanto ha girado el vehículo (yaw). Por lo tanto se tendría posicionado de forma relativa la componente longitudinal del vector velocidad. El problema surge cuando haya determinados momentos en la marcha del vehículo en los que no haya desplazamiento longitudinal sino solo lateral. Se va a suponer un caso hipotético en el que se desplazase el coche lateralmente una determinada distancia. En este caso la salida del acelerómetro sería cero y por tanto la velocidad también, pero en realidad no es así porque si que ha habido desplazamiento. Este tipo de situaciones en las que no hay velocidad longitudinal puede darse en casos como cuando el coche este derrapando en una curva. Para estos casos la combinación de estos dos sensores no es útil ya que a priori, parece que darán una información que no se corresponde con la realidad. En realidad habría que determinar que porcentaje representaría la velocidad lateral respecto la longitudinal para ver si realmente se aleja mucho de la realidad o no. 4.3.4 Giroscopio y acelerómetro con GPS convencional Hoy en día existen estudios en los que se combinan determinados sensores con tecnologías de GPS. En este caso los giróscopos y los acelerómetros junto con los GPS proporcionan redundancia y complementariedad al calcular al calcular la posición y la velocidad del vehículo por vías muy distintas y a frecuencias muy diferentes. De esta forma mientras el giróscopo y el acelerómetro actúan como estimadores de posición o velocidad a frecuencias de 10-100 Hz, el GPS convencional lo hace en un tiempo más lento (2 ó 3 Hz). Esta es una de las posibilidades que se han barajado en el laboratorio y que, en principio, podría ser factible. Por un lado se tendría el giro del coche proporcionado por el giróscopo y a partir del la medida proporcionada por el acelerómetro se podría obtener la velocidad Memoria 89 longitudinal. Esto último ya fue probado el uno de los proyectos que se han realizado en el laboratorio. Por otro lado mediante un GPS convencional se hallaría el vector velocidad de manera que se podría cada cierto tiempo, comparar la velocidad hallada por el acelerómetro con la componente longitudinal de la velocidad hallada con el GPS. Figura 69. Señales obtenidas por GPS, acelerómetro y giróscopo 4.3.5 Sensor Doppler y giróscopo Como ya se ha comentado anteriormente los sensores de velocidad basados en el efecto Doppler no determinan la orientación del coche sino simplemente proporcionan el valor de la velocidad a la que se esta desplazando el coche. Por ello solo con un sensor Doppler no se puede determinar el vector velocidad del vehículo. Una de las opciones que se podrían llevar a cabo para solucionar el problema anterior, es combinar un sensor Doppler con un giróscopo de manera que mientras el primero da el módulo de la velocidad longitudinal, el segundo proporciona la orientación relativa de dicho valor. La combinación que se acaba de proponer es importante tenerla en cuenta ya que aparte de poder ser viable desde el punto de vista económico, también lo es en cuanto a la precisión. Tanto las medidas obtenidas por el giróscopo como las que resultan del sensor Doppler son bastante precisas. Esta combinación es muy parecida a la propuesta en el punto 4.3.3. Simplemente se cambia el acelerómetro por un sensor Doppler, pero la información proporcionada es la misma. Memoria 90 4.4 TECNOLOGÍAS QUE UTILIZAN FABRICANTES Y EQUIPOS Por lo general todas las tecnologías de velocidad lineal explicadas en el proyecto son o han sido utilizadas en importantes ensayos de vehículos. Las tecnologías de no contacto están dejando de lado a las de contacto, y es por ello por lo que actualmente la quinta rueda apenas se usa. Dentro de las tecnologías sin contacto, todas son ampliamente utilizadas. Por ejemplo los sensores GPS que se han visto (modelos VBOX) son utilizados por el equipo Renault de Formula uno. No solo en los equipos de competición, sino que también fabricantes como Bridgestone o Michelin hacen pruebas en sus neumáticos con este tipo de sensores. En cuanto a los sensores Doppler (modelo Non-contact speed sensor, ver A6 6.1), también son muy utilizados en las carreras de competición. Algunos de los equipos que participan en la Fórmula SAE se apoyan en este modelo de sensores para sus investigaciones. Por otro lado, en cuanto a los sensores de velocidad angular (giróscopos) hay que decir que son también muy usados tanto en la competición como por los fabricantes de vehículos. Como conclusión se puede decir que las tecnologías expuestas para el cálculo de la velocidad, ya sea lineal o angular, son ampliamente utilizadas y por lo tanto de gran interés para el laboratorio. Muchos de los sensores estudiados podrían ser implementados en el coche para medir experimentalmente los parámetros deseados. Memoria Capítulo 5 91 Conclusiones y líneas futuras de trabajo A la hora de pensar en decidir que tecnología de las explicadas a lo largo del proyecto es la más idónea para ser instalada en nuestro coche, se observa que no resulta fácil decidirse por una de ellas. Como se ha visto todas las tecnologías tienen sus ventajas y sus inconvenientes dependiendo de factores como el tipo de tecnología (contacto o no contacto), de la velocidad, del tipo de terreno etc. A lo largo de todo el proyecto se ha ido consultado la opinión de numerosos expertos sobre el tipo de tecnología a aplicar para nuestro caso particular. Importantes investigaciones han demostrado que el estudio de la trayectoria en velocidad de un coche en circuitos de tierra no es nada fácil, porque se juntan una serie de factores (posibles saltos del coche, suele haber bastante velocidad lateral por derrapaje, etc.) que dificultan la obtención de la medida correspondiente. Si el vehículo fuese a correr por terrenos asfaltados la cosa cambiaría a mejor, ya que se eludirían gran parte de los problemas surgidos en los circuitos de tierra. La conclusión a la se ha llegado después de analizar las distintas opiniones de los expertos es que para nuestro caso particular la opción que más se aproxima a nuestros objetivos es la de los ópticos. Una propuesta que puede resultar viable desde el punto de vista económico y de precisión, es la opción que se vio en el capítulo 4 de combinar un giróscopo y un acelerómetro con GPS. El estudio de sensores presentado en este proyecto puede servir para que en trabajos posteriores se implementen en el coche alguna de las tecnologías explicadas. Por lo tanto las investigaciones y los avances realizados en el laboratorio servirán de gran ayuda para los trabajos futuros. Memoria 92 Capítulo 6 Presupuesto En este capítulo se presenta un breve estudio económico para valorar el coste del proyecto. A la hora de establecer las horas empleadas se ha tenido en cuenta que el proyecto ha durado 8 meses. Teniendo en cuenta esto se puede establecer la siguiente lista de precios y el coste total del proyecto. HORAS EMPLEADAS Dirección proyecto de Joan Savall Colaboración del Dr. Jordi Viñolas Colaboración de Xabier Carrera Colaboración de Jose Manuel Carballo Colaboración de Laurentzi Garmendia Colaboración del Dr. Javier Gracia PC Cartucho de impresora Licencia Office Material de oficina Alquiler de puesto de oficina Gastos (teléfono, luz, etc.) Gastos generados MO ingeniero junior (no cobrada) TOTAL COSTE POR HORA(€) COSTE TOTAL(€) 20 60 1200 7 50 350 50 30 1500 20 30 600 15 30 450 2 750 50 1 650 0,06 750 2,5 100 750 50 39 60 1875 35 7009 900 12 10800 17809 Memoria 93 Capítulo 7 Bibliografía 1- A. Ollero Baturone. “Robotica: Manipuladores y robots móviles”. 2-“Vehicle Dynamics & Electronic Controlled Suspensions”. SAE Internacional. 3- F. Aparicio, C. Vera, V. Díaz. “Teoría de los vehículos automóviles”. Universidad Politécnica de Madrid (1995). 4- Thomas D. Gillespie “Fundamentals of Vehicle Dynamics”. 5- Jose Maria Bastero, Joaquín Casellas. “Curso de Mecánica”. 6- Fernando Santos. “Ingeniería de Proyectos”. 7- Giancarlo Genta. “Motor Vehicle Dynamics”. 8- Arias-Paz. “Manual de automóviles”. 9- Anartz Alonso Maritxalar. “Cálculo, construcción y ensayo de un sensor de desplazamiento” (Proyecto Fin de Carrera). 10- Xabier Carrera Akutain. “Determinación experimental de las cargas existentes sobre la estructura de un vehículo” (Proyecto Fin de Carrera). Memoria Capítulo 8 URL´s consultados 1- GMH Engineering. http://www.gmheng.com 2- Corsys Datron. http://www.corrsys-datron.com 3- Crossbow technology. http://www.xbow.com 4- Analog Devices. http://www.analog.com 5- Race Logic. http://www.racelogic.com 6- Vericom Computers. http://www.vericomcomputers.com 7- Silicon Sensing. http://www.siliconsensing.com 8- KVH Industries. http://www.kvh.com 9- http://www.m-techautomotive.com 10- Pegasem Messtechnik GmbH. http://www.pegasem.com 11- http://www.aft-werdhl.de 94
