Coleta de dados Telemetria de um protótipo elétrico Deixe um comentário

Se você já viu um carro de fórmula elétrico correndo, muitas dúvidas a respeito de como esse protótipo consegue realmente funcionar devem ter surgido. Como é possível unir todas as partes que compõem o veículo de uma forma harmônica? Como os sistemas são monitorados quando o carro está correndo? Quais são os dados que são necessários para que tudo isso funcione? Como é realizada essa coleta tão importante? Essas são algumas das perguntas que podem nos vir à mente quando estamos falando sobre esse assunto. Nesse artigo, vamos mostrar como é realizada a coleta de dados na telemetria da nossa equipe.

Bom, o primeiro passo para compreendermos melhor o que é telemetria e qual a sua função no veículo é imaginar que sem o sensoriamento presente nos carros de fórmula, não conseguimos analisar e validar dados que são importantes para o bom funcionamento do protótipo, tanto em performance quanto em segurança. Bons exemplos para esses dois pontos são: o Circuito de Segurança e o Sistema de Freios. O CS (Circuito de Segurança) é uma placa eletrônica que tem função de proteger tanto o piloto como a nossa equipe, ela se baseia em uma série de medidas que precisam de dados específicos para verificar se existe a necessidade de cortar a alta tensão existente no carro e faz parte do nosso Shutdown Circuit (Circuito de Desligamento). Um dos dados mais importantes é o do sensor TPS, ele nos vai dizer quando que o pedal de aceleração está sendo ativado, assim, é possível utilizar essa informação para o CS e também para outras subequipes, como Powertrain, pois eles precisam dessa referência para realizar a programação do inversor. Já o Sistemas de Freios, utiliza de sensores como o Infravermelho de Temperatura, Óptico e Pressão de Freios, pois os dados de temperatura dos discos de freios, rotação das rodas e a pressão que está sendo posta na linha de pressão de freios são essenciais para nossos membros possam validar seu projeto teórico.

Para nos organizarmos melhor, montamos uma tabela com todos os dados que são coletados por Sistemas Embarcados. Criamos um código para organizarmos os sensores que se baseia em:

  • Primeira letra: ‘S’ (Sensor)
  • Segunda letra: ‘A’ ou ‘D’ (Analógico ou Digital)
  • Número: Um número inteiro para a identificação entre os sensores do mesmo tipo.
    As tabelas a seguir nos mostram nossos sensores, dados coletados e em qual lugar são usados:

Tabela 1 – Dados Discretos (Digitais)

Tabela 2 – Dados de Medição (Analógicos)

Também temos dados obtidos através de comunicação CAN, mais informações sobre esse tipo de comunicação e os dados que coletamos podem ser encontradas no post Integração de sistemas usando protocolo CAN.

Podemos observar que temos inúmeros dados sendo coletados, e acreditem, todos eles têm uma função bem importante em nosso projeto. Graças a eles, conseguimos fazer as outras subequipes entrarem em sintonia com o projeto que idealizamos, já que eles conseguem validar seus projetos teóricos. Um exemplo, com Freios tendo a comprovação que está operando corretamente, isso irá influenciar diretamente em Transmissão, Estrutura, Suspensão e Powertrain, ou seja, é muito importante que todas as partes estejam 100% para que as outras também consigam alcançar essa métrica. Ter alguma parte do todo com falhas pode custar todo um projeto inteiro e a segurança do piloto.

A coleta dos dados com o carro em movimento pode ser feita em tempo real, assim, conseguimos verificar os dados que queremos através de um Supervisório desenvolvido pela equipe (esse supervisório pode ser encontrado de uma forma mais detalhada no post Sistema de Telemetria de um Fórmula Elétrico), e já pensar em como melhorar algo, caso esteja errado, simultaneamente. Mas, também existe a opção de realizar o armazenamento dos dados em um cartão SD, então nesse caso, a perícia só seria feita após a parada do carro e coleta do cartão SD e transferências dos dados para algum computador.

A coleta dos dados só é possível graças aos sensores que escolhemos, a seguir vamos listar os sensores utilizados em nosso projeto, suas características físicas e especificações técnicas.

IMU (Inertial Measurement Unit)

Nesse módulo GY-521 você tem em uma mesma placa um acelerômetro e um giroscópio de alta precisão, tudo isso controlado por um único CI, o MPU-6050. São 3 eixos para o acelerômetro e 3 eixos para o giroscópio, sendo ao todo 6 graus de liberdade (6DOF). Além disso, esta placa tem um sensor de temperatura embutido no CI, permitindo medições entre -40 e +85 ºC. Possui alta precisão devido ao conversor analógico digital de 16-bits para cada canal. Portanto, o sensor captura os canais X, Y e Z ao mesmo tempo. A placa utiliza o protocolo I2C para transmissão de dados.

Módulo GY-521 usado na coleta de dados da telemetria do protótipo elétrico
Módulo GY-521

Utilizamos o giroscópio para o monitoramento da orientação, direção, movimentação angular e rotação do veículo. O acelerômetro terá a finalidade de medir a aceleração, ângulo de inclinação, rotação, vibração, colisão e gravidade do veículo

A comunicação com o microcontrolador usa a interface I2C, por meio dos pinos SDA e SCL do sensor. Nos pinos XDA e XCL você pode ligar outros dispositivos I2C. A alimentação do módulo pode variar entre 3V e 5V, mas para melhores resultados e precisão recomenda-se utilizar 5V.

Infravermelho – Temperatura

Há no carro 4 sensores infravermelhos, que são sensores de temperatura do modelo MLX90614 e do fabricante Melexis, posicionados em cada roda próximo aos discos de freio. Os sensores utilizam comunicação I²C.

MLX90614
MLX90614

O objetivo do sensor é saber a temperatura dos freios durante a corrida para que a subequipe de freios possa conferir os dados teóricos e ver a porcentagem de erro. O sensor é capaz de diferenciar a temperatura específica e a do ambiente.

Utilizamos esse sensor para medir a temperatura dos pontos desejados, um exemplo é a temperatura dos discos de freios, esse sensor é colocado próximo das mangas dos discos e assim realiza a captura dessa informação.

Infravermelho – Rotação

Os sensores infravermelhos de rotação utilizam um par de emissor e receptor IR para detectar a transição entre cores. O cubo de rodas é pintado num padrão “zebra”, alternando entre cor preta e branca, e cada transição gera um pulso rising ou falling edge que é convertido em sinal elétrico pelo fototransistor conectado ao microcontrolador. O tempo entre pulsos é então computado e utilizando o raio conhecido do conjunto pneu-roda é possível calcular a velocidade angular de cada roda.

sensor infravermelho usado na coleta de dados da telemetria do protótipo elétrico
TCRT5000

O objetivo dele é determinar a velocidade individual de cada roda durante a utilização do carro, assim, podemos verificar se o sistema de rodas está funcionando corretamente.

Os sensores são instalados no cubo de rodas em um suporte rosqueado e a ligação é feita até a placa de telemetria de rodas.

Pressão de Freios

O sensor da linha de freios é um transdutor que converte em um sinal elétrico a pressão na linha.

Além da coleta de dados da telemetria, o sensor da linha de freios é utilizado no BSPD, para garantir que o piloto não está acelerando e freando ao mesmo tempo.

No veículo estão instalados 4 sensores de pressão de freios: um em cada cilindro mestre, um na linha de freios traseira e outro na dianteira. O sinal de saída do sensor varia de 0,5 a 4,5 V e é ligado nos microcontroladores mais próximos de cada instalação.

Módulo Micro SD

A coleta de dados da telemetria é armazenada em um cartão micro SD. O modelo do módulo do sensor SD genérico, com micro SD da SanDisk. Comunicação pela interface SPI, pinos MOSI, MISO, SCLK e CS. Como o módulo vai direto na placa central, não se utiliza conector.

Módulo Micro SD
Módulo Micro SD

O cartão SD é utilizado no armazenamento de dados . Apesar de não ser o meio mais rápido e eficiente de se armazenar, é o método mais seguro. Mesmo com a utilização em paralelo de outros métodos, o módulo SD é uma medida de precaução, caso aconteça algo com os dados recolhidos nos outros meios, os dados armazenados no SD estão seguros.

O módulo funciona com uma tensão de 5V. Pinos utilizados são: Vcc; 5V; GND; MOSI; MISO; SCLK; CS (SS). Cada microcontrolador tem pinos pré-selecionados, o indicador no código da série (grupo) dos pinos é indicado pelo CS.

GPS

Modelo do módulo do sensor GPS, Adafruit Ultimate GPS Breakout V3. Comunicação pela interface serial, pinos TX e RX. Como o módulo vai direto na placa central, não se utiliza conector.

Adafruit Ultimate GPS Breakout V3
Adafruit Ultimate GPS Breakout V3

Com o GPS, temos a possibilidade de obter diversos dados úteis para nós. O módulo é um receptor de dados do NMEA e pode capturar o tempo (ano, mês, dia, hora, minuto e segundo) e também localização (latitude, longitude, altitude e ângulo), então, podemos mapear o percurso do veículo. Também é medido a velocidade em knots.

O módulo funciona com uma tensão tanto de 3.3V, quanto de 5V. Pinos utilizados são:
Vcc(3.3V ou 5V);
GND;
TX;
RX;
Para a melhor recepção do sinal no módulo, se utiliza uma antena externa. Porém, mesmo assim, em diversos locais ocorre falha na recepção.

TPS

O Sensor de Posição da Borboleta (Throttle Position Sensor – TPS) é utilizado para monitorar a posição do acelerador em um veículo durante a coleta de dados da telemetria.

TPS
TPS

O TPS é usado para enviar ao microcontrolador as informações coletadas do pedal de aceleração, seu sinal é convertido e enviado para o barramento CAN.

No nosso veículo, o TPS vai ser usado para monitorar a posição do acelerador. Ele também irá ajudar o inversor a obter informações instantâneas da posição do sensor, permitindo que a central identifique a potência que o condutor está requerendo. Essas informações são essenciais para determinar o torque requerido do motor, a proporção de frenagem regenerativa aplicada e para o Brake Pedal Plausibility Test.


Esse conteúdo é resultado da parceria da FilipeFlop com a Cheetah E-Racing. Curtiu o conteúdo? Então deixe seu comentário abaixo! E não esqueça de acompanhar a Cheetah E-Racing nas redes sociais.

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