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Departamento
de Electrónica
MEDIDOR UNIVERSAL DE
PARÁMETROS DEL AUTOMÓVIL
- MEDUSA-I -
MEMORIA FINAL DEL PROYECTO
PROYECTO DE INVESTIGACIÓN FINANCIADO POR
Enero 2006

INDICE DE CONTENIDOS
1 INTRODUCCIÓN......................................................................................................... 1
1.1 Objetivos y alcance del proyecto........................................................................... 1
1.2 Descripción global del prototipo básico del sistema MEDUSA ........................... 3
2 SISTEMA SENSORIAL ............................................................................................... 5
2.1 Descripción general ............................................................................................... 5
2.2 Sensor inercial ....................................................................................................... 6
2.2.1 Descripción funcional.................................................................................... 7
2.2.2 Descripción técnica...................................................................................... 11
2.2.3 Instalación y ubicación física ...................................................................... 12
2.3 Sensor de régimen del motor............................................................................... 13
2.3.1 Descripción funcional.................................................................................. 14
2.3.2 Descripción técnica...................................................................................... 16
2.3.3 Instalación y ubicación física ...................................................................... 17
2.4 Sistema de posicionamiento global ..................................................................... 18
2.4.1 Descripción funcional.................................................................................. 19
2.4.2 Descripción técnica...................................................................................... 20
2.4.3 Instalación y ubicación física ...................................................................... 22
2.4.4 Integración en la aplicación......................................................................... 23
2.4.5 Lectura de datos GPS .................................................................................. 24
2.5 Sistema de visión artificial .................................................................................. 25
2.5.1 Descripción funcional.................................................................................. 26
2.5.2 Descripción técnica...................................................................................... 27
2.5.3 Instalación y ubicación física. ..................................................................... 28
2.5.4 Configuración y puesta en marcha .............................................................. 29
2.6 Termo higrómetro................................................................................................ 30
2.6.1 Descripción funcional.................................................................................. 31
2.6.2 Descripción técnica...................................................................................... 31
2.6.3 Instalación y ubicación física ...................................................................... 32
2.7 Termopares para líquidos .................................................................................... 33
2.7.1 Descripción funcional.................................................................................. 33
2.7.2 Descripción técnica...................................................................................... 36
2.7.3 Instalación y ubicación física ...................................................................... 37
2.8 Sensor de temperatura del habitáculo.................................................................. 38
2.8.1 Descripción funcional.................................................................................. 39
2.8.2 Descripción técnica...................................................................................... 39
2.8.3 Instalación y ubicación física ...................................................................... 40
2.9 Potenciómetros .................................................................................................... 40
2.9.1 Descripción funcional.................................................................................. 41
i

2.9.2 Descripción técnica...................................................................................... 42
2.9.3 Instalación y ubicación física ...................................................................... 43
3 SISTEMAS DE ADQUISICIÓN Y PROCESAMIENTO.......................................... 44
3.1 Descripción del sistema de adquisición............................................................... 44
3.1.1 Elección del sistema de adquisición de datos.............................................. 44
3.1.2 Características del sistema DEWE-BOOK-USB2-16 ................................. 48
3.1.3 Módulos de acondicionamiento................................................................... 49
3.2 Descripción del sistema de procesamiento.......................................................... 53
3.2.1 Características técnicas................................................................................ 54
4 DESARROLLO SOFTWARE .................................................................................... 57
4.1 Aplicación para captura de datos......................................................................... 57
4.2 Interfaz gráfica de usuario ................................................................................... 58
4.2.1 Ficha técnica................................................................................................ 58
4.2.2 Datos instantáneos. ...................................................................................... 60
4.2.3 Registro........................................................................................................ 61
4.2.4 Calibración. ................................................................................................. 61
4.2.5 Cámara......................................................................................................... 62
5 CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS. ......................................................... 63
5.1 Resumen de objetivos y resultados...................................................................... 63
5.2 Conclusiones........................................................................................................ 67
5.3 Trabajos futuros................................................................................................... 67
6 REFERENCIAS .......................................................................................................... 69
ii

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

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

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

MEDIDOR UNIVERSAL DE PARÁMETROS DEL AUTOMÓVIL “MEDUSA-I”
1 INTRODUCCIÓN
En esta memoria se presentan los resultados del proyecto MEDIDOR UNIVERSAL DE
PARÁMETROS DEL AUTOMÓVIL ( MEDUSA-I ), el cual constituye una primera
fase del proyecto global MEDUSA.
Dentro del presente capítulo se plantean los objetivos y alcance del proyecto, así como
la descripción general del sistema MEDUSA-I conseguido en el proyecto.
1.1 Objetivos y alcance del proyecto
El objetivo fundamental del proyecto global MEDUSA es el diseño, desarrollo y
obtención de un prototipo de equipo electrónico de medida, registro, procesamiento y
monitorización de parámetros del automóvil asociados al comportamiento del vehículo
(aspectos ligados a su dinámica y grado de contaminación ambiental), características del
recorrido y actitud del conductor en condiciones de tráfico real.
El propósito del proyecto MEDUSA-I es conseguir un prototipo básico y definir sus
especificaciones de trabajo, de forma que se permita avanzar en etapas posteriores en su
perfeccionamiento, ajustes y adaptaciones hasta conseguir un prototipo plenamente
funcional; de ahí la denominación de prototipo básico
No obstante, también para el diseño del prototipo básico se ha tenido en cuenta el
principio de universalidad que ha de caracterizar al equipo final. Universalidad que se
traduce en:
• Aplicable a cualquier tipo de unidad del parque automovilístico,
independientemente del tamaño del vehículo (turismo convencional,
monovolumen, todoterreno, etc.) y del carburante utilizado (gasolina o diesel).
• Independiente del sistema de diagnosis incorporado, desde vehículos que no
requirieron la implantación del estándar EOBD (anteriores al año 2000) hasta
vehículos actuales con posibilidad de acceso al bus CAN a través del conector
OBD correspondiente.
• De acondicionamiento e instalación mínimamente intrusivo, a fin de facilitar su
implantación fiable y segura en cualquier modelo de vehículo. Esto redundará en
un corto período de adaptación, aprendizaje y puesta en servicio de los usuarios
del medidor.
1

MEDIDOR UNIVERSAL DE PARÁMETROS DEL AUTOMÓVIL “MEDUSA-I”
• Además su funcionalidad se ha de demostrar tanto en condiciones de circulación
como en banco de pruebas estacionario.
La identificación de parámetros a incluir en el prototipo Medusa se ha llevado a cabo en
colaboración con el Grupo de Motores Térmicos –GMT- de la Universidad Politécnica
de Madrid –UPM-. Teniendo en cuenta los objetivos del proyecto se han considerado
necesarios los parámetros mostrados en la Figura 1.1.1.
Parámetros
Internos Conducción Recorrido Externos
estrés térmico
emisiones
pedales freno /aceler
cambio marcha
movimiento
vel/acel lineal y giro
posicionamiento
global
pendiente vía
grabación recorrido
temperatura
humedad
Figura 1.1.1. Parámetros a evaluar en el proyecto MEDUSA.
1.a) Parámetros internos del vehículo:
En este bloque se incluye la temperatura de agua, aceite y aire acondicionado del
habitáculo. Así como los relativos a la caracterización de emisiones contaminantes del
vehículo, si bien su captura y adaptación de señales es tarea del grupo GMT de la
UPM.
1.b) Parámetros asociados a la dinámica de conducción:
En esta familia se considera la velocidad instantánea y media, aceleración instantánea y
media, orientación instantánea y media, régimen de giro del motor. Así como las
variaciones de actuación sobre el pedal del acelerador y el pedal del freno, al igual que
la detección de cambio de marcha.
1.c) Parámetros ligados al recorrido:
Para caracterizar el trayecto realizado en la prueba de campo se requiere la información
instantánea del posicionamiento global del vehículo y la pendiente del recorrido.
Además se contará con cámara para grabar la ruta realizada durante el ensayo.
1.d) Parámetros externos al vehículo:
Se incluye aquí el registro continuo de la temperatura y humedad exteriores al vehículo
durante el recorrido.
2

MEDIDOR UNIVERSAL DE PARÁMETROS DEL AUTOMÓVIL “MEDUSA-I”
1.2 Descripción global del prototipo básico del sistema
MEDUSA
En la Figura 1.2.1 se muestra el diagrama de bloques general del medidor universal de
parámetros del automóvil. Como se puede apreciar son tres los elementos hardware
clave del sistema desarrollado:
• Sistema sensorial adecuado a los parámetros implicados en la Figura 1.1.1,
descrito en el capítulo 2.
• Sistema de adquisición y acondicionamiento de señal de los sensores básicos
(termopares, potenciómetros para medida de desplazamiento de pedales,
medidor de revoluciones del motor y medida de emisiones contaminantes),
véase apartado 3.1 de la memoria.
• Sistema de procesamiento y monitorización de la información proveniente de los
sensores, tarea que se ejecuta en un ordenador portátil. Además el PC se encarga
de otras funciones como el registro de los sensores inteligentes o el
almacenamiento de la información generada en el ensayo, véase apartado 3.2 de
la memoria.
Sistema
Sistema
Procesamiento y
Monitorización
Sensorial
Sistema
Adquisición
Figura 1.2.1. Estructura general del sistema MEDUSA
Para la definición de la arquitectura hardware, además de atender a criterios netamente
técnicos que se describirán más adelante, se ha mantenido el principio de elegir
dispositivos y equipamiento electrónico disponibles en el mercado, por dos razones
fundamentales: facilitar futuros suministros y acortar tiempos de desarrollo.
Complementando la arquitectura hardware se han desarrollado aplicaciones software
para la sincronización en la captura de datos de los sensores y para la presentación
gráfica de los mismos facilitando su interpretación por el usuario del equipo.
3

MEDIDOR UNIVERSAL DE PARÁMETROS DEL AUTOMÓVIL “MEDUSA-I”
Para la definición y dimensionamiento del sistema MEDUSA completo se han
mantenido sesiones de trabajo conjunto con el grupo GMT de la UPM. Ello ha
permitido aclarar aspectos comunes del proyecto (tal como se contemplaba en el plan de
trabajo) y asegurar la compatibilidad de las propuestas de sensado en un único equipo
de registro, procesamiento y monitorización de datos.
4

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2 SISTEMA SENSORIAL
En este capítulo se aborda la descripción general del sistema sensorial, así como el
estudio y propuesta particularizada para cada uno de los sensores integrados en el
primer prototipo de Medidor Universal de Parámetros del Automóvil.
2.1 Descripción general
Como se ha comentado, el mayor o menor nivel de contaminación ambiental procedente
del automóvil es función de tres factores fundamentales: estado del vehículo,
comportamiento del conductor y características del recorrido elegido. A fin de evaluar
la interacción y el efecto de éstos sobre la contaminación ambiental causada por el
tráfico rodado integrar estos aspectos se han considerado relevantes los parámetros
mostrados en la Figura 1.1.1, información que se completa con la de la Figura 2.1.1
donde se asocia cada parámetro con el sensor correspondiente. A modo de excepción,
para determinar la marcha en que circula el vehículo no se propone ningún sensor
específico, de forma que a partir de otros (sensores inerciales y medidor de revoluciones
del motor) y con un procesamiento adecuado se concluirá la estimación del cambio de
marcha y, por tanto, la marcha correspondiente.
Independientemente de la clasificación de sensores de la Figura 2.1.1, acorde con la
realizada para parámetros en el capítulo 1, los sensores incorporados al prototipo
Medusa-I son de dos tipos:
• Básicos, que requieren de un sistema de adquisición de señal y posterior
procesamiento digital para su correcta interpretación por el usuario. A esta
categoría pertenecen los termopares, los potenciómetros, el medidor de
revoluciones [Sensing, 2005] y los relativos a la emisión de gases.
• Inteligentes, es decir aquellos que incorporan una electrónica de procesamiento
de señal de forma que su salida digital se aplica directamente al ordenador
portátil. Dentro de esta familia se encuentra: la unidad de acelerómetros y
giróscopos [Sensing, 2005], el sistema de posicionamiento global, las cámaras
de visión artificial y el termo higrómetro.
Debido a la diferente naturaleza de los parámetros a evaluar y a la diversidad de
sensores incluidos, una de las claves del éxito del proyecto está en la sincronización de
la captura de información con periodos de muestreo adaptados a la dinámica de cada
sensor, como se detallará más adelante.
5

MEDIDOR UNIVERSAL DE PARÁMETROS DEL AUTOMÓVIL “MEDUSA-I”
A continuación se detalla la elección de sensores realizada en el proyecto, incluyendo
aspectos como objetivo que persigue, descripción técnica y funcional y propuesta de
instalación en un automóvil comercial.
El orden seguido para presentar el estudio realizado sobre los diversos sensores que
forman parte del equipo Medidor Universal de Parámetros del Automóvil es el
siguiente: sensor inercial (acelerómetro y giróscopo), medidor de régimen del motor,
GPS, cámaras de visión artificial, termo higrómetro, termopares para líquidos, sensor de
temperatura del habitáculo y potenciómetros (acelerador y freno).
Sensores
Internos Conducción Recorrido Externos
Temperaturas
agua
aceite
habitáculo
termopares J-K
emisiones
contaminantes
pedales freno /aceler
potenciómetro
cambio marcha
procesamiento
vel/acel lineal y giro
acelerómetro
giróscopo
régimen motor
sensor RPM
posicionamiento
global
GPS + GIS
pendiente vía
giróscopo
grabación recorrido
cámaras+tarjeta
+grabación HD
temperatura exterior
humedad exterior
data logger
Figura 2.1.1. Parámetros y sensores incluidos en el proyecto MEDUSA.
2.2 Sensor inercial
El consumo de un vehículo es muy dependiente de los cambios de dinámica
(fundamentalmente aceleraciones y deceleraciones) a los que se somete el mismo,
además de la pendiente del recorrido. De ahí el interés de registrar los cambios de
posición y orientación, al igual que de sus correspondientes velocidades, y la pendiente
del plano por el que se circula.
Analizadas las opciones disponibles en el mercado, la más idónea es aquella que integra
en un mismo dispositivo la medida tridimensional de aceleraciones y giros, véase Figura
2.2.1. A partir de ellas, mediante cálculos internos se pueden obtener las velocidades y
posiciones asociadas con respecto a tres ejes. Además se trata de un dispositivo de
6

MEDIDOR UNIVERSAL DE PARÁMETROS DEL AUTOMÓVIL “MEDUSA-I”
respuesta suficientemente rápida para capturar los cambios de ritmo generados por el
conductor, y de sencilla instalación a bordo del vehículo.
Figura 2.2.1. Sensor inercial miniatura MTi.
2.2.1 Descripción funcional
El dispositivo MTi de la firma Xsens [Xsens, 2005] es una unidad completa en
miniatura para medida inercial en tres dimensiones, con un procesador incorporado
capaz de calcular en tiempo real los ángulos de giro según los tres ejes mostrados en la
Figura 2.2.2, así como la aceleración lineal también en 3D. Además realiza una
compensación del efecto del campo magnético terrestre a partir de magnetómetros
integrados en el propio dispositivo, sin la cual la efectividad de estos sensores es
bastante limitada.
Figura 2.2.2. Ejes locales, en tres-dimisiones, del sensor inercial.
Realmente, este medidor inercial incluye tres subsistemas de medida: giróscopo 3D,
acelerómetro 3D y magnetómetro 3D, tal como se aprecia en la Figura 2.2.3. Las salidas
7

MEDIDOR UNIVERSAL DE PARÁMETROS DEL AUTOMÓVIL “MEDUSA-I”
de los correspondientes sensores son tratadas por un procesador digital de señal (Power-
DSP) que ejecuta la algoritmia necesaria para conseguir la orientación absoluta en tres
ejes.
3D
Giròscopo
3D
Acelerómetro
Power-DSP
Ubicación en
3D
3D
Magnetómetro
Figura 2.2.3. Diagrama de bloque de los subsistemas del sensor inercial.
Gracias a la electrónica integrada en el sensor, la salida del mismo está disponible para
ser aplicada a un puerto serie de un ordenador, sin requerir el paso intermedio por el
sistema de adquisición mostrado en la Figura 1.2.1.
A continuación se detallan las lecturas del giróscopo y acelerómetro en una prueba de
laboratorio. Estas lecturas han sido exportada a la herramienta de cálculo MATLAB 7
mediante el cual se ha desarrollado una aplicación específica para la presentación de las
diferentes variables independientemente, véanse de la Figura 2.2.4 a la Figura 2.2.7.
En la Figura 2.2.4 se muestra la lectura que da el giróscopo cuando el sensor inercial se
encuentra en situación de reposo. Como puede apreciarse, los ángulos con respecto a los
ejes de referencia (configurables por el diseñador de la aplicación) son inicialmente
nulos y no se produce variación mientras el sensor se encuentra inmóvil.
En cambio, cuando el sensor es sometido a un movimiento aleatorio en el espacio, se
aprecia (véase Figura 2.2.5) que la lectura del giróscopo registra los cambios de ángulo
en los tres ejes simultáneamente.
De igual forma, se ha evaluado el subsistema para medida de aceleraciones espaciales.
En la Figura 2.2.6 se observa el registro del acelerómetro con el sensor en reposo,
mientras que en la Figura 2.2.7 se muestra cómo responde ante un desplazamiento del
mismo en el espacio.
8

MEDIDOR UNIVERSAL DE PARÁMETROS DEL AUTOMÓVIL “MEDUSA-I”
Figura 2.2.4. Lectura del giróscopo manteniendo en reposo el sensor inercial..
Figura 2.2.5. Lectura del giróscopo ante movimiento aleatorio del sensor inercial.
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MEDIDOR UNIVERSAL DE PARÁMETROS DEL AUTOMÓVIL “MEDUSA-I”
Figura 2.2.6. Lectura del acelerómetro con el sensor inercial en reposo.
Figura 2.2.7. Lectura del acelerómetro con el sensor inercial en movimiento.
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En la Figura 2.2.8 se puede ver algunas pruebas realizadas, en laboratorio, con el sensor
inercial utilizado para medir la inclinación de un plano.
Figura 2.2.8. Prueba de medida de planos inclinados con sensor inercial.
2.2.2 Descripción técnica
El sensor MTi cuenta con tres estados de funcionamiento [Xsens, 2005]: en espera
(wake up), configuración (config) y medida (measurement), tal y como se indica en la
Figura 2.2.9.
Figura 2.2.9. Estados de funcionamiento del sensor Mti.
Tras la conexión al ordenador (no se requiere alimentación adicional) se activa el sensor
en modo espera, y si no se realiza ninguna acción sobre él pasa directamente al estado
de medida aceptando la configuración salvada en memoria. Para modificar sus
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MEDIDOR UNIVERSAL DE PARÁMETROS DEL AUTOMÓVIL “MEDUSA-I”
posibilidades de funcionamiento se ha de entrar en el estado de configuración mediante
la generación de la señal “WakeUpAck”.
Para pasar del estado de configuración al de medida, o viceversa, se ha de enviar un
mensaje (comando) “GoToConfig” o bien “GoTomeasurement”.
El formato a utilizar para la comunicación entre sensor y PC, de acuerdo con el
protocolo ya citado, es el siguiente:
PREAMBLE BID MID LEN DATA CHECKSUM
Donde
Field Field width Description
Preamble 1 byte Indicator of Start of packet ---- 250 (0xFA)
Bid 1 byte Bus identifier / address ---- 255 (0xFF)
MID 1 byte Message identifier.
LEN 1 byte Value equals number of bytes in DATA field. Maximum value is 254
(0xFE). Value 255 (0xFF) is reserved.
DATA 0-254 byte Data bytes (optional).
Chechsum 1 byte Checksum of message.
Las especificaciones técnicas (rango, linealidad, estabilidad, densidad de ruido, error de
alineamiento y ancho de banda) para cada uno de los subsistemas del sensor:
acelerómetro, magnetómetro y giróscopo) se indican en la Tabla 2.2.1:
Tabla 2.2.1. Especificaciones técnicas para cada subsistema sensor
Rate of turn Acceleration Magnetic field Temperature
Dimensions 3 axes 3 axes 3 axes -
Full Scale +/- 300 (deg/s) +/-17 (m/s 2 ) +/- 750 mGauss) -55 … +125 (ºC)
Linearity 0.1% of FS 0.2% of FS 0.2% of FS < 1% of FS
Bias stability
(standard deviation)
5 (deg/s) 0.02 (m/s 2 ) 0.5 (mG) 0.5 ºC
Noise density 0.1
deg/s/√Hz
0.001
m/s2/√Hz
0.5
mGauss
-
Alignment error 0.1 deg 0.1 deg 0.1 deg -
Bandwidth 40 Hz 30 Hz 10 Hz -
2.2.3 Instalación y ubicación física
La ubicación del sensor inercial ha de ser en el interior del vehículo, por ejemplo en el
área central próxima al salpicadero (véase Figura 2.2.10), teniendo en cuenta que la
conexión con el PC es mediante un cable de 5 metros. La conexión se lleva a cabo a un
puerto USB del PC, si bien la comunicación responde al estándar RS-232.
12

MEDIDOR UNIVERSAL DE PARÁMETROS DEL AUTOMÓVIL “MEDUSA-I”
La orientación del mismo ha de ser respetando, en la medida de lo posible, el eje
longitudinal del vehículo, si bien se puede lleva a cabo una corrección posterior debida
al desalineamiento entre el sistema de referencia del sensor y el del vehículo.
Posible ubicación
de sensor inercial
Figura 2.2.10. Propuesta de ubicación para el sensor inercial en un vehículo comercial.
La orientación del mismo ha de ser respetando, en la medida de lo posible, el eje
longitudinal del vehículo, si bien se puede lleva a cabo una corrección posterior debida
al desalineamiento entre el sistema de referencia del sensor y el del vehículo.
2.3 Sensor de régimen del motor
Tanto en recorrido exterior como en banco de pruebas, el régimen del motor es
importante para evaluar la relación entre el consumo y el estado del vehículo. Por ello se
ha incluido este parámetro entre los objetivos del proyecto Medusa. Téngase en cuenta
que cada modelo de vehículo alcanza aceleraciones diferentes con regímenes de motor
diferentes, por lo que la información de este sensor es complementaria a la del inercial.
Por otra parte, la medida del régimen del motor servirá de referencia para estimar la
marcha de velocidad en que circula el conductor.
Para la elección del sensor idónea asociado a este parámetro se han barajado varias
posibilidades:
• Medidor de la corriente suministrada por el alternador, mediante una pinza de
corriente [Clampmeter, 2005] ubicada próxima a aquél. Esto requiere de un
procesamiento adicional de la información obtenida y la correspondiente
calibración para cada vehículo, además de los problemas de ubicación en el
vehículo durante la prueba en condiciones de tráfico real.
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• Medidor de la vibración del bloque motor [Motorsens, 2005]. El equipo permite
medir la velocidad de giro de un motor sin necesidad de conectarle sensores de
acceso dificil Dado que la medición se efectúa directamente a partir de la
vibración del bloque motor, el equipo funciona tanto en vehículos a gasolina
como diesel.
• Medidor a partir del rizado de la alimentación continua [Kmt, 2005]
proporcionada por la batería. Junto a las ventajas del grupo anterior hay que
añadir la facilidad de conexión al punto de calentamiento del mechero del
vehículo o a los bornes de la propia batería.
Del análisis anterior se deduce que la opción más adecuada es la tercera, lo que se
concreta en el medidor RPM8000 de la firma KMT, cuyo kit adquirido para el proyecto
se muestra en la Figura 2.3.1.
2.3.1 Descripción funcional
En la Figura 2.3.1 se muestra el aspecto del sensor utilizado para medir el régimen del
motor. La fuente de señal procede de la relación entre el rizado de la tensión del
alternador y las revoluciones por minuto del motor.
Figura 2.3.1. Sensor utilizado para el régimen del motor y kit completo de medida.
Para entender mejor el principio de funcionamiento del sensor conviene revisar el
propio de un alternador.
Considérese la señal proporcionada por un generado de tensión conseguido con una
bobina girando bajo la acción de un campo magnético producido por dos polos
magnéticos (norte y sur), tal y como se muestra en la Figura 2.3.2.a. La salida es una
señal sinusoidal (trazo azul) con un ciclo por revolución del bobinado. Esta señal
rectificada proporciona una señal alterna de única polaridad con dos pulsos por
revolución (trazo negro), resultando un nivel medio indicado por el trazo marrón.
14

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En el caso de un generador trifásico (lo que se consigue añadiendo dos devanados al
caso anterior), manteniendo el par de polos magnéticos, tras la rectificación se
consiguen 6 pulsos por vuelta del conjunto bobinado (número de polos multiplicado por
número de fases) tal y como se muestra en la Figura 2.3.2.b. Incrementándose
claramente el nivel de continua con respecto al caso anterior.
Los alternadores de los automóviles normalmente son de 3 fases e incluyen más de dos
polos. En la mayoría de los casos están formados por 12 polos (6 pares), con lo que se
consigue 6 ciclos por fase y por cada vuelta del alternador. Así, después de la
rectificación, se obtienen 36 pulsos en la señal resultante como se puede ver en la Figura
2.3.3.
(a)
(b)
Figura 2.3.2. Generación de señal continua a partir de:
(a) un alternador de 1 fase y 2 polos, (b) un alternador de 3 fases y 2 polos.
Figura 2.3.3. Señal generada por un alternador de 3 fases y de 12 polos.
.
15

MEDIDOR UNIVERSAL DE PARÁMETROS DEL AUTOMÓVIL “MEDUSA-I”
Por tanto, la frecuencia de rizado del voltaje “voltage ripple frequency” (pulsos
mencionados anteriormente) se calcula multiplicando el número de revoluciones RPM
del alternador por el número de polos y por el número de fases del mismo.
Aplicando el sensor RPM 8000 al conector del mechero del automóvil se detecta el
rizado de la señal proporcionada por el alternador lo que permite calcular las RPM del
mismo. Por otra parte, la relación entre el número de vueltas del alternador y el número
de vueltas del motor de un vehículo es constante y es la misma relación que existe entre
los diámetros de los discos del motor y el alternador ligados por la polea (Figura 2.3.4).
Figura 2.3.4. Enlace del motor de vehículo con el alternador del mismo.
2.3.2 Descripción técnica
El sensor RPM8000 facilita dos tipos de salida: analógica y digital. En el proyecto
Medusa, teniendo en cuenta las características del sistema de adquisición, resulta más
conveniente utilizar la salida analógica para aplicarla a una canal del mismo tipo del
adquisidor (véase Figura 1.2.1). Tras su captura se procesa la señal para ser exportada a
la herramienta de interfaz gráfico de usuario.
Las principales características técnicas del medidor de RPM utilizado se muestran en la
Tabla 2.3.1:
Tabla 2.3.1. Características del medidor RPM
ESPECIFICACIÓN
VALOR
Exactitud típica, motor gasolina 1,5 %
Exactitud típica, motor diesel 3,0 %
16

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Retardo máximo
20 ms
Rango de frecuencia de salida digital
500 Hz – 10 KHz
Nivel de salida digital TTL (0V, 4V)
Conectores de salidas analógica y digital
BNC
Impedancia de salida digital
130 Ohm
Rango de tensión de salida analógica
0.5V, 10V
Impedancia de salida analógica
20 Ohm, 10 mA
Alimentación Propia del vehículo (12V – 42V)
Control de usuario
Indicadores
Botón de calibración y ajuste con
potenciómetro
LEDs de alimentación, sincronización y
calibración
Temperaturas de trabajo 0 – 70 ºC
2.3.3 Instalación y ubicación física
Como se ha comentado, el sensor está basado en la detección del rizado de la
alimentación “continua” de la red eléctrica del vehículo. Por lo que la ubicación
adecuada puede ser o bien los bornes de la batería o bien la conexión al encendedor del
vehículo (véase Figura 2.3.5). Por tanto, este rizado puede verse afectado por el ruido
incorporado por los dispositivos o cargas conectadas al sistema de alimentación:
encendido electrónico en vehículos de gasolina, inyección electrónica en los diesel,
motores de limpia cristal, motores de puertas, sistema multimedia, etc. Por ello, este
sensor incluye un porcentaje de error en función del tipo de combustible utilizado,
siendo del 1.5% en el caso de los vehículos de gasolina y del 3% en el caso de los
diesel.
Para la correcta utilización del RPM8000 se recomienda:
• Conectar cargas constantes como: luces, elementos motorizado, etc., a fin de
mejorar la relación señal/ruido y con así la exactitud de la medida. Además, las
cargas constantes ayudan a lograr la sincronización entre la lectura del sensor y
la velocidad del motor.
• Esperar a que haya arrancado el motor para realizar las medidas.
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MEDIDOR UNIVERSAL DE PARÁMETROS DEL AUTOMÓVIL “MEDUSA-I”
• Evitar la utilización de los conectores de mechero instalados en la parte trasera
del vehículo (si ha lugar) pues la longitud del cable puede aumentar las
interferencias en la alimentación, véase Figura 2.3.6.
Conector 12 V
Conector (encendedor) 12 V
(encendedor)
Conector 12 V
(encendedor)
Figura 2.3.5. Propuesta de conexión de sensor RPM8000 en un vehículo comercial.
.
Conector 12 V
(encendedor)
Figura 2.3.6. Conexión no recomendable para sensor RPM8000 en un vehículo comercial.
2.4 Sistema de posicionamiento global
Como parte de la información registrada en el ensayo a realizar con un vehículo
portador del Medidor Universal de Parámetros –MEDUSA-, es importante la
localización instantánea del trayecto en un mapa. De ahí la propuesta de incluir un
sistema de posicionamiento global o GPS asociado a un sistema de información
georreferenciada o GIS, entre los sensores del prototipo bajo estudio.
18

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Dado que la precisión espacial de un GPS es limitada (entre 3 y 20 m según diferentes
dispositivos comerciales), se hace necesario contar con información complementaria
como la del sensor inercial para el cálculo con mayor precisión de valores instantáneos
de aceleración, velocidad y posición.
Como estaba previsto en las tareas del proyecto, se han evaluado diferentes alternativas
comercialmente disponibles como el VBOX Pro Lite de la firma M-Tech [Vbox, 2005]
o el Fortuna Clip-on de Grafinta [Fortuna, 2005], con todo evaluando prestaciones,
coste y disponibilidad se ha optado por el sistema Starfinder AVL de Laipac [Laipac,
2005].
2.4.1 Descripción funcional
El sistema de posicionamiento global (Global Positioning System –GPS-) puede
proporcionar una localización de coordenadas sobre un mapa terrestre muy precisas [El-
Rabbany, 2002].
Con un sensor GPS se obtiene información de la longitud y latitud del vehículo en
tiempo real, tomando como referencia de trazado un mapa de carreteras
georreferenciado [Mappoint, 2005]. Además de la localización del vehículo, el sensor
GPS proporciona la velocidad del mismo con la etiqueta temporal asociada. Procesando
la información proporcionada por el GPS se puede extraer, además de valores
instantáneos de posición, velocidad y tiempo, otros como velocidad media, distancia
recorrida entre dos puntos, etc.
La precisión y eficacia del reloj en tiempo real que proporciona el sistema GPS sirve
como marca de tiempos que se puede utilizar en el almacenamiento de la información
de los parámetros del vehículo medidos. Así, además de un valor numérico que sirva
para identificar de manera unívoca el conjunto de valores procedentes de los sensores,
se puede incluir la etiqueta temporal asociada. Incluso, el ordenador portátil a utilizar en
el prototipo puede sincronizar su hora con el valor de tiempo recibido procedente de las
señales GPS.
Concretamente, el receptor GPS/GPRS de Laipac (StarFinder AVL) facilita la puesta en
marcha e integración con la comunicación de datos vía GPRS, véase Figura 2.4.1.
El sistema Starfinder también incluye la posibilidad de almacenar datos basados en
intervalos de tiempo, distancia y eventos en el data-logger integrado en el sistema. La
selección de datos inteligente permite almacenar datos en la memoria flash interna
durante semanas o meses.
19

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(a)
(b)
Figura 2.4.1. Dispositivo receptor GPS utilizado. (a) Vista frontal. (b) Vista superior.
.
El sistema tiene además dos entradas ópticas y dos entradas analógicas para telemetría
(una se puede utilizar con el botón de pánico de radio frecuencia opcional). Estas
entradas se utilizan para disparar dispositivos de alarma o controlar los estados o
condiciones deseadas. También dispone de dos salidas para una posible aplicación al
control de diferentes parámetros dentro del vehículo.
Starfinder puede ser programado de manera remota para configurar los puertos de
entrada/salida para recibir comandos de emergencia como necesidad de asistencia en
carretera.
2.4.2 Descripción técnica
A continuación se enumeran las principales características del GPS Laipac:
• Precisión de posicionamiento de 15 m CEP (circle error position). Es decir la
posición real se encuentra en un círculo de 15 m de diámetro centrado en el
punto proporcionado por el sensor, con una probabilidad del 95%. Precisión
suficiente para los requerimientos del proyecto: ubicación del vehículo ensayado
en un mapa conocido.
• Precisión de velocidad de 0.1 m/s.
• Petición de posición programable por intervalos de tiempo o distancia recorrida.
• Entradas: 2 ópticas, 2 digitales (1 botón de pánico de radio frecuencia) .
• Salidas: 2 relés (permite controlar 4 condiciones).
• Interfaz celular GSM/GPRS - CDMA/1X basada en SMS, GPRS y 1X
• Modos sleep y stand-by para el ahorro de energía
20

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En concreto las prestaciones técnicas del sistema de posicionamiento basado en GPS se
resumen en la Tabla 2.4.1.
Tabla 2.4.1. Prestaciones módulo GPS
Características Típica Máx. Unidades
Seguimiento de canales 12 12
Precisión posicionamiento 15 CEP m
Precisión velocidad 0.1 m/s
Precisión tiempo 1 us
Tiempo de arranque frío 48 s
Tiempo de arranque templado 38 s
Tiempo de arranque en caliente 8 s
Máxima altura 18,000 m
El sistema GPS representa las coordenadas terrestres en 12 segmentos y dentro de cada
uno de ellos en 30 grados (12 * 30 = 360º).
De esta manera, el sistema de posicionamiento GPS utiliza el sistema trigonométrico
estándar de grados, minutos y segundos, pero usando fracciones decimales de grados
para proporcionar una única cifra. . Por ejemplo:
• 47 Grados 38 Minutos 12.372 Segundos Latitud Norte
• 122 Grados 7 Minutos 58.8 Segundos Longitud Oeste
se representa como:
• Latitud: 47.63677
• Longitud: -122.13300
Es generalmente aceptado que la Latitud es positiva en dirección Norte y la Longitud es
positiva en dirección Este.
El formato estándar en el que la mayoría de los dispositivos GPS proporcionan la
informacion a un ordenador es haciendo uso del estándar NMEA 0183 (National Marine
Electronics Association) [Nmea, 2005].
El receptor GPS recoge las señales procedentes de varios satélites de los que se conoce
su posición en el espacio. La medida del tiempo que tardan en llegar 4 de estas señales
que contienen una marca de tiempo pseudo-aleatorio posibilita el cálculo de la posición
del receptor así como el valor de tiempo actual. Por ello, el dispositivo necesita
sincronizar su propio reloj interno con el valor de tiempo de la red de satélites.
El proceso de reconocimiento de las 4 señales puede llevar un tiempo considerable
dependiendo de:
21

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• La cantidad de información que tenga el dispositivo GPS acerca de una posición
previa.
• La precisión de la información
• La facilidad con la que el dispositivo puede leer las señales de los satélites (los
obstáculos limitan la potencia de la señal y el número de satélites disponibles).
Existen dos tipos de arranque del dispositivo GPS:
• Arranque en frío (Cold start): se produce en los casos en los que el dispositivo
no tiene información acerca de la posición actual o es incorrecta. El dispositivo
puede tardar de 5 a 6 minutos hasta adquirir la nueva posición (suponiendo que
existe visibilidad).
• Arranque templado (Warm start) : se produce en los casos en los que el
dispositivo ha alamacenado la última posición reconocida y actualmente se
encuentra no muy lejos de esta última. Dependiendo de las condiciones del
ensayo, el dispositivo puede tardar de unos segundos hasta un minuto hasta
adquirir la posición correcta.
• Arranque en caliente (Hot start) : es el derivado de la pérdida momentánea de
enlace con los satélites.
2.4.3 Instalación y ubicación física
El dispositivo sensor GPS consta de 2 partes: la unidad de procesamiento (Figura 2.4.1)
y la antena (Figura 2.4.2). La unidad de procesamiento se puede ubicar cercana al
ordenador conectándose mediante un cable DB9 al puerto serie RS232.
En la Figura 2.4.2 se muestra la antena GPS que se debe conectar al receptor para
realizar el procesamiento de las señales procedentes de los satélites.
Figura 2.4.2. Antena receptora asociada al sensor GPS.
22

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La ubicación de la antena debe ser preferiblemente en la parte superior externa del
vehículo ya que para un correcto funcionamiento el fabricante recomienda ubicar la
antena con una visibilidad de 120 grados hacia arriba, a fin de contar con una adecuada
visibilidad de los satélites GPS. En la Figura 2.4.3 se muestra una posible ubicación de
la antena en un vehículo comercial.
Figura 2.4.3. Posible ubicación de la antena GPS.
Para su alimentación se necesita disponer de una conexión a una fuente de alimentación
de 12V. Bien el conector del mechero del coche (delantero o trasero) o al sistema de
alimentación del rack DEWETRON (sistema de adquisición) .
2.4.4 Integración en la aplicación
Los dispositivos GPS conectados a un ordenador portátil transmiten la información vía
serie conforme al protocolo NMEA 0183 a 4800 bps Los dispositivos GPS con
conexiones USB o Bluetooth mapean un puerto serie COM a través del cual se
intercambian los datos. En los ensayos realizados se ha conectado el sensor GPS al
puerto serie RS-232 del ordenador, mapeado como puerto COM1 en Windows XP.
La aplicación desarrollada en el presente trabajo lee la información transmitida a través
de un puerto serie del ordenador portátil. El procesamiento de los datos debe ser capaz
de identificar las cadenas de comandos GPS definidos en el protocolo NMEA 0183.
Para ello, se puede hacer uso de un tratamiento directo por parte de la aplicación
software de Starfinder manejando también el control del puerto serie de
comunicaciones, o bien se puede integrar un control ActiveX (p.e. GpsTools
desarrollado por la compañía Franson Biz.) el cual incorpora tanto la interpretación del
estándar NMEA como el manejo del puerto a través del cual se leen los datos del GPS.
23

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Por defecto, el dispositivo GPS proporciona la posición actual cada segundo. Además,
el sensor envía información acerca de cuántos satélites son visibles y reporta la
operación que está realizando.
2.4.5 Lectura de datos GPS
El dispositivo envía cadenas de texto donde el comienzo de la sentencia es un código
que identifica los datos que se acompañan [Laipac, 2005]. Concretamente la cadena que
comienza por el código “$GPGGA” es la que proporciona la información de
localización.
Esta cadena de texto contiene diferentes campos delimitados por comas, tal y como se
muestra en la Tabla 2.4.2.
Para posicionar al vehículo en el control de MapPoint los valores de longitud y latitud
con dirección Sur u Oeste se pondrán como negativos. Los valores en grados y minutos
se deben convertir a un número en formato decimal estándar. Para ello, se deben
eliminar los primeros dígitos correspondientes a los grados y dividir el valor de minutos
restante entre 60, para sumarlo al valor de grados.
Tabla 2.4.2. Formato cadena GPS
Campo. Descripción Ejemplo de dato
1. Tiempo en el que se ha calculado la posición (hhmmss.ss) 180432.00
2. Latitud (ggmm.mmmmmm) 4738.2062
3. Dirección de Latitud (N=Norte / S=Sur) N
4. Longitud (gggmm.mmmmmm) 12207.98
5. Dirección de Longitud (W=Oeste / E=Este) W
6. Calidad recepción GPS (0=inválida, 1=GPS, 2=DGPS) 1
7. Número de satélites utilizados en el cálculo 07
9. Altitud 212.15
10. Unidades de Altitud (M=metros) M
Ejemplo:
4738.2062 es “47” grados y “38.2062” minutos
38.2062 / 60 = 0.63677
47.63677 Latitud
Los valores de longitud y latitud proporcionados por el dispositivo GPS, son
considerados como válidos sólo si el valor Calidad de recepción GPS es mayor que 0.
De otra forma, los datos pueden no ser precisos.
24

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Puntos GPS utilizables:
Para calcular la distancia entre dos puntos GPS en formato decimal, se puede hacer uso
de la ecuación siguiente (formula de gran círculo) [Stolarz, 2005] :
r * arccos[sin(lat1) * sin(lat2) + cos(lat1) * cos(lat2) * cos(lon2 - lon1)]
Esta formula se debe utilizar cuando se desean medir distancias entre dos puntos 1 y 2
alejados. Para calcular distancias entre puntos más cercanos (distanciados varios
metros) es más correcta la expresión:
sqrt([1843.55 * (lat2 – lat1)^2] + [1084,55 * (lon2 – lon1)^2]) (valor en km.)
Dado que el receptor GPS puede proporcionar valores de localización con precisión de
hasta 10m, se fija dicha distancia como valor a superar por la ecuación anterior para así
considerar un nuevo dato procedente del GPS por parte de la aplicación de medida de
parámetros.
Trasladando a valores de grados proporcionados por el GPS en longitud y latitud se
pueden redondear a una precisión de 0.0001 eliminando dichas variaciones de
posicionamiento erróneo que de otra forma se acumularían en un cálculo de distancias
considerando todos los puntos GPS recibidos.
Para aumentar la precisión de la localización, cuando la diferencia entre dos medidas
GPS consecutivas son idénticas atendiendo al valor de redondeo anterior se realiza una
media entre ese punto y el valor anterior. De esta manera, estando el vehículo parado,
las sucesivas medidas GPS irán acumulándose, logrando un valor medio próximo al
verdadero, reduciendo al mínimo el error de posicionamiento.
2.5 Sistema de visión artificial
Con el objetivo de tener información visual de las características del entorno y las
circunstancias concretas en las que se realiza el ensayo, en condiciones de tráfico real,
se ha incorporado al prototipo Medusa un sistema de visión artificial. De esta forma es
fácil registrar detalles como: cruces, rotondas, semáforos, cambios de carril,
comportamiento de otros vehículos, etc.
La realimentación visual de la conducción posibilita un procesamiento posterior más
completo y ayuda a entender otros parámetros medidos por el sistema propuesto en el
proyecto.
25

MEDIDOR UNIVERSAL DE PARÁMETROS DEL AUTOMÓVIL “MEDUSA-I”
2.5.1 Descripción funcional.
Actualmente existen en el mercado de cámaras digitales, fundamentalmente dos tipos de
cámaras de vídeo estándar con una buena relación calidad/precio: usb y firewire.
Mientras las cámaras usb están destinadas a un entorno ofimático y personal, las
cámaras con el estándar de comunicaciones digital firewire (también conocido por la
referencia del estándar que cumplen, IEEE 1394) proporcionan una alta velocidad de
transmisión y son utilizadas en entornos industriales y productivos.
Se ha elegido como bus de comunicaciones digital las cámaras de video firewire
[FireWire, 2003], permitiendo conectar en un único bus las cámaras que se puedan
considerar necesarias (en principio se conectará una única cámara) para la captación de
las condiciones del entorno de conducción.
Las velocidades de transmisión por el bus son de 400Mbps lo que permite visualizar en
tiempo real la imagen en el ordenador supervisor del conjunto del sistema. Las
imágenes obtenidas serán sincronizadas por el software junto con el resto de los
parámetros medidos y almacenados en el disco duro del ordenador para posibilitar su
posterior tratamiento.
La cámara digital, la cual se muestra en la Figura 2.5.1, escogida es la Fire-i de la
compañía Unibrain. Es una cámara que soporta la última revisión del estándar de
comunicación digital IIDC FireWire v 1.04.
Figura 2.5.1. Cámara Fire-i de Unibrain utilizada en el proyecto.
26

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2.5.2 Descripción técnica.
La Tabla 2.5.1 recoge las principales características de la cámara Fire-i de Unibrain:
Interfaz
Tabla 2.5.1. Características de la cámara Fire-i de Unibrain.
CARACTERISTICA
Velocidad de transmisión
VALOR
FireWire, 2 puertos de 6 pines para
permitir una conexíón en bus serie
400 Mbps
Tamaño del sensor CCD
Escaneado de imagen
¼’’
Progresivo
Píxeles efectivos (H x V) 659 x 494
Distancia focal
Enfoque
Iris
4.65 mm
Manual
Fijo
Angulo de visión horizontal 42°
Angulo de visión vertical 32°
Consumo
0.9 W
Para no sobrecargar el sistema se ha configurado una transferencia de imagen en color a
15 imágenes por segundo y con una resolución de 320x240 píxeles (considerados como
suficientes para nuestro objetivo mientras se reduce el almacenamiento necesario).
Para realizar ajustes como brillo, contraste, saturación, resolución de la imagen, etc. la
cámara dispone de un software propietario que de ser necesario se puede incluir en la
aplicación final, o bien realizar la ejecución de dicho programa durante la instalación
del sistema de medida.
La Tabla 2.5.2 muestra las características configurables desde el ordenador:
Tabla 2.5.2. Parámetros controlables via PC
CARACTERÍSTICA
CONTROL
Ganancia
Auto/Manual 0 - 30 dB
Shutter Electrónico Auto/Manual 1/3400s - 1/31s
Nivel de negros
Auto/Manual
Corrección Gamma OFF (lineal) 1 / ON (visual) 0.45
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Compensación de luz de fondo
Sharpness
Balance de blancos
Saturación de color
Generador de barras y rampas
6 modos + OFF
Manual
Auto/Manual
Manual
ON/OFF
2.5.3 Instalación y ubicación física.
La ubicación más adecuada para la cámara es el salpicadero delantero (Figura 2.2.10).
Las reducidas dimensiones de la cámara la hacen ideal para una fácil instalación y
manejo en cualquier condición.
Tiene las siguientes dimensiones:
• Ancho x Alto x Fondo: 62 x 62 x 35 mm
• Peso 60 gr
Para su instalación se debe recurrir al uso de ventosas de ajuste para una mejor fijación
y buscando un soporte que minimice las posibles vibraciones que deterioren la imagen
captada.
Se debe llevar un cable de 6 pines desde la cámara al ordenador. Dado que es un bus
serie, se puede realizar la conexión entre el ordenador y una cámara y desde ésta llevar
un cable hasta cámara si se requiere. Esta versatilidad permite simplificar la instalación
del sistema de captura para que se adapte a las necesidades específicas en cada vehículo.
La longitud de los cables puede alcanzar los 10m garantizando que no existe ningún
tipo de pérdida en los datos transmitidos. También existen cableados retráctiles (como
se muestra en la Figura 2.5.2) que permiten una conexión más compacta, ajustable a las
dimensiones de cada vehículo concreto.
Figura 2.5.2. Cable FireWire retractil.
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Para su alimentación se necesita de una tensión de 12V y una corriente de 1A. Dadas las
características del bus digital firewire, sólo es necesario alimentar una cámara siendo
esta la que alimente a través del bus a otras posibles. Existen conectores y adaptadores
firewire que permiten conectar un bus de 6 pines a una fuente de alimentación externa y
conexión a bus de 4 pines sin alimentación (caso más habitual en los ordenadores
portátiles actuales para que reducir el consumo de su batería).
2.5.4 Configuración y puesta en marcha
Como ya se ha comentado, las cámaras se orientarán una capturando el entorno de la
parte delantera y otra para captar el entorno por la parte trasera, minimizando en lo
posible los ángulos muertos de visión.
Atendiendo principalmente al ángulo de visión horizontal (el vertical es más que
suficiente) se puede cubrir el espacio mostrado en la Figura 2.5.3.
Para la puesta en marcha se debe lanzar la aplicación de configuración de cámaras:
Fire-I Explorer, véase Figura 2.5.4.
Figura 2.5.3. Ángulo de visión cubierto con una cámara situada próxima al salpicadero.
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Figura 2.5.4. Configuración de la cámara a través del programa Fire-i Explorer.
A continuación se muestra una fotografía (Figura 2.5.5) donde dos cámaras de alta
resolución captan una página de un libro, así como su visualización en un ordenador
portátil.
Figura 2.5.5. Cámaras Fire-i capturando vídeo en tiempo real.
.
2.6 Termo higrómetro
A fin de evaluar el efecto de las condiciones climáticas del entorno de circulación en el
consumo del vehículo y, por tanto, en el nivel de contaminación, se ha considerado de
interés la incorporación de un sensor externo de temperatura y humedad.
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De las distintas opciones existentes en el mercado se ha optado por aquella que consiste
en un único dispositivo con alimentación propia y capacidad de registro continuo de
información con cadencia programable. De igual forma se puede programar la
frecuencia con que los datos son exportados al ordenador del sistema Medusa. Además
su peso y tamaño son idóneas para ser ubicado en el exterior del vehículo, véase la
Figura 2.6.1.
2.6.1 Descripción funcional
El Hobo H8Pro [Pce, 2005] es un sensor de temperatura y humedad, del grupo alemán
PCE, para aplicaciones en exteriores. Incorpora alimentación propia mediante pilas, con
lo cual es necesaria una fuente de tensión externa.
Este sensor incluye un software específico llamado “BoxCar” que permite programar el
sensor: definir el intervalo de lectura y el comienzo de la misma. Para el registro de
datos no requiere de conexión alguna al PC, pero si para el volcado de la información
registrada.
Figura 2.6.1. Aspecto del termo higrómetro Hobo H8Pro
2.6.2 Descripción técnica
La lectura de temperatura y humedad puede realizarse con dos niveles de precisión, si
bien la memoria interna disponible es la misma por lo que se pueden registrar hasta
65291 medidas con 8bits o hasta 32645 con 12 bits.
31

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Para el volcado de datos a un PC se dispone de un conector aplicado a un puerto serie
del mismo o, en su caso, a un adaptador DB9-USB.
En la Tabla 2.6.1 se indican las características técnicas del termo higrómetro.
Tabla 2.6.1. Características técnicas del sensor de humedad.
ESPECIFICACIÓN
VALOR
Rango temperatura -30 a .+50 °C
Rango humedad
Precisión temperatura
0...100 % HR
±0,2 °C (registro con 12 bit)
±0,4 °C (registro con 8 bit)
Precisión humedad ± 3 %
Constante de tiempo
Memoria
Intervalo de captura
Dimensiones
Peso
< 15min
65291 datos de 8 bit
32645 datos de 12 bit
0.5 segundos a 9 horas
102 x 51 mm (diámetro x alto)
105 g
2.6.3 Instalación y ubicación física
La ubicación prevista para el termo higrómetro, siempre en el exterior, puede ser:
• adherida al soporte de antena, baca, o
• soporte de alguno de los espejos retrovisores del vehículo, véase la Figura 2.6.2.
Figura 2.6.2. Ejemplos de puntos adecuados para ubicación de termo higrómetro: baca,
soporte retrovisor.
32

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2.7 Termopares para líquidos
Entre los objetivos del proyecto está el evaluar cómo afecta a la emisión de gases de un
vehículo las condiciones de funcionamiento del mismo, concretamente la temperatura
del aceite y del líquido del circuito de refrigeración [Instserv, 2005], [Kobold, 2005].
Para cumplir con esta tarea se han incorporado al prototipo Medusa sendos termopares.
La medida de estas temperaturas podría haberse llevado a cabo con RTD’s que
proporcionan mayor exactitud y facilidad de acondicionamiento. Sin embargo, dados
los requerimientos de la aplicación (instalación de sensores sin intrusión), se ha optado
por sensores tipo termopar ya que el espectro de formatos de este tipo de sensor (varilla,
flexibles, láminas autoadhesivas, etc.) que pueden encontrarse en el mercado es muy
superior al de los RTD’s.
De esta manera, pueden encontrarse termopares para la medida de temperatura en
tuberías sin la necesidad de tener que insertarlo o ponerlo en contacto con el líquido que
circula por esta. También pueden encontrarse termopares flexibles que pueden adaptarse
fácilmente a las cavidades en las que se introducen. Estas dos alternativas resultan de
enorme interés en la aplicación que nos ocupa, tal y como se describe a continuación.
En cualquier caso, en lo que a requerimientos de exactitud se refiere para la aplicación
concreta que nos ocupa, la proporcionada por los termopares es más que suficiente.
2.7.1 Descripción funcional
En este punto se detalla cómo medir tanto la temperatura del líquido refrigerante como
del aceite.
Temperatura del líquido refrigerante.
La dificultad de la medida de la temperatura del líquido de refrigeración estriba en el
hecho de que se trata de un circuito hermético. Por esto, introducir el elemento sensorial
sin realizar ningún tipo de operación agresiva sobre éste, resulta prácticamente
imposible. De esta manera, se ha optado por medir la temperatura desde el exterior, en
particular, se mide la temperatura en la superficie de los manguitos del circuito de
refrigeración. No debe perderse de vista que en esta aplicación, más que el valor exacto
de la temperatura, lo que interesa es el seguimiento de las variaciones que pueda sufrir.
En la Figura 2.7.1 se puede observar el aspecto del termopar elegido, especialmente
diseñado para medir temperatura en conductos.
33

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Cabeza sensora
Abrazadera de
sujeción al conduzto
Figura 2.7.1. Termopar para la medida de temperatura en conductos.
El termopar está formado por una especie de cabeza sensora, que es el elemento
sensible del sensor. Esta cabeza sensora se pone en contacto con la superficie del
conducto cuya temperatura se desea medir. Adicionalmente incluye una abrazadera que
facilita la fijación del elemento sensor al conducto sin la necesidad de tener que realizar
ningún tipo de perforación.
Temperatura del aceite del motor.
Para la temperatura del aceite del motor se ha optado por la elección de un termopar
flexible, ya que, como se describe posteriormente este sensor se instala insertándolo por
el orificio de la varilla de control del nivel de aceite. Dependiendo de cada modelo de
vehículo, la trayectoria que recorre la varilla no es siempre recta. En la Figura 2.7.2
puede observarse el aspecto del termopar elegido.
Figura 2.7.2. Termopar flexible para la medida de la temperatura del aceite.
.
En lo que respecta a la elección del tipo de termopar, hay que decir que aunque el
termopar puede, por su principio de funcionamiento, construirse con dos metales
34

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diferentes cualesquiera, la necesidad de una elevada sensibilidad, estabilidad a largo
plazo, linealidad, etc., ha llevado a que tan sólo se utilicen determinados materiales
dando lugar a diferentes tipos de termopares. Así se tiene termopares tipo J, K, T, N, R,
S y B. Los cuatro primeros se conocen con el nombre de termopares de metales básicos
ya que están fabricados utilizando metales comunes como el cobre, níquel, aluminio,
etc. Los tipos R, S y B se conocen con el nombre de termopares nobles por que están
fabricados utilizando platino y rodio. Estos últimos se utilizan cuando las temperaturas a
medir son muy elevadas y exceden los márgenes que se pueden alcanzar con los metales
base o cuando hay problemas de compatibilidad química [Tc-direct, 2005].
La elección depende, en términos generales, del rango de operación al que será
sometido, a la exactitud requerida y al coste del mismo. A bajas temperaturas (200-600
ºC) son recomendables los tipos J, K y T. El tipo J es el más barato, pero tiene que
tomarse la precaución de no usarse en ambientes sulfatados. Téngase en cuenta que en
ambientes sulfatados un termopar, al tratarse de la unión de dos metales, es susceptible
al ataque químico de agentes oxidantes, por lo que debe estar debidamente protegido en
cubiertas llamadas termopozos, usadas también para la instalación de RTD's y
termistores. El termopar tipo K aunque más caro, es el más lineal.
En la Tabla 2.7.1 se muestran la aplicabilidad de los distintos tipos de termopares.
Tabla 2.7.1. Aplicabilidad según tipo de termopar
TIPO
B, R y S
APLICABILIDAD
- Pueden ser utilizados en entornos oxidantes, pero no se recomiendan en
atmósferas reducidas (ricas en hidrógeno).
- Presentan buena resistencia a la corrosión.
- Soportan temperaturas muy elevadas.
- Baja sensibilidad, por lo que generan f.e.m.’s pequeñas, sobre todo el tipo B
- Linealidad bastante aceptable.
- El tipo R se utiliza industrialmente, mientras que el S se usa en laboratorios.
- Tienden a descalibrarse.
K
- Pueden utilizarse en entornos oxidantes y se deterioran lentamente en
atmósferas reducidas.
- Excelente linealidad (α varía ±2 o μV/ o C en un rango de 1000 o ).
- Rango de temperatura inferior a los tipos B, R y S pero superior a los J.
J
- Puede utilizarse en atmósferas reducidas.
- Presentan una elevada sensibilidad.
- Bajo tiempo de respuesta.
- Menor linealidad que los tipo K.
N
- Se utilizan en aplicaciones donde el termopar tipo K tiene problemas de
oxidación.
35

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TIPO
APLICABILIDAD
T
- Su característica más destacable es la elevada resistencia a la corrosión por
humedad atmosférica o condensación.
Atendiendo a las características descritas para cada tipo de termopar, para el prototipo
Meduda se han elegido termopares tipo K debido a su excelente linealidad.
En lo que respecta al acondicionamiento, los termopares no están exentos de
desventajas que limitan su uso. En primer lugar, presentan una baja relación señal/ruido
(SNR), siendo por tanto muy susceptibles a sufrir alteraciones por ruido. Esto es una
consecuencia lógica, ya que al tratarse de dos conductores, cuando están instalados
cerca de campos magnéticos fuertes tendrán voltajes inducidos sobre todo cuando su
longitud sea larga. Es por ello que requieren de un acondicionador que incluya filtros
que eliminen los voltajes inducidos de altas frecuencias con un transmisor adecuado
cerca del lugar de medición. Otra de los efectos indeseados es cuando se tienen voltajes
parásitos debido a la unión de los terminales del termopar con otros conductores a
diferente temperatura que la unión caliente o sensora. Este fenómeno se denomina
"efecto de unión fría" y se presenta como una consecuencia de una violación a las leyes
de la temperatura intermedia y del metal intermedio. Una forma de evitar este efecto
indeseado es aprovechar otra de las leyes -la del metal intermedio- para compensar los
voltajes de las uniones en la unión fría [Cooling, 2005].
En el caso de la aplicación objeto del proyecto, todos estos inconvenientes se han
solventado con la adecuada elección del equipo de acondicionamiento. El equipo
elegido incorpora filtros y ganancia programables, y compensación de la unión fría.
2.7.2 Descripción técnica
A continuación se describen las características técnicas de los dos termopares bajo
estudio.
a.- Características del termopar utilizado para la medida de la temperatura del líquido
refrigerante.
Las características técnicas de este termopar se muestran en la Tabla 2.7.2.
Otras características de interés son las siguientes:
• Unión puesta a tierra lo que permite mayores velocidades de respuesta.
• 2m de cable de malla de acero inoxidable
• Se ajusta a diámetros de tubería de entre 13 y 55mm
• Temperatura de funcionamiento de 0°C a +350°C
36

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Tabla 2.7.2. Características técnicas termopar utilizado
Características técnicas
Composición
Temperatura de funcionamiento
en continuo
Lectura puntual máxima
Precisión
- brazo -ve: 95% de Ni y mezcla equilibrada de AL, Si, Mn
- brazo +ve: 90% de Ni, 10% de Cr
de -200°C a +1.100°C
+1.300°C
no especificada entre -200°C y 0°C
de 0°C a +400°C: ± 3°C
de 400°C a 1.100°C: ± 0,75%
no especificada por encima de 1.100°C
2.- Características del termopar utilizado para la medida de la temperatura del aceite.
Las características del termopar flexible son las mismas que las presentadas para el
termopar descrito para medición de temperaturas en conductos (ambos son de tipo K).
Otras características de interés del termopar flexible (véase Tabla 2.7.3) son las
siguientes:
• Termopar de 2m (aprox.) con el conductor aislado mediante fibra de vidrio
impregnada en barniz
• El extremo de la unión se ha soldado para evitar la oxidación
Tabla 2.7.3. Características físicas del termopar utilizado
Características técnicas
Diámetro del hilo
Diámetro total
Temperatura de funcionamiento
1/0,315mm
1,5mm
de -50°C a +400°C
2.7.3 Instalación y ubicación física
Como se ha indicado, el termopar para la medida de temperatura del líquido de
refrigeración se sitúa sobre el manguito del radiador. El termopar para la medida de la
temperatura del aceite se sitúa junto o en sustitución de la varilla de control de nivel.
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En la Figura 2.7.3se muestra la ubicación del termopar para la medida de la temperatura
del aceite, y en la Figura 2.7.4 se hace lo propio con el termopar para la medida de la
temperatura del líquido de refrigeración.
Ubicación termopar
medida temperatura del
aceite
Figura 2.7.3. Ubicación de termopar para medida de temperatura del aceite.
Ubicación termopar
medida temperatura
líquido refrigerante
Figura 2.7.4. Ubicación de termopar para medida de temperatura del líquido refrigerante.
2.8 Sensor de temperatura del habitáculo
Al igual que en el caso de la temperatura del aceite del motor y del líquido del circuito
de refrigeración, es interesante conocer cómo afecta al consumo del vehículo la
activación del sistema de aire acondicionado. Para ello se ha recurrido a un sensor de
temperatura de unión semiconductora. En particular, por las características que presenta
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y que se describen a continuación, se ha elegido el circuito integrado AD590 de Analog
Device.
2.8.1 Descripción funcional
El AD590 es un sensor de temperatura de unión semiconductora de dos terminales que
proporciona una salida en corriente proporcional a la temperatura absoluta (Figura
2.8.1). Dado que proporciona salida en corriente, es muy apropiado para la medida de
temperatura en puntos alejados del sistema de acondicionamiento (medida de
temperatura remota), como es el caso de la aplicación que nos ocupa.
NOTA: El tercer
Terminal no se
conecta por carecer
de funcionalidad.
Figura 2.8.1. Sensor AD590 para medida de temperatura en el habitáculo.
2.8.2 Descripción técnica
El AD590 tiene una sensibilidad de 1 µA/ºC, y entre las características técnicas más
destacables se encuentran las siguientes:
• Insensibilidad a la caída de tensión en las líneas debido a su salida en corriente
de alta impedancia. Como medio de transmisión es suficiente con utilizar un par
de cable trenzado con aislamiento. Con este medio de transmisión se pueden
conseguir distancias de transmisión de hasta cientos de metros.
• Buena exactitud (error absoluto máximo de hasta ±0.5 ºC).
• Rango de temperatura de -55 a +150 ºC.
• Excelente linealidad (±0.3 ºC).
• Amplio margen de tensiones de alimentación: desde 4 a 30 voltios.
• Elevado rechazo a la fuente de alimentación lo que, tal y como se comentó, le
hace especialmente útil en aplicaciones de medida de temperatura remota.
• Requiere un sencillo hardware de acondicionamiento.
• Buen tiempo de respuesta (entorno a 1 segundo)
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2.8.3 Instalación y ubicación física
Para detectar la activación del sistema de aire acondicionado, el sensor se situaría en
cualquiera de las salidas de aire en el habitáculo del vehículo, tal y como se muestra en
la Figura 2.8.2.
Ubicación del sensor de
temperatura AD590
Figura 2.8.2. Ubicación del sensor para detectar la puesta en marcha del sistema de aire
acondicionado del vehículo.
2.9 Potenciómetros
Teniendo en cuenta que las acciones de aceleración y frenado afectan directamente al
consumo de combustible, se hace necesario incorporar al prototipo Medusa algún
dispositivo que las cuantifique. Además, en la medida de lo posible, ha de ser un
sistema de medida fácilmente adaptable a cualquier vehículo, que no requiera una
instalación costosa, y sobre todo que no sea intrusiva. En definitiva, para registrar las
actuaciones del conductor sobre los pedales de freno y aceleración, se ha optado por
sensores de medida de desplazamiento por cable.
Lógicamente existen otras alternativas, como puede ser la utilización de componentes
optoelectrónicos, pero requieren instalaciones mucho más complejas. Con todo, en su
instalación difícilmente puede evitarse el tener que realizar algún tipo de actuación
agresiva sobre el vehículo, fundamentalmente para la fijación del sensor al pedal.
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2.9.1 Descripción funcional
Los sensores de medida de desplazamiento por cable son elementos que relacionan un
movimiento lineal con un movimiento angular. Este movimiento angular es recogido
por un potenciómetro, cuya resistencia varía de forma proporcional al recorrido. Basta
con medir la resistencia para conocer el desplazamiento que se ha producido [Sensing,
2005].
En la Figura 2.9.1puede observarse el aspecto físico de estos sensores.
Figura 2.9.1. Sensor de medida de desplazamiento por cable.
Los sensores disponen de tres partes mecánicas fundamentales, cable, muelle y tambor
(véase Figura 2.9.2).
Cable
Tambor
Figura 2.9.2. Partes de un sensor de medida de desplazamiento por cable.
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• El cable recorre la distancia a medir y es el que actúa directamente sobre el
potenciómetro.
• El muelle se encarga de mantenerlo tenso en el punto de medida.
• Finalmente el cable se recoge de nuevo con gran precisión en el tambor gracias a
la fuerza de retorno que ejerce el muelle.
En lo que respecta al acondicionamiento de señal, hay que indicar que es bastante
sencillo ya que se trata de medir el valor de una resistencia. Para ello se ha montado el
sensor en un puente de Wheatstone con una configuración de semipuente (half bridge)
tal y como se puede observar en la Figura 2.9.3.
V cc
R 1
R potenciómetro -R x
V S
R 4
R x
R x Variación de resistencia debida al desplazamiento
Figura 2.9.3. Puente de acondicionamiento.
Esta configuración tiene la ventaja de que no introduce ningún tipo de alinealidad en la
medida. En definitiva, la salida del puente es una tensión proporcional al
desplazamiento sufrido por el cable del sensor.
2.9.2 Descripción técnica
Se ha elegido el sensor modelo WS31C-500-R1K-L35 de la firma ASM [Asm, 2005]
que presenta las siguientes características técnicas:
• Rango de medida: Desde 50 mm hasta 60.000 mm.
• Linealidad: 0.1 %.
• Salida: Potenciómetro de 1 K.
• Protección: Desde IP50 hasta IP68.
• Temperatura de funcionamiento: Hasta 80 ºC
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En general, se caracteriza por estar constituido por una mecánica de gran precisión y
repetibilidad. Puede utilizarse también en ambientes muy hostiles.
2.9.3 Instalación y ubicación física
Como se ha indicado, la instalación de estos sensores es rápida y sencilla. Se ubicaría
bajo el salpicadero del vehículo, debajo del volante, y el extremo del hilo se fijaría a los
pedales (véase Figura 2.9.4). De esta manera, al actuar sobre los pedales (aceleración o
freno), la longitud del hilo varía, lo que provoca una variación de resistencia.
Ubicación sensores
posición de acelador y
freno
Figura 2.9.4. Ubicación del sensor de medida de desplazamiento por cable.
43

MEDIDOR UNIVERSAL DE PARÁMETROS DEL AUTOMÓVIL “MEDUSA-I”
3 SISTEMAS DE ADQUISICIÓN Y PROCESAMIENTO
Este capítulo se dedica a la descripción de los sistemas de adquisición (rack) y de
procesamiento (PC), que junto al sistema sensorial son los pilares hardware del
prototipo Medusa–I, véase la Figura 1.2.1.
3.1 Descripción del sistema de adquisición
La descripción del sistema de adquisición se ha estructurado de la siguiente manera:
criterios para su elección, características del sistema DEWE-BOOK-USB2-16 y
módulos de acondicionamiento.
3.1.1 Elección del sistema de adquisición de datos
Como se ha comentado en apartados anteriores, para la adquisición de las señales y su
presentación y procesamiento en un ordenador, se emplean sensores con conexión
directa al mismo y otro grupo de sensores los cuales requieren un acondicionamiento y
conversión previos.
El ordenador elegido para la aplicación planteada ha sido un PC portátil y esto
condiciona el sistema de adquisición que se va a utilizar.
Son numerosos los sistemas de adquisición que se pueden conectar a un PC portátil. Se
puede hacer una primera división atendiendo a la conexión con el ordenador: internos y
externos.
Los sistemas de adquisición internos consisten en una tarjeta PCMCIA, de la cual salen
conectores en los que se colocarán las señales provenientes de los sensores. En este tipo
de sistemas se pueden enumerar entre otros los siguientes fabricantes: Measurement
Computing [Measurement, 2005], Keithley [Keithley, 2005], National Instruments
[National, 2005] y SuperLogics [Logics, 2005]. El inconveniente de estas tarjetas es la
fragilidad en la conexión. El hecho de tener elementos móviles en contacto con una
tarjeta de pequeñas dimensiones hace que el sistema no sea muy robusto, incluso la
propia conexión de la tarjeta PCMCIA no es lo suficientemente robusta para
aplicaciones móviles (véase Figura 3.1.1). Estos motivos hacen que se elija un sistema
externo al PC, y se conecte a éste a través de uno de los puertos estándar.
44

MEDIDOR UNIVERSAL DE PARÁMETROS DEL AUTOMÓVIL “MEDUSA-I”
Figura 3.1.1. Tarjeta de adquisición de datos PCMCIA.
De los sistemas de adquisición externos, los más populares actualmente son los que
proporcionan conexión a través de los puertos USB (véase Figura 3.1.2). Este conector
ofrece una robustez suficiente para la aplicación bajo estudio. Otra característica
destacable de este puerto es su velocidad de comunicación, que puede alcanzar, en su
versión 2.0, hasta 480Mbps. Esta tasa de transferencia permite emplear frecuencias de
muestreo lo suficientemente elevadas para poder procesar la información proveniente de
todos los sensores. Como ejemplo, se podrían obtener más de 2 megamuestras por
canal, muestreando 12 canales secuencialmente, lo cual permitiría reconstruir 12 señales
periódicas de un ancho e banda igual o inferior a 1MHz. Dado que las señales que se
van a muestrear, son señales de baja frecuencia (inferiores todas ellas a 10KHz), con la
frecuencia permitida por este puerto se puede realizar un sobremuestreo de todos los
canales para poder realizar una reconstrucción fiable, y así poder realizar su posterior
análisis.
Al igual que para sistemas de adquisición internos, para los externos, con conexión
USB, también existen numerosos fabricantes, pero caben por su variedad e historial los
siguientes: National Instruments [Nacional, 2005], Data Translation [Data, 2005] y
Keithley [Keithley, 2005].
Figura 3.1.2. Sistemas de adquisición de datos con conexión USB.
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MEDIDOR UNIVERSAL DE PARÁMETROS DEL AUTOMÓVIL “MEDUSA-I”
La naturaleza de las señales que se deben adquirir, hace que cada una de ellas requiera
un sensor diferente y, consecuentemente, que la salida que proporcionan sea también
diferente. Esto plantea la necesidad de emplear un circuito de acondicionamiento para
las señales proporcionadas por los sensores.
Por este motivo, se plantea la búsqueda de un sistema de adquisición, externo, pero que
además incluya un bloque de acondicionamiento, el cual debe tener la posibilidad de
gestionar de forma independiente cada canal.
Con estas premisas se encuentran en el mercado sistemas multiplexados, basados en
multímetros (véase Figura 3.1.3), como los suministrados por Keithley [Keithely, 2005]
y Agilent [Agilent, 2005].
Figura 3.1.3. Sistema de adquisición de datos basado en multímetro.
Estos sistemas tienen la característica de proporcionar una alta resolución a costes
medios, pero el mayor inconveniente es que la frecuencia de adquisición que
proporcionan es baja (250 muestras/segundo). Esta velocidad de muestreo es suficiente
para la mayoría de señales, que son de variación lenta (como las medidas de
temperatura), pero si suponemos que se va a adquirir de 12 canales, la velocidad de
toma de muestras por canal se reduce aproximadamente a 20 muestras por segundo, lo
que reduciría la frecuencia máxima muestreable de una señal periódica a 10Hz.
46

MEDIDOR UNIVERSAL DE PARÁMETROS DEL AUTOMÓVIL “MEDUSA-I”
Por todo esto, se considera que la solución óptima es la de un sistema de medida
externo, basado en una tarjeta de adquisición con conexión USB, y un conjunto de
módulos de acondicionamiento.
A continuación se muestran dos ejemplos de estos sistemas, firmados por National
Instruments [National, 2005] (Figura 3.1.4) y Dewetron [Dewetron, 2005] (Figura
3.1.5).
Figura 3.1.4. Sistema de adquisición de National Instruments.
Figura 3.1.5. Sistema de adquisición de Dewetron.
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Ambos sistemas siguen la misma filosofía, son sistemas modulares basados en un rack
robusto, al cual se le pueden añadir módulos de acondicionamiento específico para los
sensores que se vayan a utilizar.
El sistema planteado requiere disponer de 14 entradas para conectar todos los sensores.
Este es uno de los motivos por el que se ha elegido el DEWE-BOOCK de Dewetron. El
equipo equivalente de National Instrument dispone de un máximo de 12 entradas. Por
otra parte, los módulos de acondicionamiento de Dewetron, tienen una mayor
flexibilidad, permitiendo la configuración de filtros y amplificadores en cada entrada.
En cuando a la tarjeta de adquisición, Dewetron emplea, en el sistema elegido, una
tarjeta de National Instrument, con lo cual en ese punto no hay ventajas de uno sobre
otro.
3.1.2 Características del sistema DEWE-BOOK-USB2-16
Se ha elegido este sistema de adquisición por el número de canales disponibles, la
flexibilidad de su arquitectura, que permite conectar diversos tipos de acondicionadores,
y la velocidad de comunicación con el PC.
El DEWE-BOOK-USB2-16 consiste en un rack con 16 ranuras, un backplane (placa de
conexiones), una fuente de alimentación, conectores para su comunicación con el
exterior y una tarjeta de adquisición. A continuación se comentan sus características
más destacables.
Rack
El rack consiste en una caja de aluminio, protegida por perfiles de plástico. Esta
características le confieren una gran rigidez y robustez, ambas características necesarias
cuando se trata de equipos portátiles.
Backplane
El backplane esta formado por una placa con conectores estándar DB9, a los cuales se
conectarán los módulos de acondicionamiento, tal y como se aprecia en la Figura 3.1.6.
Figura 3.1.6. Imagen del backplane.
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El hecho de que emplee conectores DB9, proporciona una gran facilidad de conexión en
el caso de que se desee diseñar un elemento de acondicionamiento propio.
Fuente de alimentación
La fuente de alimentación lleva incorporada una batería, de modo que le confiere una
cierta autonomía, entorno a una hora, dependiendo del uso. Además puede ser
alimentado bien a la red (220v de alterna) o bien a 12V de continua, como la
alimentación del automóvil.
Conectores
El rack dispone de varias conexiones exteriores:
• Conexión de alimentación, a través de la cual se le suministra la energía para su
funcionamiento.
• Conexiones con el PC, en las que se incluyen una conexión USB2.0 para la
configuración de la tarjeta de adquisición y la transferencia de los datos
adquiridos, y una conexión serie RS232 a través de la cual se configuran los
módulos de acondicionamiento y se pueden realizar adquisiciones de baja
frecuencia.
• Conector de monitorización, a través del cual se pueden observar los valores que
toman las salidas de los distintos acondicionadores, para verificar el correcto
funcionamiento.
Tarjeta de adquisición.
La tarjeta de adquisición que incorpora el rack es la NI-DAQPad 6015 de National
Instruments, que posee 16 canales de entrada, una resolución de 16 bits y una velocidad
máxima de adquisición de 200 Kilomuestras/s.
3.1.3 Módulos de acondicionamiento
El sistema de adquisición de datos captura las medidas de los sensores de temperatura,
posición de los pedales, revoluciones del motor y concentración de los gases emitidos,
tal como se muestra en la Figura 3.1.7.
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ENTRADAS DE
TENSIÓN
SLOTS
LIBRES
ACONCICIONADORES
DE PUENTES
ACONDICIONADOR DE
TERMOPARES
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
MOTOR
AGUA
FRENO
A.A.
ACELERADOR
R.P.M.
SENSORES DE GASES
Figura 3.1.7. Esquema de conexión de los sensores a los módulos de acondicionamiento.
Cada tipo de sensor entrega una señal distinta, por lo que requiere de un
acondicionamiento específico. A continuación se describen las características de cada
uno de los módulos de acondicionamiento.
Acondicionador de termopares PAD-TH8-P y PAD-CB8-K-P
Los termopares son los elementos sensores que van a proporcionar una tensión en
función de la temperatura. Las variaciones de temperatura son unas variaciones lentas.
El fabricante de los módulos de acondicionamiento proporciona uno específico de
termopares (véase Figura 3.1.8), el cual, dada la característica de variación lenta de
estas magnitudes, realiza la conversión de hasta 8 termopares y entrega el resultado a
través del puerto serie, de modo que libera dos canales de la tarjeta de adquisición, a la
vez que le evita consumir tiempo para adquirir esos canales.
El hecho de que sean medidas de variación lenta, permite también emplear grandes
resoluciones en la conversión sin grandes costes. El conversor Analógico/Digital que
incluye este módulo tiene una resolución de 24 bits, pero por el contrario la frecuencia
máxima de muestreo es de 6 Hz por canal.
50

MEDIDOR UNIVERSAL DE PARÁMETROS DEL AUTOMÓVIL “MEDUSA-I”
Figura 3.1.8. Acondicionador PAD-TH8-P.
El principio de funcionamiento de los termopares está basado en que generan una
tensión proporcional a la diferencia de temperaturas entre sus extremos. Cuando se
pretende medir la tempera absoluta de un punto, es necesario realizar la compensación
de la que se denomina “unión fría” o unión de referencia. Para ello se emplean otros
sensores de temperatura absolutos, y un circuito de compensación que hace la
temperatura de interés independiente de la temperatura en el otro extremo del termopar.
El dispositivo PAD-CB8-K-P mostrado en la Figura 3.1.9 se conecta al acondicionador
PAD-TH8-P y, además de un conjunto de enchufes para ocho termopares, dispone
internamente de un sensor absoluto de temperatura y de los circuitos necesarios para
realizar la compensación, de forma que la tensión que entrega a su salida es
directamente proporcional a la temperatura de la unión caliente, punto que estará en
contacto con el objeto de la medida.
Figura 3.1.9. Acondicionador PAD-CB8-K-P.
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MEDIDOR UNIVERSAL DE PARÁMETROS DEL AUTOMÓVIL “MEDUSA-I”
Este dispositivo está diseñado para conectar termopares tipo K. La exactitud en la
medida es de ±0,4ºC en el margen de -25ºC a 120ºC, y de ±0,6ºC si se extiende el
margen hasta 400ºC.
Acondicionador de puentes DAQP-BRIDGE-B
Este módulo de acondicionamiento, mostrado en la Figura 3.1.10, está diseñado para
conectar dispositivos que convierten la magnitud a medir en una variación de
resistencia. Este es el caso de la medida de desplazamiento de los pedales acelerador y
freno. El movimiento de los pedales se traduce en el desplazamiento del cursor de un
potenciómetro de cuerda, y consecuentemente en una variación de resistencia.
Figura 3.1.10. Módulo DAQP-BRIDGE-B.
La medida se realiza situando el sensor dentro de un puente de Wheastone, que permite
eliminar el offset existente en situación de reposo.
Este módulo de acondicionamiento dispone internamente de amplificadores y filtros
programables, así como de dos DAC.
El filtro permite fijar una frecuencia de corte, de modo que se pueden eliminar señales
interferentes, como por ejemplo las debidas a las vibraciones producidas por el motor.
Esta frecuencia de corte se puede ajustar entre 10Hz y 100KHz.
Al ajustar la ganancia de los amplificadores se puede adaptar la sensibilidad del puente
al margen de entrada de la tarjeta de adquisición, obteniendo de esa manera una mayor
exactitud en la conversión. Este ajuste de ganancia permite compensar diferencias de
recorrido en los pedales de distintos automóviles. La ganancia es ajustable desde 10 a
10000.
Los dos DACs se emplean, uno para alimentar el puente, y el otro para realizar la puesta
a cero del sistema en la situación de reposo. La alimentación puede variar desde 0,25V
52

MEDIDOR UNIVERSAL DE PARÁMETROS DEL AUTOMÓVIL “MEDUSA-I”
hasta 10V. En cuanto al offset, se pueden realizar ajustes del ±200 % del rango de
entrada.
Entradas de tensión DAQP-V-A
Este módulo de acondicionamiento, véase Figura 3.1.11, está ideado para admitir
entradas de tensión de muy diversos tipos. Está formado por un circuito atenuador, un
amplificador y un filtro programables que, conjuntamente, permiten un margen de
rangos de entrada entre 20mV y 50V.
Figura 3.1.11. Módulo DAQP-V-A.
La señal de entrada puede aplicarse en modo común o diferencial, y permite definir un
acoplamiento de entrada en continua o alterna.
El filtro al igual que el acondicionador anterior, permite eliminar interferencias, y su
frecuencia de corte es configurable entre 10Hz y 300KHz.
Todas estas características le permiten adaptarse a sensores con salida de tensión con
márgenes muy dispares, o que estén sometidos a diferentes excitaciones en distintos
vehículos.
3.2 Descripción del sistema de procesamiento
El prototipo Medusa requiere de un sistema de procesamiento y monitorización con alta
capacidad de cálculo y almacenamiento de datos, además de tamaño, peso y robustez
adecuados para un prototipo experimental que ha de ir embarcado en diferentes tipos de
vehículos. Por estas razones se ha considerado que un ordenador portátil, con las
prestaciones específicas que se detallarán más adelante, resuelve las necesidades
planteadas.
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MEDIDOR UNIVERSAL DE PARÁMETROS DEL AUTOMÓVIL “MEDUSA-I”
El ordenador se ha de encargar de las siguientes tareas:
• Registro sincronizado de la información de los diferentes sensores, con tiempos
de captura adecuada a la dinámica de aquellos, tanto de los que van conectados
directamente a puertos del PC como los que están ligados al sistema de
adquisición. Para ello se ha diseñado una aplicación ad-hoc basada en la
herramienta software LabWindows.
• Procesamiento e integración de la múltiple información recibida para que sea
inteligible al usuario final del prototipo.
• Ejecución de la aplicación diseñada (interfaz gráfica de usuario) para
presentación simultánea de los parámetros asociados al prototipo Medusa, de
forma que se facilite la interpretación de datos cuantitativa y cualitativamente.
• Almacenamiento de toda la información capturada durante el ensayo, a fin de
permitir su análisis pormenorizado off-line.
3.2.1 Características técnicas
Analizadas las necesidades de procesamiento y de comunicación con los dispositivos
sensoriales, incluido el sistema de adquisición, se plantean las características técnicas
mostradas en la Tabla 2.2.1. para el ordenador portátil.
Su elección está basada en los siguientes criterios:
• Velocidad de procesamiento de datos suficiente para lectura de datos,
procesamiento y almacenamiento de los mismos, así como su presentación
simultánea en la pantalla grafica del interfaz de usuario.
• Puertos de comunicación suficientes para integrar todos los dispositivos externos
implicados en el prototipo.
• Capacidad de almacenamiento y grabación suficiente para guardar en soporte
informático toda la información generada durante el ensayo (unidades de disco
duro y DVD).
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Tabla 3.2.1. Características del ordenador portátil
PROPIEDADES PC
VALOR
Tecnología CPU Movil Intel Centrino que incluye Procesador Intel Pentium M 750,
Tarjeta Gíreles Intel PRO 2915ABG yChipset Intel 915PM.
Velocidad de reloj: 1.86 GHz.
Caché de 2º nivel: 2MB.
Memoria Principal
Disco Duro
DVD
2 GB DDR2 RAM
180 GB (2 unidades)
Slim SelectBay DVD super Multi (Dobel Capa)
Pantalla Tamaño: 15”
Tipo: Panel TFT SXGA+
Adaptador Gráfico
Modos de vídeo interno
Modo de vídeo externo
(Max.)
Batería
Interfaces
Comunicaciones sin
cables
Fabricante: NVIDIA.
Tipo: GeForce Go 6600.
Memoria: 128 MB DDR2.
Conexión del bus: PCI Express x16.
Resolución: 1.400x1.050.
Número máximo de colores: 16.7 millones.
Resolución máxima: 2.048x1.536
Máximo número de colores: 16.7 millones.
Máxima frecuencia de refresco: 100 Hz.
Resolución no entrelazada con la máxima frecuencia de refresco:
1.600x1.200.
Tecnología: Litio-lon
Duración más de 3.
1x RJ-11
1x RJ-45
1x Paralelo
1x Serie
1x I-link (IEEE 1394) con 6 pins
3x USB 2.0 (mínimo).
Infrarrojo.
Bluetooth.
Wi-Fi
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En la Figura 3.2.1 se observa la aplicación de cada uno de los puertos de comunicación
del PC a los diferentes dispositivos del prototipo Medusa.
Acelerómetro
Giróscopo
Cámara vídeo
Fire-i digital camera
Sistema
adquisición
Termo
higrómetro
GPS
Starfinder AVL
Libres
Figura 3.2.1. Asignación de puertos del PC a diferentes dispositivos externos.
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4 DESARROLLO SOFTWARE
Las aplicaciones software desarrolladas en el proyecto se pueden dividir en tres partes
claramente diferenciadas: el interfaz gráfico de usuario (GUI), el software de medidas y
la base de datos (Figura 3.2.1).
Señales Sensoriales
Software de
adquisición
Presentación
Interface de usuario
GUI
Base de datos
Figura 3.2.1. Componentes del desarrollo software.
El software de adquisición es el encargado de recoger y procesar las señales adquiridas
por el sistema de adquisición de datos y de los sensores conectados al ordenador a
través de los diferentes puertos (USB, firewire y rs232).
Una vez procesada la información se representa en el GUI y se almacena en la base de
datos. También existe la posibilidad de visualizar en el GUI históricos de adquisiciones
almacenadas en la base de datos.
4.1 Aplicación para captura de datos
Dada la cantidad de información que es necesario adquirir y procesar, y teniendo en
cuenta que el refresco de la pantalla es muy lento, se ha decidido independizar estas dos
tareas utilizando técnicas de programación multihilo (multithreading). En caso de
implementar el código adquisición y presentación de manera secuencial, se corre el
riesgo de colapsar al sistema operativo y perder datos adquiridos.
Se recurre a técnicas de programación multihilo cuando se desea que varias tareas se
ejecuten sin interferir unas en otras, de forma similar a como se ejecutarían en un
sistema multiprocesador en el que se ejecutan tareas en paralelo, en procesadores
diferentes. En definitiva, esta técnica permite de alguna manera emular la ejecución de
los sistemas multiprocesador en sistemas con un único procesador. Cuando se realiza
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programación multihilo, el sistema operativo asigna un “cuanto” de tiempo a cada hilo,
dando la apariencia de que se están ejecutando en paralelo.
En el caso particular de la aplicación que nos ocupa, inicialmente se han programado
dos hilos, además del hilo principal de la aplicación: uno para la tarea de adquisición y
otro para la de presentación de la información en el GUI.
4.2 Interfaz gráfica de usuario
Se ha diseñado un interfaz gráfico de usuario –GUI- muy intuitivo, y por tanto fácil de
manejar para los usuarios de la aplicación. Se ha pretendido que en dicho interfaz se
presente la mayor cantidad de información y de la manera más organizada posible. En la
Figura 4.2.1 se muestra un diagrama de bloques en el que se puede observar la
estructura del GUI diseñado y cómo se organizado la información que se presenta en
cinco grupos:
• ficha técnica del vehículo,
• datos instantáneos,
• registro del históricos,
• calibración y
• visualización de cámara.
La información contenida en cada grupo se muestra en diferentes carpetas dentro de la
ventana de la aplicación (véase Figura 4.2.2).
A continuación se describe la información contenida en cada grupo.
4.2.1 Ficha técnica
En este grupo se recogen fundamentalmente los datos técnicos del vehículo que se va a
monitorizar en cada prueba (Figura 4.2.2),así como los del conductor. La información
introducida se almacena en la base de datos. El proceso de adquisición no puede
comenzar hasta que no se introduzcan la información del vehículo en la base de datos,
ya que es necesario asignar todos los datos de la adquisición a un vehículo concreto. De
esta manera, el usuario no tiene acceso a la pantalla de adquisición hasta que la ficha
técnica se haya validado.
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Inicio
Datos Conductor FICHA TÉCNICA
Datos Vehículo
Recorrido
Parámetros Conducción D. INSTANTÁNEOS Var. Ext Var. Int Emisiones
GPS + GIS Nombre
Datos (Longitud,
Latitud)
Freno
Inclinación
Aceleración x, y
Acelerador
Velocidad
Régimen Motor
Marcha
Temp. Ext.
H.R.
Temp. Aceite
Temp. Agua
Temp. AA
CO2, Co, THC,
NOx, O2, etc
Apellidos
Organismo
Modelo
Motorización
Potencia
Núm. Bastidor
T. Combustible
Matricula
Aceleración 3D
Var. Ext Var. Int REGISTRO Velocidad Régimen motor Emisiones
Rangos / Filtros / etc. CALIBRACIÓN
Sensores
Cámara principal CÁMARA
Cámaras adicionales (opcionales)
Fin
Figura 4.2.1. Estructura de la información contenida en el interfaz gráfico de usuario (GUI).
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Figura 4.2.2. Carpeta correspondiente a la información de la ficha técnica.
4.2.2 Datos instantáneos.
En esta carpeta, tal y como se observa en la Figura 4.2.3, se pueden visualizar los
valores instantáneos proporcionados por todos los sistemas sensoriales, a excepción de
la cámara de vídeo. Los datos visualizados pasan a ser almacenados simultáneamente en
la base de datos.
Figura 4.2.3. Carpeta de datos instantáneos adquiridos durante el ensayo.
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4.2.3 Registro.
En esta carpeta se puede visualizar de forma gráfica tanto la información que se está
adquiriendo en cada momento, como los históricos correspondientes a adquisiciones
anteriores almacenados en la base de datos, véase Figura 4.2.4.
Figura 4.2.4. Carpeta correspondiente a la visualización del histórico de las diferentes
variables.
4.2.4 Calibración.
En esta carpeta se situarán los controles necesarios para la calibración del equipo de
medida diseñado: filtrado, ganancias, rangos, etc. En principio, la calibración se ha de
particularizar para cada vehículo, y forma parte del proceso de las pruebas de campo,
tarea programada para las siguientes fases del proyecto global.
Inicialmente la calibración para las pruebas de laboratorio se ha realizado de forma
manual, ya que en este caso las condiciones de funcionamiento son estables.
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4.2.5 Cámara.
En la carpeta de la Figura 4.2.5 se puede visualizar la información captada por la
cámara de vídeo en tiempo real (el recorrido del vehículo en la versión final del
proyecto), o bien la imagen correspondiente a una secuencia de datos guardada
anteriormente.
Figura 4.2.5. Carpeta correspondiente a la visualización de la cámara.
Para la programación e integración del video en el software es necesario utilizar el
driver NI-IMAQ 1394 proporcionado por National Instruments. La compañía Unibrain,
fabricante de las cámaras elegidas, garantiza la compatibilidad con dichos drivers y
software de captura e integración del video en la aplicación final.
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5 CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS.
Este capítulo resume los resultados alcanzados en función de los objetivos planteados
para el proyecto, establece las conclusiones del mismo y plantea los trabajos futuros
para conseguir la versión definitiva homologada y ensayada en tráfico real del Medidor
Universal de Parámetros del Automóvil.
5.1 Resumen de objetivos y resultados
En este proyecto, que constituye la primera fase del proyecto MEDUSA, se ha diseñado
la estructura hardware y software que ha de tener el prototipo básico para evaluar la
contribución a la contaminación medioambiental del comportamiento integrado de
vehículo, recorrido y actitud del conductor en condiciones de tráfico real.
Establecidos los condicionantes técnicos de la aplicación, para conseguir la arquitectura
hardware del prototipo Medusa se ha procurado recurrir a dispositivos y subsistemas
electrónicos disponibles en el mercado, a fin de garantizar futuros suministros y acotar
los tiempos de desarrollo previstos.
En definitiva, se han cubierto con éxito las fases de:
• definición, caracterización, estudio comparativo, ensayo y propuesta de
ubicación de los diferentes elementos sensoriales,
• definición y diseño de los interfaces (hardware y software) necesarios para la
adquisición de datos, teniendo en cuenta para su dimensionamiento las
necesidades del grupo de trabajo centrado en el análisis de emisiones
contaminantes,
• evaluación de los requisitos de procesamiento de señales y diseño del interfaz
gráfico de usuario para facilitar la rápida interpretación de las mismas
Todo ello con resultados experimentales en pruebas independientes en laboratorio
(véase Figura 5.1.1) que, aun siendo válidas para determinar su idoneidad, constituyen
un primer paso hacia el objetivo final del proyecto MEDUSA. Evidentemente, la
validación final de todas estas pruebas y la integración de todos los subsistemas que
integran el prototipo se deben realizar sobre un vehículo comercial dedicado al
proyecto.
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Figura 5.1.1. Fotografías del banco de prueba en laboratorio utilizado para el proyecto.
Para dejar constancia del cumplimiento de los objetivos planteados en el proyecto, a
modo de resumen en la Tabla 5.1.1 se relacionan las diferentes tareas contempladas en
el proyecto, el grado de ejecución de las mismas y algunos comentarios, si procede, al
respecto de cada una de ellas.
En cuanto a la coordinación con el Grupo de Motores Térmicos de la ETSII (UPM),
cabe decir que se han realizado dos reuniones (una en cada Escuela), amén del contacto
continuo para resolver cuestiones relativas a la interacción entre sistemas y plantear
alternativas a algunos de los sensores utilizados en MEDUSA-I.
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Tabla 5.1.1. Descripción de las tareas contempladas en el proyecto MEDUSA-I, % de ejecución de cada una de ellas y comentarios
Tareas Descripción % Ejecución Comentarios o incidencias
Tarea 1.1
Definición, en coordinación con el grupo GMT –UPM-, de los parámetros del automóvil
necesarios para la determinación del estado del vehículo y de la actitud del conductor en
condiciones de tráfico real.
100%
Tarea 1.2
Coordinación con el equipo de trabajo GMT para asegurar la compatibilidad de las
propuestas de sensado en un único equipo de procesamiento y monitorización de datos.
100%
Definición del sistema sensorial
Tarea 1.3
Tarea 1.4
Identificación de los diferentes tipos de sensores a utilizar en relación con los parámetros
establecidos.
Definición de las características concretas de cada sensor (rangos de medida de las variables a
monitorizar, precisión requerida en cada caso, alimentación y consumo, peso, tamaño, etc),
teniendo en cuenta que deben ser de fácil, instalación y lo menos intrusitos posible.
Tarea 1.5 Estudio comparativo de las diferentes técnicas de medida para cada variable sensada. 95%
Tarea 1.6
Elección de la técnica de medida para cada variable dependiendo de las especificaciones
planteadas. Búsqueda de posibles distribuidores de los sensores seleccionados y adquisición de
los mismos.
Tarea 1.7 Verificación en el laboratorio de la aplicabilidad de los diferentes sensores. 95%
100%
100%
100%
Se han propuesto soluciones alternativas
para la mayor parte de los sensores
utilizados, en otros casos no procede.
La deducción de la marcha en que circula
el vehículo se realizará mediante cálculo
indirecto a partir de otros sensores.
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Tareas Descripción % Ejecución Comentarios o incidencias
Tarea 2.1
Caracterización de las señales proporcionadas por cada sensor: amplitud, ancho de banda, tipo de
señal (tensión, corriente, frecuencia, etc.). 100%
Caracterización del sistema de adquisición
Tarea 2.2
Tarea 2.3
Tarea 2.4
Tarea 2.5
Tarea 2.6
Tarea 2.7
Tarea 2.8
Estudio de las necesidades de acondicionamiento y alimentación para cada tipo de sensor.
100%
Análisis de las alternativas de comunicación (alámbricas o no) entre sensores y sistema de
adquisición. Elección de la solución más idónea. 100%
Dimensionado del sistema de captación en función del tipo de señal de los sensores,
acondicionamiento previo, y requesitos temporales de adquisición: número y tipo de canales, 100%
frecuencias de adquisición, resolución, filtrado, almacenamiento, alimentación, dimensiones, etc.
Estudio de las diferentes alternativas de adquisición existentes en el mercado acordes a los
requerimientos de la aplicación. 100%
Selección del sistema comercial que cumpla los requisitos de adquisición en función de factores
como: relación Costes/Prestaciones, disponibilidad y distribución, nivel de integración, asistencia
técnica, etc.
100%
Diseño de los sistemas electrónicos auxiliares y complementarios al sistema comercial para el
cumplimiento de los objetivos del proyecto. 100%
Integración de todas las unidades, sensoriales y de adquisición.
Tarea 2.9 Primeras pruebas del prototipo en laboratorio. 100%
90%
Falta completar la integración de las
señales capturadas en el interfaz GUI
no previsto en el proyecto
Tarea 3.1
Documentación del trabajo desarrollado, en formato electrónico impreso, con el índice de
contenidos adjunto. 100%
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5.2 Conclusiones
El grupo de trabajo del Departamento de Electrónica de la Universidad de Alcalá ha
desarrollado y probado las componentes hardware y software de la primera fase del
Medidor Universal de Parámetros del Automóvil.
Una vez definidos los parámetros de interés en colaboración con el grupo GMT de la
UPM, se han establecido los criterios de selección de los correspondientes sensores y se
han elegido los más adecuados para los objetivos del proyecto. A la par, se han
analizado los requisitos de acondicionamiento y captura de variables para dimensionar
convenientemente el sistema de adquisición, incluyendo la futura integración de los
parámetros asociados a la emisión de gases contaminantes.
Para el procesamiento, captura sincronizada, monitorización y registro de parámetros se
han evaluado los requisitos cálculo y puertos de comunicación del ordenador portátil a
integrar en el prototipo electrónico de medida. Ordenador que soporta las aplicaciones
software desarrolladas tanto para el registro del sistema multisensorial como para la
visualización gráfica de parámetros en un formato de fácil interpretación, además del
almacenamiento de información para su posterior análisis off-line.
Cada uno de los sensores ha sido ensayado en laboratorio y comprobando el
seguimiento de la señal capturada hasta su presentación en el interfaz gráfico de usuario.
Además se han propuesto puntos de ubicación recomendable a partir de fotografías de
diversos vehículos actualmente en circulación.
Con todo, tal y como se ha indicado en la Tabla 5.1.1, se ha conseguido un porcentaje
de éxito global próximo al 100%, lo que supone un punto de partida excelente para las
próximas fases del proyecto MEDUSA.
5.3 Trabajos futuros.
A continuación se plantean las tareas inmediatas para seguir avanzando en la
consecución de la versión definitiva del sistema desarrollado en este proyecto.
Las tareas pendientes se pueden agrupar en cinco bloques:
1) Integración de parámetros en el interfaz gráfico de usuario. Continuando con
el trabajo desarrollado en la primera fase del proyecto se necesita conseguir el
registro simultáneo de la múltiple información asociada al prototipo, cada una
con su periodo de muestreo asociado, y el almacenamiento de datos con su
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MEDIDOR UNIVERSAL DE PARÁMETROS DEL AUTOMÓVIL “MEDUSA-I”
correspondiente etiqueta temporal de forma que sea posible la interpretación a
posteriori de los resultados del ensayo. Se ha de incluir aquí la algoritmia
necesaria para deducir la marcha en que circula el conductor a partir de la
información de la velocidad del vehículo y del régimen del motor.
2) Incorporación de los parámetros asociados a la emisión de gases
contaminantes. Para ello el grupo GMT, ha de proporcionar las correspondientes
señales que, aplicadas al sistema de adquisición descrito en el capítulo 3, tengan
su visualización en tiempo real en el interfaz gráfico de usuario mostrado en el
capítulo 4.
3) Homologación del prototipo electrónico. Como todo sistema electrónico
embarcado en un automóvil se ha de asegurar el cumplimiento de la normativa
de Compatibilidad Electromagnética y de Seguridad Eléctrica aplicable a este
tipo de equipamiento.
4) Calibración de sensores y pruebas de campo. Superadas las tres fases
anteriores se está en disposición de abordar las pruebas de campo, para lo que se
necesita contar con un vehículo de referencia a incluir en la dotación de
infraestructura del proyecto. Una vez realizados los primeros ensayos se
establecerá un protocolo tanto de instalación de dispositivos como de calibración
de los mismos.
5) Supervisión remota del ensayo. Validadas las fases anteriores, puede resultar
de gran utilidad la monitorización remota de la pantalla gráfica de usuario desde
un centro de supervisión. De esta manera se puede hacer un seguimiento del
ensayo en tiempo real desde un centro remoto, facilitando no sólo la evaluación
del ensayo si no también su múltiple difusión. Para ello se pueden enlazar,
mediante conexión GPRS/UMTS, dos ordenadores (el del sistema Medusa y el
remoto) mediante un servicio web que permita la interacción entre ellos.
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6 REFERENCIAS
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