Sistema de aquisição de dados de Suspension Travel

Mariana Lage da Costa Sistema de Aquisição de Dados de Suspension Travel junho de 2022 Mariana Lage da Costa Sistema de Aquisição de Dados de Suspension Travel Dissertação de Mestrado Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Trabalho efetuado sob a orientação do Professor Doutor José Mendes Machado junho de 2022 ii DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. Licença concedida aos utilizadores deste trabalho Atribuição CC BY https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ iii AGRADECIMENTOS Gostaria de agradecer a todos os que fizeram parte da realização deste projeto, que contribuíram positivamente de uma forma ou de outra. Sem toda esta ajuda, a realização deste trabalho não teria sido possível. A toda a equipa da The Racing Factory, Por todo o apoio que me deram, todos os ensinamentos e meses de formação, cresci imenso como engenheira e como pessoa ao trabalhar com pessoas tão profissionais. Ao Eng. Adriano Sousa, Por ter estado desde o primeiro dia no projeto comigo até ao fim, por me ter dado o suporte e as ferramentas para que tudo corresse como esperado. Por me ter desafiado e ensinado muito, é um engenheiro como poucos e um exemplo para mim. Ao Prof. Dr. José Machado, o meu orientador, Por ter estado sempre predisposto a ajudar-me e reunir comigo sempre que foi necessário, mesmo quando estava mais sobrecarregado, pelo suporte que deu a este projeto desde o início e pelo conhecimento partilhado. À minha família, O meu maior suporte durante esta caminhada e todas as caminhadas da minha vida. Foram a minha força, estiveram do meu lado a cada passo dado, a cada imprevisto. Passaram horas comigo a criar o sistema na oficina e outro par de horas a analisar comigo a dissertação. Palavras não chegam por toda a gratidão que tenho por vós, Gui, Pai e Mãe. A vós dedico a minha tese. Ao meu amigo Jorge Pinto, aluno de engenharia eletrónica industrial e computadores desta mui nobre academia, Por todas as horas que aturou as minhas perguntas, que reuniu comigo ora por vídeo chamada, ora manhãs inteiras num espaço fechado sempre a trabalhar. Foste um apoio gigante neste projeto, sem ti não teria cumprido com os meus objetivos. iv Aos meus amigos, em especial Rita, Inês, Sofia, Pedrocas, Néo, Didi, Marta, Cate, Pina, Taborda, Xico, Bárbara e Cássia, Por terem sempre puxado por mim, por estarem lá sem pensar duas vezes, por durante estes 5 anos de curso e na fase seguinte da minha vida pós curso terem sido a minha base e quem nunca me falhou. Cresci muito ao vosso lado, esta tese também é para vós e dedicada a vós. v DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho. vi RESUMO A aquisição e análise de dados em competição automóvel revolucionou a forma de condução e otimização dos setups dos carros e do Motorsport, dado que a informação é das ferramentas mais valiosas. [1] Esta fornece aos engenheiros um registo de parâmetros que são importantes para a fiabilidade e desempenho do veículo e dos seus sistemas. [2-3] Na competição automóvel, em particular nos Ralis, a transmissão de dados via rádio e/ou telemetria  interdita [4], o que requer que o engenheiro faça, após a ida do carro à assistência, um download dos dados do Sistema de Aquisição de Dados (DAS), de forma a analisá-los mais tarde. Nas mais conceituadas categorias do Motorsport, tais como Fórmula 1, WRC ou Moto GP, são utilizados Data Acquisition Systems para o Suspension Travel [5], sistemas esses que possibilitam o monotorização das suspensões dos carros. Dado o interesse na área de controlo e análise de dados, em conjunto com a área da competição automóvel, foi analisada e, posteriormente, realizada a possibilidade de desenvolvimento deste tema em cenários de teste. Este projeto consiste numa análise mais aprofundada do sistema de amortecimento e suspensão de um Škoda Fabia Rally 2 Evo e ao seu comportamento, de forma a melhorar a performance dos veículos motorizados no Motorsport, através da recolha e análise de dados desse subsistema. PALAVRAS-CHAVE: Competição Automóvel, Motorsport, Sistema DAS, Škoda Fabia Rally 2 Evo, Suspension Travel System. vii viii ABSTRACT Data acquisition and analysis in racing has revolutionized the way cars are driven and optimized for setups, and in Motorsport information is one of the most valuable tools[1]. It provides engineers with a method of recording parameters that are vital to the reliability and performance of the vehicle and its systems[2-3]. In motor racing, specifically in Rallys, data transmission via radio and/or telemetry is forbidden [4], which requires the engineer to download the data from the Data Acquisition System (DAS) after the car goes to the service park, in order to analyse it later. In the most prestigious motorsport categories, such as Formula 1, WRC or Moto GP, Data Acquisition Systems are used for Suspension Travel Systems [5] that enable the monitoring of the cars' suspensions. Given the interest in the area of control and data analysis, aligned with the area of car competition, the possibility of developing this theme in test scenarios was analysed and then carried out. This project consists of further analysis of the damping and suspension system of a Škoda Fabia Rally 2 Evo, and its behaviour, in order to improve motor vehicle performance in Motorsport by collecting and analysing data from that subsystem. KEYWORDS: Automotive Competition, DAS System, Motorsport, Škoda Fabia Rally 2 Evo, Suspension Travel System. xv ÍNDICE DE TABELAS Tabela 1 - Planificação atualizada real em formato Diagrama de Gantt ................................. 10 Tabela 2 - Listagem de todas as molas de suspensão disponíveis no Manual online (exclusivo para equipas parceiras de Rali) da Škoda Motorsport ............................................................. 27 Tabela 3 - Os amortecedores utilizados para o Kit de Terra como para o Kit de Asfalto ........ 29 Tabela 4 - Designações dos componentes por cores, de acordo com a imagem ao lado. ...... 42 Tabela 5 - Análise SWOT do projeto......................................................................................... 73 xvi LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E ACRÓNIMOS ASIC Application Specific Integrated Circuit DAS Data Acquisition Systems DPA Driver Performance Analysis DVP Determining Vehicle Parameters HSC High Speed Compression HSR High Speed Rebound IDE Integrated Development Environment LSC Low Speed Compression LSR Low Speed Rebound PCB Printed Circuit Board PDS Progressive Damper System PEC Prova Especial de Classificação RL Running Logs RS Reliability and Safety SPI Serial Peripheral Interface STS Suspension Travel System SWOT Strengths, Weaknesses, Opportunities, Threats TRF The Racing Factory VD Vehicle Development VPA Vehicle Performance Analysis DEI Departamento de Eletrónica Industrial PCBA Printed Circuit Board Assembly xvii PCB Printed Circuit Board 1 1. INTRODUÇÃO Este projeto surge no âmbito do Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica da Universidade do Minho e está inserido na aquisição e tratamento de dados para competição automóvel. Esta dissertação foi realizada em âmbito empresarial na empresa The Racing Factory e consiste numa análise mais aprofundada do sistema de amortecimento e suspensão de um Škoda Fabia Rally 2 Evo. Neste capítulo descreve-se o enquadramento, a motivação, a empresa, o objetivo e a organização desta dissertação. 1.1 Enquadramento e Motivação Como já dizia Jörge Segers, engenheiro de Motorsport conceituado mundialmente, “(…) Uma forma comprovada dos atletas terem sucesso em qualquer modalidade desportiva é registarem o seu desempenho, analisarem os acontecimentos e retirarem conclusões do fator que influencia esse mesmo desempenho. (…) Medem algo, aprendem com essa informação retirada e tentam usá-la a seu favor numa próxima vez. (…)”, a aquisição e análise de dados em competição automóvel revolucionou a forma de condução e otimização dos setups dos carros. Atualmente, o acesso a esta tecnologia de ponta é cada vez mais eficiente, sendo necessária para todas as equipas envolvidas no desporto automóvel. Esta fornece aos engenheiros um de registo de parâmetros que são vitais para o desempenho do veículo e dos sistemas que o compõe. Na competição automóvel, mais propriamente em Rally, a transmissão de dados via rádio e/ou telemetria  interdita, o que requer que o engenheiro execute, após a ida do carro à assistência ou até mesmo num teste, um download dos dados registados e guardados no sistema de aquisição de dados (DAS) existente no veículo, de forma a analisá-los mais tarde num computador e interpretar os mesmos com o piloto. Nas mais conceituadas competições no Motorsport, tais como Fórmula 1, World Rally Championship (WRC) ou Moto GP, são utilizados Sistemas de Aquisição de Dados de Suspension Travel, sistemas esses que possibilitam a análise e o controlo em tempo real do sistema de amortecimento e suspensão dos carros. No entanto, esse género de sistemas não está acessível ao público devido às políticas de privacidade e contratos de exclusividade 2 criados com as marcas dos automóveis de competição, além da dificuldade em gerar novos canais nas centralinas de origem. Dado o interesse na área de controlo e análise de dados, em conjunto com a área de race engineering, em especial esta última por ser bastante vasta onde há espaço para inovar à medida que a tecnologia evolui, foi analisada a possibilidade de desenvolvimento deste tema, bem como a monitorização do mesmo em cenários de teste de Rally. Quantos mais dados for possível obter acerca de um automóvel, melhor será a leitura/ compreensão que se obtém acerca do mesmo, como é que se comporta nas mais variadas situações. Como estes são veículos que estão a ser constantemente colocados em situações extremas, é crucial avaliar todos os parâmetros que poderão comprometer tanto o carro como o seu desempenho. Um destes parâmetros é o Suspension Travel System (STS). Este influencia diretamente o contacto entre o conjunto chassi-roda-piso, mais concretamente o comportamento, segurança, estabilidade e eficiência do carro. Todos estes parâmetros dependem do ajuste do curso do amortecedor, sendo que este contribui para que haja um aumento ou diminuição da carga da mola no amortecedor. Existem principalmente três problemas causados pela falta ou mau ajuste do curso do amortecedor, sendo esses: A ausência de estabilidade nas curvas, pois o sistema não está a absorver e libertar a energia dos impactos corretamente; A leitura incorreta do solo, uma vez que a suspensão ajuda as rodas a efetuarem a leitura correta do solo e a manter sempre a aderência, o que se não acontecer promoverá saída de estrada ou falta de controlo do carro, podendo a equipa perder segundos valiosos ou até desistir; E o desgaste desnecessário de outros componentes envolvidos no sistema, tais como os discos e calços, e desalinhamento das rodas. A motivação para este projeto baseia-se assim, numa variável tão peculiar e simples que possui um tamanho impacto neste desporto. O objetivo é adquirir dados num curto intervalo de tempo as alturas de curso do amortecedor, o que permitirá, a partir destes valores, obter informações acerca de outros parâmetros. Sabendo os dados das alturas de curso e as informações de diferença de potencial adquiridas por um sensor de movimento angular ligado a um sistema biela-manivela, será possível obter gráficos de posição e curso dos amortecedores, a fim de analisar a sua performance e qual será o melhor ajuste para que, assim, se promovam melhores condições às equipas de Rali nos troços de classificação. 1.2 A Empresa 3 Figura 1 - Logótipo da empresa The Racing Factory A The Racing Factory é uma empresa nascida no ano de 2018, integralmente dedicada ao desporto automóvel e está sedeada em S. Paio de Oleiros, no concelho de Santa Maria da Feira, em Portugal. O seu logótipo está representado na Figura 1. Esta proporciona vários serviços na área de Motorsport, tendo como principais os seguintes: • Preparação e Manutenção Mecânica; • Operações Logísticas; • Engenharia e Desenvolvimento; • Aluguer de Carros de Competição; • Produtos Motorsport; • Serviço de Comunicação e Design. Como está enumerado acima, a empresa disponibiliza veículos de competição para aluguer, dentro dos quais os seguintes apresentados nas figuras seguintes, com as suas respetivas informações (Figura 2, Figura 3, Figura 4, Figura 5, Figura 6). 4 Figura 4 - Škoda Fabia R5 e respetivas informações relevantes. Figura 3 - Škoda Fabia R5/Rally2 EVO e respetivas informações relevantes. Figura 2 - Peugeot 208 Rally 4 e respetivas informações relevantes. 5 Para a The Racing Factory, os principais objetivos passam por proporcionar aos clientes e pilotos um serviço de excelência, completo e adequado às exigências do desporto motorizado dos dias de hoje e serem uma referência nesta área que tanto tem para explorar. Com uma estrutura de recursos humanos forte e coesa e em constante formação e desenvolvimento, possui um grupo de trabalho de quinze elementos que, todos os dias, se empenha para executar e atingir os objetivos dos clientes e estratégias de crescimento delineadas. Cumprindo com os objetivos planeados, marcaram desde logo presença a nível internacional na Peugeot Rally Cup Iberica, e no Campeonato FIA ERC com o desenvolvimento Figura 6 - Peugeot 208 R2 e respetivas informações relevantes. Figura 5 - Maverick X3 e respetivas informações relevantes. 6 da FPAK Portugal ERC Team, equipa representante de Portugal nesse campeonato, conquistando a 3ª posição final entre as seleções europeias. Num curto período, conquistaram vários títulos, entre eles o Campeonato de Portugal de Ralis (2020) e Campeonato da Madeira de Ralis de Coral (2020). Com os olhos postos numa estratégia de crescimento sólido, sustentado e com espírito vencedor, a The Racing Factory pretende estar presente nas mais diversas modalidades como, ralis, todo-o-terreno, velocidade, mas também estar preparada e seguir ativamente as mudanças e desafios que o futuro do desporto automóvel trará. A The Racing Factory está localizada em Santa Maria da Feira, na Rua de Vila Boa, nº165, 4535-457, São Paio de Oleiros. De seguida é possível observar a entrada principal da empresa, ilustrada na Figura 7[6]. 1.3 Objetivos Esta dissertação tem como objetivo global desenvolver um sistema robusto que recolha dados precisos do sistema de amortecimento e suspensão para veículos de competição, sendo que este sistema terá de ser adaptado para ser usado num Škoda Fabia Rally 2 EVO. Numa primeira fase, é necessário estudar e compreender o estado da arte referente aos sistemas de aquisição de dados para suspension travel existentes no mercado, de forma a obter um ponto de partida onde se pode analisar possíveis erros e melhorias. Para que este sistema seja funcional e duradouro, é importante fazer um estudo de necessidades e entraves ao projeto, de forma a obter o resultado esperado. De seguida, é imperativo o desenvolvimento e uma pesquisa aprofundada do sistema de suspensão e de amortecimento Figura 7 - Vista de frente da empresa 7 num contexto prático, de maneira a possibilitar uma melhor compreensão de todos os componentes e realização das modelações de todos os constituintes da STS. É necessário também analisar quais os componentes (microcontroladores, sensores, atuadores, placa, etc.) que são mais indicados e como devem ser colocados no chassi do carro sem comprometer o seu movimento e performance. Numa fase posterior de recolha e tratamento de dados, é essencial considerar qual será o software DAS que realizará uma análise adequada, equacionar as variáveis e expor os resultados para uma compreensão mais intuitiva dos mesmos. Ao nível dos resultados, é expectável um sistema desenvolvido robusto e funcional, que consiga assegurar a integridade do veículo e dos seus componentes, para uma posterior aplicação em automóveis de competição, de forma a que os dados retirados do STS possam ser analisados e apoiar nos Setups, além da busca de melhores tempos finais em prova. 1.4 Organização da Dissertação De forma a alcançar os objetivos propostos desde o início, A dissertação está organizada de uma forma simples, de acordo com a ordem de realização do projeto de tese. No segundo capítulo, referente à Revisão Bibliográfica, é feita uma introdução ao documento, abordando o enquadramento e motivação, os objetivos para o projeto e a empresa onde está a ser realizado o estágio curricular. De seguida, é realizada uma revisão bibliográfica, mais concretamente um estado da arte, dos conteúdos necessários para a compreensão deste trabalho, dentro dos quais o sistema de suspensão e amortecimento do carro em estudo, o sistema DAS, o carro de competição que terá o sistema implementado, uma caraterização dos tipos de troço existentes em rali, as variáveis que influenciarão o projeto o STS mais aprofundadamente e, por fim, as modelações de estudo inicial do mesmo. Este último permite compreender ao pormenor no que consiste este subsistema e executar um levantamento e estudo de todos os elementos envolventes. No capítulo Sistema de Recolha de Dados estão inseridas todas as componentes que constituem o sistema de recolha e tratamento de dados, assim como um mapa de tráfego dos dados para uma melhor compreensão do sistema numa perspetiva global. Será explicado todo 14 As suas localizações e tipologias no conjunto representado também são importantes pois é a partir destas que há transferência de movimento e de forças envolvidas, como podemos observar na Figura 10, onde a tipologia representada é a MacPherson, a estrutura de suspensão automóvel utilizada no Škoda Fabia Rally2 EVO. 2.1.2 Funcionamento Para um veículo rodoviário, o sistema de suspensão isola os ocupantes ou carga dos choques e vibrações induzidos pela superfície da estrada. Este isolamento dos choques e vibrações induzidos também melhora a durabilidade do veículo. Igualmente importante, o sistema de suspensão permite que as rodas mantenham contacto com a estrada, assegurando a estabilidade e o controlo do mesmo. A Figura 11 mostra o conceito básico de um sistema de suspensão em termos de mola e amortecimento (mas neste caso ignora o aspeto da localização da roda). Este esquema é frequentemente utilizado em trabalhos técnicos relacionados com a modelação matemática de sistemas de suspensão e é designado de modelo de quarto de carro, representando assim uma única secção de roda. A figura ilustra a massa suspensa do carro (neste caso, a massa suportada por uma roda - normalmente um quarto da massa total suspensa), apoiada na roda e do conjunto da suspensão (referida como massa não suspensa) que, por sua vez, é suportada acima da superfície da estrada pela mola do pneu pneumático. O pneu atua como um sistema de mola secundária, atuando tanto sobre a massa não suspensa da suspensão e a massa suspensa do veículo carregado. Figura 10 - Tipologia MacPherson 15 Entre as massas suspensas e não suspensas estão localizados os mecanismos de amortecimento, incluindo o amortecedor e o atrito inerente resultante das juntas e dos contactos deslizantes no sistema de suspensão. Uma haste de pistão inserida num cilindro cheio de líquido deslocará uma quantidade de líquido igual ao volume da haste do pistão, a quantidade de líquido é forçada a sair do cilindro e só pode fluir através do sistema de válvula para o reservatório de fluidos, gerando forças de amortecimento. No amortecedor monotubo de gás/hidráulico (sendo esta a tipologia dos amortecedores deste projeto) a parte inferior do corpo de trabalho o cilindro funciona como reservatório com um pistão divisor flutuante, mantendo o volume de gás e o volume de fluido separados um do outro. O amortecedor de gás/hidráulico de tubo simples pode ser equipado com um reservatório externo que absorve a quantidade de fluido deslocado para fora do cilindro, poupando o comprimento da embalagem, o que é importante quando é necessário um amortecimento curto. Conduzindo o fluido através de válvulas e orifícios, são criadas forças de amortecimento. A quantidade de amortecimento é determinada pelo número de orifícios e de válvulas carregadas por mola. Durante o curso de retorno/ descompressão, quando a haste é puxada para fora do cilindro, o fluido pressurizado retido entre o pistão e a guia flui através do sistema de válvula do pistão para a parte inferior do cilindro, enquanto que a quantidade de fluido que foi Figura 11 – Modelo de ¼ de carro de um sistema de suspensão 16 deslocada para fora do cilindro durante o curso de compressão flui de volta para o cilindro, ocupando o lugar disponível da haste do pistão. [8] Atualmente, a maioria (mas não todos) os desenhos de suspensão utilizam molas helicoidais numa grande variedade de formas, tipicamente utilizadas concentricamente com amortecedores telescópicos, frequentemente referido como "coil-over-damper". A flexibilidade dos seus critérios de conceção e a sua capacidade de serem fabricados a um preço relativamente baixo, em grandes quantidades e com características consistentes, trouxeram as molas helicoidais para a vanguarda de design moderno de suspensão. A forma mais comum de suspensão frontal em bobina é a tipologia escora MacPherson. O mesmo apresenta sistemas de suspensão passiva, que representam a maioria dos sistemas em funcionamento nos dias de hoje. O caminho agora está no foco do desenvolvimento de sistemas adaptativos, que consistem em, mediante a resposta do sistema, haver um ajuste automático para as mais diferentes condições. Isto pode ser conseguido de forma passiva ou, cada vez mais, sob controlo informático. Os sistemas semi-ativos utilizam normalmente molas passivas para suportar o peso estático do carro e fornecer suspensão para baixas frequências e grandes deslocamentos, e os atuadores hidráulicos são controlados por computador para fornecer uma suspensão a altas frequências e pequenos deslocamentos. Na modalidade que o carro em estudo está inserido, neste caso em Rally, este sistema semi-ativo não é utilizado uma vez que além de ser impossível a telemetria em prova, os pisos dos troços são bastante irregulares, pelo que as forças e o desgaste em questão são extremas e não compensariam este género de sistemas adaptativos. [9] 2.2 Sistemas DAS Uma das vantagens competitivas mais importantes para uma equipa de carros de corrida é a informação disponível. Quanto mais informação for possível recolher e processar, melhor será a interpretação aquando da tomada de decisão. A aquisição de dados fornece aos engenheiros as informações que, tanto estes como a equipa, necessitam para uma avaliação do desempenho e do estado do veículo. 17 2.2.1 Sistemas DAS Simplificando, um sistema de aquisição de dados de veículos de corrida é uma unidade de memória eletrónica que armazena parâmetros definidos pelo utilizador em função do tempo, enquanto o carro estiver na pista ou troço. Os parâmetros armazenados nos dados podem ser descarregados para um computador onde poderão ser analisados, muitas vezes com pacotes de software incorporados no veículo. Existem diversas categorias para aquisição de dados, dentro dos quais a Vehicle Performance Analysis (VPA), a Driver Performance Analysis (DPA), o Vehicle Development (VD), a Reliability and Safety (RS), os Determining Vehicle Parameters (DVP) e os Running Logs (RL). Embora muitos dos sinais estejam frequentemente inter-relacionados, os dados que o sistema mede podem ser divididos geralmente nas seguintes categorias: As funções importantes do carro, a atividade do piloto e os parâmetros do chassis. Dependendo do orçamento disponível para a aquisição de um sistema assim completo, as possibilidades são quase infinitas. Existem sistemas de aquisição de dados para quase todas as aplicações. A configuração tradicional de aquisição de dados consiste numa unidade de registo adequada, que mede o mais variado número de sinais disponíveis para posterior tratamento a gosto do(a) engenheiro(a) e do(a) piloto. 2.2.2 Elementos Constituintes Tudo o que um data register faz é armazenar números. E mesmo com taxas de amostra modestas, os dados de uma única volta formam uma lista muito vasta de números, pois quanto menor for o intervalo de tempo entre estes, melhor a precisão dos resultados. Devido a isso, é necessária uma ferramenta para auxiliar a visualização desta lista que ajude a compreender facilmente o que está a acontecer com o carro. Numa pista ou troço de corridas, durante uma prova ou sessão de testes, o tempo disponível para analisar os dados do diário de bordo é limitado. O(A) engenheiro(a) de dados deve fornecer respostas claras num tempo muito curto. O software de análise utilizado é um fator importante para fazer face a essa entrave, daí que escolher o pacote de software certo que execute o que é pretendido é essencial. A Figura 12 permite compreender qual o processo efetuado desde que se pretende analisar um certo parâmetro até que os dados são analisados. Um parâmetro físico (por 18 exemplo, pressão, temperatura, velocidade, força) de interesse é capturado por um sensor que transforma a medição num sinal eletrónico proporcional a este parâmetro e compreensível para a unidade de registo de dados. A propriedade mais importante da unidade de registo de dados é que armazena os parâmetros medidos numa memória eletrónica. Um dispositivo de saída (computador) pode comunicar com o dispositivo de registo de dados através de uma ligação externa. Esta ligação é muito frequentemente bidirecional porque a maioria dos sistemas oferece alguns parâmetros a serem configurados pelo utilizador [3]. 2.2.3 Soluções Tecnológicas Existentes/Possíveis Existem softwares mais eficientes e robustos para este tipo de aquisição e tratamento de dados. No entanto, o que é pretendido pela The Racing Factory é não adquirir licenças de software mais caras, criar um sistema simples, mas viável, com um código fácil de programar e que permita sofrer alterações. É também importante referir que as placas Arduíno são bastante acessíveis e intuitivas de usar, o que promoveu a escolha deste equipamento. Existem bastantes softwares para Motorsport no mercado, tais como o MoTeC ou o AiM, ambos semelhantes ao WinTax utilizado nas placas da Marelli, no que toca ao tratamento dos dados, no entanto no caso dos Ralis são exclusivos e impenetráveis sem a devida autorização dos fabricantes, não é possível adicionar canais com mais informação de Figura 12 - Configuração geral de um sistema de aquisição de dados 19 parâmetros, daí ser necessário criar um sistema do zero e independente para o efeito pretendido. Relativamente aos sensores existentes no mercado automóvel para este fim, existe um tipo de sensor que é quase sempre utilizado para retirar dados do Suspension Travel, que são os sensores de posição linear ou potenciómetros lineares. Estes são mais dispendiosos, foram criados para outras funções, mas foram adaptados para serem aplicados nos sistemas de suspensão e amortecimento dos carros de competição. São assim, por sua vez, robustos, precisos e já possuem inserção de canais para este parâmetro nos programas de análise de dados. No caso da Magneti Marelli, existem dois tipos de sensores deste género, próprios da marca, o LP 75-150 J e o LPT 50-150, representados na Figura 13[10]. Potenciómetros lineares como estes existem no mercado e são fáceis de encontrar, o problema encontrado é que, para adquirir tanto o equipamento como a possibilidade de adicionar os canais ao software DAS, é caro e não compensa os milhares de euros que se investe, a não ser que o sensor já venha incorporado no carro aquando da sua aquisição. 2.2.4 Software utilizado Para esta trabalho, foi necessária uma abordagem diferente, visto que não era possível aceder ao software implementado no carro, da Magneti Marelli. Se assim fosse, só bastaria Figura 13 - Potenciómetros lineares LP 75-150 J e LPT 50-150 20 adicionar um canal para recolha e análise de dados e tudo seria mais simples e eficaz, pois todos os dados estariam a ser tratados na mesma data logging unit e poderiam ser estudados em simultâneo para comparar valores de vários parâmetros. Para isso, foi pensado utilizar uma abordagem simples, relativamente robusta para o comando que teria de executar, através de Arduino e Excel. Outros programas foram usados para auxiliar todo o processo e desenvolvimento deste sistema, pelo que serão descritos de seguida. Arduino O Arduino é uma plataforma eletrónica baseada em uc de código aberto baseada em hardware e software fáceis de usar. As placas Arduino são capazes de ler entradas e transformá-las em saídas, ativando um motor, ligando um LED, etc. É possível comandar a placa enviando um conjunto de instruções para o microcontrolador. Para isso, é necessário utilizar a linguagem de programação Arduino, baseada em Wiring, uma plataforma computacional física semelhante, e o Software Arduino (IDE - Integrated Development Environment), baseado ambiente de programação Processing, feito em Java [9]. Numa perspetiva de desenvolver um sistema simples e de fácil acesso para possíveis alterações, foi verificado que a junção do Arduino com o Excel seriam uma opção mais vantajosa do que um programa mais complexo da National Instruments, por exemplo, além de mais dispendioso também devido à necessidade de aquisição de licenças. Para este projeto, o objetivo era desenvolver uma solução que fosse facilmente alterável tanto ao nível da aquisição de dados (componentes mecânicas e eletrónicas) como ao seu tratamento (programação). Em conjunto com a empresa parceira deste projeto ficou então decidido que seriam esses então os dois programas principais que se iria utilizar. Neste projeto, o Arduino servirá para efetuar ordens de comando de certos componentes acessórios (tais como sensor infravermelhos, LEDs, leitor de cartão de memória SD, entre outros) mas, principalmente, para registar os dados retirados dos sensores de posição angular que serão implementados no carro. Microsoft Excel O Microsoft Excel é um programa muito útil e poderoso usado para análise de dados e documentação. É um programa de folha de cálculo, que contém várias colunas e linhas, onde 21 cada interseção de uma coluna e uma linha é uma célula. Cada célula contém um ponto de dados ou uma informação. Organizando as células dessa forma, é possível tornar as mesmas mais fáceis de localizar e obter informações de forma automática. [11] Para este projeto, o Excel tem a função de aceder a um ficheiro de texto, que vai ser gerado através de comandos dados pelo Arduino e que vai conter todos os dados retirados do sensor. Este executa, de forma automática, a passagem desses dados para células do mesmo, que posteriormente e através de uma equação específica, cria a tão esperada curva de comportamento do curso do amortecedor. 2.2.5 Škoda Fabia Rally 2 EVO De maneira a compreender melhor o sistema que será implementado, é importante conhecer o veículo de competição desta época que usufruirá dessa funcionalidade, entender a visão da marca construtora, a ŠKODA Motorsport, as suas respetivas evoluções e, com isto, analisar a importância que uma maior eficiência e melhor uso das novas tecnologias tem em todos os subsistemas de um carro de competição. O objetivo da ŠKODA Motorsport era desenvolver um carro que pudesse melhorar ainda mais as habilidades consideráveis da conceituada primeira versão. O carro anterior conquistou três títulos no World Rally Championship 2 (WRC 2) e centenas de vitórias em Rallys em dezenas de países, tornando-se o carro de Rally de maior sucesso do mundo no grupo Rally2. Esta nova versão está equipada com um motor de 1,6 litros atualizado com mais potência, sistemas de arrefecimento e lubrificação mais eficazes e um sistema eletrónico mais rápido. A caixa de velocidades também foi modificada, aumentando a sua vida útil. Toda a carroçaria foi reforçada e a suspensão agora possui um curso maior para uma maior aderência em condições extremas. Para 2021, o FABIA Rally2 EVO, apresentado na Figura 14, recebeu outro conjunto de atualizações. O pacote inclui uma evolução no motor, bem como um intercooler redesenhado e coletor de escape. Especialmente desenvolvido para superfícies de baixa aderência, a ŠKODA Motorsport homologou um terceiro conjunto de rampas diferenciais. Uma nova configuração de amortecedores ZF oferece ainda melhor tração e estabilidade ao carro em todos os tipos de superfícies. [12] 22 2.3 Tipos de Troço Cada troço em Rally tem especificações próprias e possui demasiadas variáveis diferentes para se conseguir controlar todas as Provas Especiais de Classificação (PECs) a 100%. De uma forma geral, existem dois tipos de troço, os de terra e os de asfalto. Para cada um deste género de troços é necessária toda uma preparação e adaptação prévia dos carros na oficina, preparação essa que passa por aplicar aos veículos os seus respetivos kits de terra/asfalto e realizar o setup consoante o tipo de prova. 2.3.1 Troço de Terra Os troços de terra são normalmente classificados como instáveis de solo, possuem muitos desníveis, abrasivos e buracos, o que irá fazer com que seja necessário preparar o carro para essas condições, focando bastante na proteção dos seus componentes na zona de maior contacto com o solo. Normalmente são utilizadas jantes menores mas mais robustas, pneus com piso de taco para o mesmo efeito, molas de suspensão mais macias para permitir ao carro ter uma maior liberdade no Suspension Travel System (STS) na passagem, adaptação dos amortecedores no seu curso, compressão, rebound, entre outros. Figura 14 - Škoda Fabia Rally2 EVO do Vice Campeão Nacional, Armindo Araújo, onde é implementado o sistema. 23 2.3.2 Troço de Asfalto Por sua vez, os troços de asfalto são troços mais regulares, nivelados, no entanto com mais grip, sendo mais abrasivos. Como não sofrem tantas agressões, não necessitam de tanta proteção ou robustez, nem tanta liberdade de movimento do STS. É mais usual nestes sistemas encontrar-se um kit de molas de suspensão mais rígido, pois as mesmas promovem uma maior estabilidade. São necessárias jantes maiores, no entanto, não se usam pneus tão rugosos. Como foi abordado antes, são necessários discos maiores para este género de troço. Tudo o que envolva amortecedores, setup e outros componentes, também terá de ser adaptado para asfalto e para a PEC em especial, ou seja, não existem só dois tipos de setups, estes são criados e ajustados dependendo do solo que se está a analisar. 2.4 Estudo das Variáveis Para este projeto, existirão duas variáveis principais a ter em conta, sendo estes os dados da diferença de potencial retirados do sensor de posição angular numa determinada posição do curso do amortecedor. A partir desses parâmetros será possível observar o comportamento dos amortecedores do carro, se estes necessitam de eventuais ajustes. 2.4.1 Posicionamento do Sensor e o seu Mecanismo de Barras Para que sejam retiradas informações precisas neste sistema, é necessário um ponto fixo e um ponto movível de fixação, que serão em princípio o charriot e o braço de suspensão, respetivamente. Na Figura 15 é possível observar tanto o charriot da frente como o braço de suspensão da roda direita e o sensor de posição angular no seu posicionamento final escolhido. 30 trabalho, se iria obter mais proveito de todo o conhecimento à disposição se fossem entendidas a fundo todas as componentes do STS. Dessa forma, não se focou o tempo em modelações mais complexas, mas sim em oficina a desmontar e montar os equipamentos minuciosamente. Todas as modelações deste sistema foram realizadas através do software de modelação 3D em SolidWorks. Para esta dissertação foi pensado um desenho 3D para que este servisse de apoio na compreensão de todos os elementos envolvidos nesta dissertação e, o mais importante, visualizar onde seria o local mais apropriado para a colocação do sensor de posição angular. Nas imagens seguintes estão representados todos os elementos que constituem o Suspension Travel System, dentro dos quais fazem parte o charriot (representados só os braços ligados a um extremo lateral do charriot), a manga de eixo, o amortecedor com suspensão montada no mesmo e os braços de direção que suportam da manga de eixo para cima todo o movimento existente neste subconjunto. Primeiramente, é possível observar na Figura 18, uma perspetiva aproximada só do mecanismo adicionado ao sistema, mais propriamente nos braços de suspensão e numa parte do charriot do Škoda. É possível observar o movimento que os braços do sensor realizam quando existe movimento nos braços de suspensão. Figura 18 - Mecanismo sensor-braços em SolidWorks, onde é possível observar o movimento do braço menor ligado diretamente ao sensor. 31 Na Figura 18, é apresentado todo o conjunto em assembly final, com uma manga de eixo, um amortecedor com suspensão e um excerto da carroçaria do carro. Figura 19 - Assembly Final do sistema implementado no Škoda, em SolidWorks. 32 A RETER DESTE CAPÍTULO A base bibliográfica, ou estado da arte, é importante em qualquer projeto, pois visa dar suporte factual a tudo o que se aborda e desenvolve numa fase seguinte. Para isso, é importante entender os componentes constituintes do veículo em estudo, mais propriamente os que estão presentes no STS (Suspension Travel System), de forma a observar quais as necessidades, os desafios e as variáveis antes de criar um sistema de aquisição e tratamento de dados que se interligue corretamente. Como o maior desafio que se tenta combater é o desgaste do sistema, são abordados também os tipos de troço existentes em Rally. Também é necessário realizar uma análise mais aprofundada dos sistemas DAS no geral e dos tipos de sensores existentes ou não no mercado, utilizados para este parâmetro de medição em específico. Para isso, realizar as devidas modelações em 3D permite complementar o projeto e criar uma melhor noção espacial de onde e como se localiza o sistema DAS e de todas as partes envolvidas. 33 3. SISTEMA DE RECOLHA DE DADOS Neste capítulo são efetuados diversos estudos, dentro dos quais o estudo dos sensores utilizados no sistema, a análise de quais os softwares que apoiam, tanto na recolha dos dados como em todo o projeto, uma explicação da escolha e o contributo de todos os componentes posteriormente adicionados, um mapa de tráfego de dados que explica todo o processo desde a leitura à análise e tratamento dos mesmos, entre outros. Também aqui é explicada a fase mais importante deste projeto de tese. É aqui desenvolvido e apresentado o software DAS e o respetivo tratamento dos dados. Para isso são explicadas e desenvolvidas as ligações entre componentes, o respetivo código desenvolvido em Arduino para aquisição dos dados e a ligação do Arduino ao Excel para a leitura e tratamento dos mesmos. 3.1 Componentes Selecionados 3.1.1 Sensores de Posição Angular Para este projeto, pretende-se colocar algum tipo de sensor que recolha algum tipo de dado de cada uma das quatro rodas e que, através desse dado, se possa chegar a um valor da posição do amortecedor. O movimento do curso do amortecedor é linear, o que quer dizer que uma possível abordagem seria colocar um sensor num ponto fixo do chassi e que estivesse ligado a um componente movível que acompanhasse o movimento do amortecedor. Após uma pesquisa e análise dos sensores que já existiam para este efeito e de outros sensores que executassem funções semelhantes, foi colocada a hipótese de se utilizar sensores de posição angular, neste caso potenciómetros (dão-nos uma diferença de potencial) para medir o movimento linear. Os potenciómetros são sensores analógicos utilizados normalmente para medir a rotação angular absoluta ou o movimento linear de um mecanismo. Um potenciómetro é um dispositivo de três terminais (ou mais, neste projeto usaram-se três) que utiliza um contacto móvel a partir de um divisor de resistência variável. Quando os contactos externos são ligados do Arduino a 5V e à Massa e o contacto variável é ligado a uma entrada analógica, a entrada analógica terá uma tensão analógica que varia à medida que o potenciómetro é rodado[16]. 34 Os sensores escolhidos pertenciam a um Renault e serviam para regular a altura da luz dos faróis, no entanto, neste caso, será dada uma nova utilização e propósito a estes sensores da Hella, observados na Figura 21. Na Figura 20 está uma ilustração real do sensor Tipo A implementado no mecanismo. Os sensores de posição angular do tipo CIPOS® (sem contacto, sensores de posição indutiva) são concebidos para muitas aplicações diferentes para medir ângulos de forma precisa e fiável, mesmo em ambientes difíceis. A sua insensibilidade aos campos magnéticos e o seu elevado nível de estabilidade de temperatura em particular são as qualidades características da tecnologia CIPOS®, utilizada em todos os sensores de posição angular. Os ângulos são medidos indutivamente utilizando um método sem contacto e, portanto, resistente ao desgaste. Isto garante um elevado grau de precisão de medição durante toda a Figura 21 - Sensores Hella Tipo A e Tipo B. Figura 20 - Sensor Tipo A posicionado no carro 35 vida útil do sensor. Os sensores redundantes (sensores duplos) são especialmente concebidos para a deteção de falhas, melhorando assim a fiabilidade do sistema no seu conjunto. Abaixo está representado o Sensor do Tipo A, com apenas 4 pinos, dentro dos quais só se utilizarão três, o +5V (Pino 5), o GND (Pino 1) e o Output Signal (Pino 4). Na Figura 22 estão descritas todas as especificações técnicas e o desenho técnico deste sensor fornecidos pela marca, além dos pinos e uma representação gráfica da relação entre a diferença de potencial e do ângulo. Figura 22 - Especificações técnicas do sensor Tipo A 36 Numa fase intermédia do projeto, são usados quatro sensores, dois do Tipo A e dois do Tipo B (Anexo 1), não por uma razão em específico, mas sim porque foram os únicos sensores deste género que se conseguiu adquirir numa sucata e correspondessem aos requisitos, após muita procura. A principal diferença entre estes está focada na capacidade de suportar tensões maiores que 5V (de 9V a 32V) e ter à disposição um número superior de pinos, tendo este dois potenciómetros em paralelo, o que para este projeto nada interfere pois podiam só ser utilizados 4 dos 8 pinos e estes estão preparados para funcionar também a 5V. Numa fase final da dissertação, é analisado que basta efetuar os teste num dos sensores pois todo o processo para um deles corresponde ao mesmo para os restantes. O sensor utilizado é o do Tipo A. Com tempo e como trabalhos futuros, o objetivo é repetir tudo o que será efetuado com o sensor do Tipo A para os restantes sensores. A curva característica do sensor de posição angular repete-se a cada 120°. O sensor não tem, portanto, de ser instalado na posição de montagem apresentada, mas pode ser instalado qualquer ângulo de offset que seja um múltiplo de 120°. Isto não afetará o comportamento do sistema ligado de qualquer forma. A gama de ângulos de medição é de 108°. Se o sinal continua a cair ou a subir até 6°, o sinal de saída permanece no valor limite da gama de medição. Se o sinal exceder estes valores, a secção seguinte da curva característica é aplicada. Os intervalos de medição resultantes e as posições zero são mostrados no gráfico da Figura 22. Os segmentos do círculo mostrados a cinzento na Figura 23 representam os ângulos que não podem ser medidos. Figura 23 - Representação dos ângulos do sensor onde não se consegue medir diferença de potencial. 37 Passando a uma explicação do seu funcionamento, no interior da caixa de poliamida soldada a laser (PA66), a rotação do braço da alavanca é transferida para o rotor e medida por indução. Um ASIC (Application Specific Integrated Circuit) calcula com precisão a posição do rotor. São possíveis várias posições de montagem graças à curva característica de repetição do sinal de saída (que depende da estrutura do sensor que é utilizado), o que aumenta a flexibilidade do mesmo. Na Figura 24 são observados todos os elementos constituintes e o respetivo funcionamento. [17] 3.1.2 Placa Arduino Uno Rev 3 A placa física Arduino Uno, ilustrada na Figura 26, é uma placa microcontrolada baseada no ATmega328P. Possui 14 pinos de entrada/ saída digital (dos quais 6 podem ser usados como saídas PWM), 6 entradas analógicas, um condensador de tensão variável de cerâmica de 16 MHz (CSTCE16M0V53-R0), uma conexão USB, um conector de alimentação, um conector ICSP e um botão de reset. Esta placa contém tudo o que é necessário para dar suporte a um microcontrolador, bastando conectá-lo a um computador com um cabo USB ou ligá-lo com um adaptador AC-DC ou bateria para funcionar. [18] É uma placa versátil, segura e relativamente resistente. As suas restantes especificações estão presentes na Figura 25. Figura 24 - Elementos que constituem o mecanismo do sensor 38 Esta placa Arduino serve como base para controlar a PCB conectada à mesma, que tem conectado a si o sensor de posição angular, através de um código específico criado para comandar todas as funcionalidades do sistema DAS pretendido. Todos os componentes que completam a placa Arduino, tal como o código em questão, estão apresentados de seguida. Figura 26 - Placa Arduino Uno Rev 3 Figura 25 - Especificações Placa Arduino Uno Rev 3 39 3.1.3 Placa PCB e Peças Complementares Placa PCB Durante o planeamento do projeto, observa-se que utilizar só a placa Arduino e uma breadboard é uma opção demasiado frágil, as ligações por cabos não aguentam movimentos mais extremos e não é tão funcional devido à quantidade de componentes. Para isso, encomendou-se uma impressão de uma PCB. PCB ou Placa de Circuito Impresso é o nome tradicional dado a uma placa, que é utilizada para suportar mecanicamente e ligar eletricamente componentes eletrónicos utilizando caminhos condutores, pistas ou traços de sinal gravados a partir de folhas de cobre, laminadas, a um substrato não condutor. Atualmente, as placas de circuitos impressos são utilizadas em praticamente todos os dispositivos eletrónicos, exceto nos mais simples produzidos comercialmente, e permitem processos de montagem totalmente automatizados que não eram possíveis ou práticos nos processos de montagem de circuitos da era anterior. Uma PCB preenchida com componentes eletrónicos é chamada de montagem de circuito impresso (PCA), montagem de placa de circuito impresso ou Printed Circuit Board Assembly (PCBA). [19] Através do laboratório do Departamento de Eletrónica Industrial (DEI) é possível encomendar uma placa Printed Circuit Board (PCB) que liga todos os componentes que se pretende soldar à placa e as suas respetivas ligações, obtendo um protótipo mais organizado, de dimensões menores e mais viável, como a Figura 27 ilustra. Figura 27 - PCB com todos os componentes. 46 Escolhido o ponto fixo, é necessário pensar em como se pode ligar o segundo braço, constituído por um ferro com rosca em espiral com duas rótulas nas extremidades. Escolhese assim um suporte com uma cavidade cilíndrica que abraça o braço e não permite nenhum tipo de movimento além do linear, como se pode observar na Figura 35. De seguida e testando a linearidade do sistema, verifica-se que este mantém o movimento e a robustez pretendidos, resultando na colocação final, disposta na Figura 36. Figura 35 - Suporte com cavidade cilíndrica que suporta o braço maior do mecanismo no braço de suspensão. Figura 36 - Ilustração da representação final do mecanismo no STS. 47 3.3.3 Sensor-Placa Relativamente à ligação do sensor à PCB, este conecta-se através de três pinos principais: o Ground, o VCC (+5V) e o Output Signal, tal como a Figura 37. A shell onde foram inseridos os cabos previamente estendidos (daí as cores da cablagem não serem as originais) vai ser ligada a um dos quatro conectores de três pinos soldados na placa, como ilustra a Figura 38. Figura 37 - Ligações de 3 pinos do sensor. Extremidade que liga ao sensor (esquerda); Extremidade que liga à PCB (direita); Pino 1 – Ground, Pino 4 – Output Signal, Pino 6 – 5V. Figura 38 - Shell com os três cabos ligada à placa. 48 3.3.4 Arduino IDE - Arduino Placa De maneira a fazer uma simulação prévia em Arduino, é utilizada uma ferramenta online da Autodesk, o TinkerCAD. Trata-se de um programa CAD gratuito e intuitivo, que recentemente inseriu uma expansão para incluir circuitos com o Arduino na sua capacidade de conceção. O TinkerCAD Circuits permite criar e programar virtualmente projetos Arduino sem a necessidade de montar um hardware físico[21]. No entanto, como cenário de testes primordiais e para ter certezas do que se quereria colocar ou não na PCB, monta-se também um hardware físico. Na Figura 39 está apresentado o esquema final do projeto em TinkerCAD, o código que resultou desta simulação (explicado no Sub Capítulo 3.4.) serve como base para aprofundar e adicionar código para outros componentes, como o leitor de cartões SD. 3.3.5 Arduino Placa-Excel O código final tem como objetivo comandar a placa Arduino do sistema e a PCB, a respetiva ordem de acontecimentos e possíveis respostas. Este vai registar a informação recolhida dos sensores no cartão micro SD e transportar, por ordem de recolha, para um Excel, Excel esse previamente preparado com equações e fórmulas que tratam e cruzam as informações dos sensores de posição angular com as informações-padrão recolhidas numa Figura 39 - Esquema final do projeto simulado em TinkerCAD. 49 fase anterior. Estas informações-padrão resultam de um processo de iterações onde são recolhidos, de 10 em 10 mm de curso de amortecedor, um valor correspondente de diferença de potencial dada por um sensor, resultando assim numa equação-padrão que permite identificar a que curso corresponde cada diferença de potencial dada nos testes práticos. Nesse seguimento, criado um documento de texto, Figura 41, a mando do código Arduino IDE, este é exportado para o Excel de análise de dados, através da ferramenta do Excel apresentada na Figura 40. O objetivo final é obter um gráfico final de variação de curso do amortecedor por diferença de potencial, aquando inserido o cartão no computador e aberto o Excel. 3.4 Código em Arduino Após efetuado um estudo desta ferramenta e ao código que a compõe, é obtido primeiramente um código base em simulação de TinkerCAD, presente no ANEXO 3, que permite o funcionamento correto do sistema num teste online. A partir desse código são Figura 41 - Documento em formato .txt criado pelo código em Arduino IDE com os dados retirados dos sensores. Figura 40 - Ferramenta do Excel que transporta os dados do ficheiro .txt para o ficheiro criado para back-end em Excel. 50 efetuadas alterações e junções, como por exemplo uma parte de código que ordena ao Arduino para registar os dados no cartão de memória. Esse código que serve como auxílio para obter o código final está presente no ANEXO 2. Poder-se-ia questionar a razão de adicionar um leitor de cartões de memória à PCB, visto que o Arduino possui já memória Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory (EEPROM). Analisando os requisitos que estavam a ser pedidos à placa Arduino, no qual este armazenar dados a cada 10 ms, e efetuando os devidos cálculos, observa-se que este não tem capacidade para armazenar dados de quatro sensores em paralelo, durante um período de 30 minutos em média (este espaço de tempo é uma estimativa pensada para casos extremos). Para corresponder a esses requisitos, são necessários 2 bytes (cada pino com a resolução de 10bits. Cada pino, ao ler 2 bytes são necessários 2*4=8 bytes p/ leitura. A cada segundo, efetuam-se 100 leituras e, num minuto, 6000. Ou seja, em 30 minutos, são lidas 180 mil leituras. Portanto é necessário 180000*8 bytes, que dá um total de 1.44MB. Este valor ultrapassa consideravelmente a capacidade de memória da EEPROM, que corresponde a 1kB, daí a necessidade de adicionar esta componente extra para promover um sistema mais preciso em resultados e flexível na sua utilização. De forma a compreender todas as partes fulcrais do código deste projeto, este está analisado por partes. Numa primeira fase, são apresentadas as bibliotecas, que possuem funções desenvolvidas especificamente para executar tarefas personalizadas. #include <SPI.h> Esta biblioteca permite uma comunicação com os dispositivos Serial Peripheral Interface (SPI), tendo o Arduino como dispositivo controlador. Neste caso esta biblioteca auxilia na comunicação com o cartão SD [22][23]. #include <SD.h> O SD.h permite a leitura e escrita em cartões SD. Quando um cartão de memória SD é ligado à interface SPI da placa Arduino é possível criar ficheiros e ler/escrever nos mesmos[24]. 51 #include <IRremote.h> O IRremote permite receber ou transmitir códigos de controlo remoto por infravermelhos e que o projeto seja controlável por um comando, pelo que neste caso tem de existir devido a haver um sensor infravermelhos no sistema e o seu respetivo comando[25]. #define RECV_PIN 7 #define LED_ON 8 Esta função permite ao programador dar um nome a um valor constante antes do programa ser compilado, sendo definidos como constantes neste caso o sensor infravermelhos e o LED verde[26]. IRrecv irrecv(RECV_PIN); decode_results results; File myFile; Esta parte remete para o IRremote, pois este atua como 2 bibliotecas, uma para enviar e outra para receber. Neste caso vai receber, pois é mais fácil começar pela receção primeiro para depois encontrar o código mais rápido[27]. // previous time for the tasks depending upon time. unsigned long prevTime_T1 = millis(); As unsigned longs são variáveis de tamanhos maiores para armazenamento de números, neste caso o tempo, e armazenam 32 bits (4 bytes), além de não armazenarem números negativos[28]. // time intervals for the tasks long interval_T1 = 10; // read every 10 miliseconds bool running = false; //flag to start reading values Aqui, como está referido no texto auxiliar do código, é o local onde se define o intervalo de tempo que as tarefas devem ser executadas, sendo que, logo de seguida, dá-se permissão para os valores começarem a ser lidos. int sensor0Value;// array with values of the sensor 52 int sensor1Value;// array with values of the sensor int sensor2Value;// array with values of the sensor int sensor3Value;// array with values of the sensor Um array é uma coleção de variáveis que são acedidas com um número de índice. Aqui são inseridos arrays de memória para cada sensor registar os dados que são recolhidos. void setup() { A função void setup é uma função que se cria no início de cada código. Dentro dos parênteses “{“ vai-se encontrar o código que se pretende executar assim que o programa comece a correr[29]. pinMode(LED_ON, OUTPUT); // Open serial communications and wait for port to open: Serial.begin(9600); while (!Serial) { ; // wait for serial port to connect. Needed for native USB port only } A função pinMode() é utilizada para configurar um pino específico para se comportar quer como input quer como output. Diz-se que os pinos configurados como output com a função pinMode() estão num estado de baixa impedância. Isto significa que eles podem fornecer uma quantidade substancial de corrente a outros circuitos. As saídas Atmega podem fornecer fonte até 40 mA para outros dispositivos/circuitos, sendo que isto é corrente suficiente para iluminar um LED[30]. Como se pretende ativar durante todo o processo o LED verde, utiliza-se essa função. Já a função seguinte, a Serial.begin, define a taxa de dados em bits por segundo para uma transmissão de dados em série[31]. Serial.print("Initializing SD card..."); if (!SD.begin(4)) { Serial.println("initialization failed!"); while (1); 53 } Serial.println("initialization done."); Nesta situação, o comando serial.print manda para a porta serie a seguinte frase: “Initializing SD card...” Depois incia o SD card, e caso o tenha conseguido fazer manda para a porta serie “initialization done”. Caso contrário envia “initialization failed!” e não faz mais nada. O while (1); vai “prender” o processador neste momento, este não faz mais nada. O número 4 no SD.Begin representa o pino que está ligado ao chip select. Esta função vai retornar 1 se tiver sucesso, caso contrário retorna 0[32]. // open the file. note that only one file can be open at a time, // so you have to close this one before opening another. myFile = SD.open("test.txt", FILE_WRITE); Neste momento, é efetuado um comando que pede ao Arduino para abrir à vez a cada registo de dados o ficheiro de texto no cartão SD. // if the file opened okay, write to it: if (myFile) { Serial.print("Successfully open."); } else { // if the file didn't open, print an error: Serial.println("error opening test.txt"); } irrecv.enableIRIn(); } Nesta secção, está-se a pedir ao código que abra um ficheiro de texto (.txt) no cartão SD que leia os valores dos sensores, no entanto é necessário verificar se esse ficheiro foi, ou não, aberto, informando o programador através do texto indicativo dentro das funções Serial.print() e Serial.println(). A função irrecv.enableIRIn() começa aqui o processo de receção da informação[33]. void loop() 54 { unsigned long currentTime = millis(); A função void loop() é uma função que executa os comandos que nela são colocados infinitamente, enquanto a placa estiver ligada, permitindo ao programa mudar e responder a essas mudanças[34]. Utilizando a millis() com a função unsigned long, esta imprime na porta de série o número de milissegundos passados desde que a placa Arduino começou a executar o próprio código[35]. if (running){ if (currentTime - prevTime_T1 > interval_T1) { Running é um bit que fica a 1 quando for para começar a recolha dos dados. Assim quando este estiver a 1 e se a condição abaixo for verdadeira irá executar o código dentro das chavetas que servem para recolher os dados. A condição seguinte serve para se saber se já passaram os 10 milissegundos e se nesse caso pode recolher dados novamente. Assim, se a diferença entre o tempo atual menos o tempo da última leitura for igual ou superior a 10 ms, o código vai efetuar uma nova leitura. Após toda a preparação para a leitura dos dados, é nesta parte de código que realmente se começa a efetuar a recolha, a apresentação dos valores no serial monitor e a escrita automática no ficheiro de texto. Como os quatro sensores funcionam da mesma maneira e os dados estão a ser recolhidos em paralelo, a explicação para o código de um é igual para os restantes. De notar que, apesar de se ter optado no final por efetuar o teste com um dos sensores apenas, o código está preparado para a implementação dos quatro. sensor0Value = analogRead(A0); A função AnalogRead() lê o valor de um pino analógico específico. A placa Arduino possui um conversor analógico-digital 10 bits de 6 canais. Isto significa que este irá mapear tensões entre 0 e a tensão operacional (5V neste caso) para valores inteiros entre 0 e 1023. No Arduino UNO, por exemplo, permite uma resolução entre leituras de: 5 volts / 1024 unidades, ou .0049 volts (4.9 mV) por unidade. Serial.print(sensor0Value); 55 Serial.print("//**//"); Nesta situação, é dado o nome de sensor0Value ao sensor analógico 0, que posteriormente receberá uma ordem para ser escrito o valor dado entre 0 e 1023 no serial monitor [36] e que terá à frente desse valor este género de separador "//**//" para espaçar os valores dos quatro sensores. myFile = SD.open("test.txt", FILE_WRITE); // if the file opened okay, write to it: if (myFile) { myFile.print(sensor0Value); myFile.print(";"); // close the file: myFile.close(); } Mais acima, na parte de código do setup(), cria-se um novo ficheiro com o SD.open() chamado "test.txt". Nomeia-se a instância do ficheiro aberto como "myFile". O “FILE_WRITE” que aparece no SD.open() permite o acesso de leitura e escrita ao ficheiro. Se por acaso um ficheiro "test.txt" já estivesse no cartão, esse ficheiro é aberto. Uma vez aberto, utiliza-se o myFile.println() para escrever uma string no cartão de memória. Depois de escrever o valor, ordena-se ao código que feche o ficheiro, com a função myFile.close()[37]. Efetuar este fecho e abertura constantes do ficheiro aumenta consideravelmente o tempo de execução desta tarefa no total, pelo que em trabalhos futuros deste projeto isso será algo a ter em conta e melhorar. Assim, executa-se o mesmo código para os três sensores restantes, apresentado de seguida. ------------------------------------------------------- sensor1Value = analogRead(A1); Serial.print(sensor1Value); Serial.print("//**//"); myFile = SD.open("test.txt", FILE_WRITE); 62 4. TESTES PRÁTICOS E ANÁLISE DE RESULTADOS Neste capítulo são apresentadas todas as fases do desenvolvimento prático deste projeto de dissertação, nomeadamente a montagem do sistema físico, os testes realizados, o processo de construção da dashboard em Excel que permite tecer conclusões acerca do comportamento dos amortecedores, além de uma reflexão acerca da robustez do sistema numa perspetiva geral. De forma a ajudar a tecer conclusões e analisar numa perspetiva geral todo o sistema de recolha de dados, é também apresentada uma análise SWOT. Através desta análise procede-se a um estudo de possíveis melhorias. 4.1 Montagem do Sistema Físico Para a montagem do sistema físico, são necessários alguns testes prévios no que toca a organizar os possíveis espaços livres, de maneira a conseguir colocar todos os equipamentos. São efetuadas várias medições e propostas várias opções, de forma a analisar qual a localização mais vantajosa tanto para as peças em si, como para as ligações elétricas. Este é o subcapítulo que aborda tanto essas questões como também a fase final da análise dos dados recolhidos, nomeadamente a curva padrão diferença de potencial-altura de curso, a Interface final entre os documentos de texto fornecidos pelo Arduino e o tratamento realizado em Excel, de forma a obter as conclusões pretendidas. 4.1.1 Opções de Colocação dos Sensores Opção 1 – Menos Viável - Colocar o sensor do lado exterior ao charriot, entre o chassi e a zona do charriot onde é montado um dos braços de suspensão, como é possível observar na Figura 43. Através do suporte em ferro pensado para o sensor, este apoia-se no parafuso que liga o charriot ao braço. Figura 43 - Primeira opção de colocação do sensor entre as setas azuis. 63 Problemas encontrados: - Sensor não tem espaço para ser montado nessa posição e as ligações nas extremidades ficam comprometidas; - Braços do sensor impedem o movimento da transmissão e da ponteira de direção. Opção 2 – Mais Viável e Escolha Final - Colocar o sensor do lado interior do charriot, como é observável Figura 44. Através do suporte em ferro pensado para o sensor, este apoia-se no parafuso que liga o charriot ao braço de suspensão, como na situação anterior. No entanto está mais protegido e não impede o movimento de outros componentes do veículo em questão. - Após testada essa opção, avalia-se que esta é a correta pois não existem problemas na sua colocação. 4.1.2 Ligações Elétricas Nesta etapa do projeto, após saber que os sensores utilizados necessitam de uma alimentação de 5V e que estes não devem exceder esse valor, é importante analisar se essa opção é ou não viável, uma vez que se não existisse algum cabo com diferença de potencial de 5V seria obrigatório adicionar à PCB um regulador de tensão. É então encontrado um cabo que corresponde às requisições de tensão, no entanto para prevenir é adicionado um fusível na PCB. Inicialmente foi ponderado colocar a cablagem do sensor, que está circundada a vermelho na Figura , pelo orifício onde passa a cablagem do sensor de pressão de óleo dos travões, ilustrado na Figura 45 à esquerda. Como este local aparenta ser mais exposto a Figura 44 - Segunda opção de colocação do sensor entre as setas vermelhas. 64 condições adversas, é encontrada uma opção mais flexível, perto não só da cablagem principal do carro como também de onde se pretende colocar a PCB com a placa Arduino. Como o cabo de 5V encontra-se perto desse local, este fica então definido para a passagem das ligações elétricas, representado na Figura no lado direito, circundado a azul. Figura 45 - Cablagem do sensor. Figura 46 - Esquerda: cablagem ligar através de orifício do sensor de óleo dos travões; Direita: Cablagem ligar pela zona de cablagem principal onde ficam conectadas as principais ligações elétricas. 65 4.1.3 Localização Controlo do Sistema e Acionamento Apesar do local do posicionamento do sistema e acionamento ter sido testado e terem sido analisadas opções para tal, não se viu vantagens em colocar, devido a não ter sido realizado um teste real do sensor em treino de Ralis. Dessa forma, os testes ao STS foram realizados no exterior do carro, estando este suspenso por cavaletes, de maneira a ser mais prático e funcional retirar tanto os dados das iterações, como os dados do sensor, através de uma simulação manual do movimento linear do subconjunto em estudo. Idealmente o sítio mais adequado é dentro do carro, perto da cablagem principal e também das restantes dashboards do mesmo, onde é possível o navegador ativar recolha dos dados antes do início de cada percurso. 4.2 Curva Curso-Diferença de Potencial Ao analisar que o teste efetuado em estrada teria o mesmo efeito ao ser realizado na oficina, é efetuada uma simulação manualmente no STS de forma a obter resultados semelhantes analisáveis em Excel. Os quatro sensores estão projetados para funcionar de forma igual, em paralelo, no código apresentado no capítulo anterior. Tanto as suas ligações como os seus apoios são praticamente iguais, devido à tração do Škoda ser 4x4. Para facilitar todo o processo e obter resultados viáveis o mais breve possível para permitir mais do que um teste, é montado somente um dos sensores na roda dianteira direita. Os dados que são apresentados e analisados de seguida são referentes a esse sensor. Como abordado nos capítulos iniciais, não se optou por obter equações de movimento em modelação 3D, recorrendo a um método que, apesar de ser mais moroso, permitiu obter resultados mais reais para efetuar a relação direta entre a diferença de potencial do sensor com o curso do amortecedor. Para tal, recorreu-se a iterações que possibilitaram retirar uma alta range de pontos que permitissem realizar uma curva de valores. De 10 em 10 milímetros e com o amortecedor comprimido até 30 mm do limite, é iniciada assim a medição dos valores até atingir 400mm de curso, altura de curso essa já definida como situação limite do amortecedor, como ilustrado nas Figura e Figura 45. 66 30mm comprimido, início das iterações 450mm estendido, fim das iterações Figura 47 - Amortecedor com curso quase todo comprimido. Figura 45 - Amortecedor com curso todo estendido. 67 Através de um multímetro, e como representado na Figura , é retirada a diferença de potencial à medida que se desce o Suspension Travel System, chegando à seguinte listagem de valores presentes na Figura 46. Posteriormente, com as ferramentas do Excel é possível obter uma função do gráfico que relaciona estes dois parâmetros, que permitiu posteriormente calcular o valor de curso Figura 49 - Recolha dos dados das diferenças de potencial a cada 10 mm de curso, com a ajuda de um multímetro. Figura 46 - Dados retirados após iterações e respetivo gráfico padrão. 68 do amortecedor correspondente aos valores de diferença de potencial dados pelo sensor em teste. A função desse gráfico é dada por: y = 207,93x - 613,27. É possível denotar um ligeiro desvio na função final, desvio esse provocado pela decrescência de um valor, quando deveria ter um comportamento crescente (4.12V -> 4.13V -> 4.12V). Além dessa situação, repentinamente foi registado outro valor mais dispare do que os anteriores. Poderá eventualmente ter sido um erro de leitura do sensor, uma vez que todos os valores representados foram lidos em teste mais do que cinco vezes, de maneira a não aumentar a margem de erros de caráter aleatório. 4.3 Final DAS Dashboard A placa Arduino Uno Rev3 permite mapear tensões entre 0 e a tensão operacional (5V neste caso) para valores inteiros entre 0 e 1023 unidades. Ou seja, quando se observa no Serial Monitor do Arduino IDE a recolha em tempo real dos dados, não se observam valores diretos entre 0 e 5 V, mas sim valores com uma range de 0 a 1023. Para configurar esses dados é necessário primeiro filtrar os valores do sensor da roda dianteira direita, o A0, que aparece sempre primeiro no ficheiro .txt. Para isso recorre-se a uma seleção de linhas e obtém-se cerca de 800 valores, como é possível observar na Figura . Figura 51Seleção de linhas para obter somente os valores do sensor A0. 69 De seguida, após realizar uma regra de três simples para saber a que valor entre 0 e 1023 corresponde o número retirado do sensor, obtém-se os valores reais de teste das diferenças de potencial, presentes na Figura 47. Após achar os valores reais da diferença de potencial e ao calcular previamente a função da curva de comportamento padrão Diferença de Potencial-Curso do Amortecedor, permite-se assim achar os valores das Alturas de Curso, visíveis na Figura 48. Figura 47 - Regra de 3 simples aplicada a todos os valores do sensor A0. Figura 48 - Valores finais das alturas de curso, através do gráfico padrão achado nas iterações. 70 Por fim, os valores das alturas dadas e o tempo acumulado em milissegundos são selecionados para efetuar o gráfico final, semelhante a um sistema de aquisição de dados habitual, observável na Figura 49. De maneira a ser mais percetível para o(a) engenheiro(a) observar e comparar os resultados em situações mais pontuais, adiciona-se também um gráfico de dispersão por pontos, como é ilustrado na Figura 50. Figura 49 - Gráfico final que apresenta o curso do amortecedor num determinado espaço de tempo. Figura 50 - Gráfico de dispersão por pontos do comportamento do curso do amortecedor num determinado espaço de tempo. 71 4.4 Análise dos Resultados dos Dados Partindo destes valores e de todas as variáveis dispostas, é possível calcular toda uma range de valores distintos, como velocidades, acelerações pontuais, entre outros. É denotável que, em certos instantes do teste, alguns dos valores obtidos deram negativo e não permitiram obter um gráfico final conciso e de fácil análise. Crê-se que esses valores resultaram de uma má leitura dos sensores nos testes, o que se terá de analisar em trabalhos futuros. Sabe-se através da curva Curso-Diferença de Potencial (𝑐𝑢𝑟𝑠𝑜 = 𝑓(𝑣)), que os valores mínimos atingidos eram de 3,12V para 30 mm de curso, além de que os valores máximos atingidos foram 4,82V para 400 mm de curso. Aos valores de curso de amortecedor correspondem números que não se encontram dentro do intervalo de diferença de potencial, pelo que ou existiu uma falha pontual na leitura dos sensores, ou nos momentos onde existiram movimentos extremos e mais imediatos, estes atingiram de tal forma os limitadores do suporte dos sensores que fizeram registar movimentos ainda mais extremos do que os previamente calculados. Isto significa que estes dados negativos não são relevantes nem apresentam valores válidos, pois numa situação real os amortecedores não se desviam da curva Curso-Diferença de Potencial previamente calculada. Também existe outro pormenor que terá de ser melhorado numa fase posterior deste trabalho, que é o tempo da recolha dos dados. No teste realizado ao sistema, o tempo em média decorrido para retirar estes dados foi perto de 30-40 segundos. No entanto, como se pode observar na Figura 49, esta indica que todo o teste teve uma duração de 9,6 segundos. Isto deve-se aos tempos para executar cada tarefa do Arduino. Admite-se que, idealmente e se o código cumprisse com os 10 ms de download total dado a dado (com as tarefas incluídas), o intervalo de tempo seria maior e a quantidade de dados também. Cumpre-se assim o objetivo final deste trabalho, obtendo no Front-end um gráfico que, ao longo de um certo espaço de tempo, efetua uma leitura das diferentes alturas de curso do amortecedor. 78 REFERÊNCIAS VI : [1] SANTOS, Rodrigo, “DATA ACQUISITION: 6 REASONS TO USE AND THE FUNDAMENTALS YOU MUST KNOW”, Available: https://racingcardynamics.com/dataacquisition-fundamentals/ (accessed Dec. 03, 2020). VI : [2] SMITH, Josh, FUNDAMENTALS OF MOTORSPORT ENGINEERING, Oxford University Press, 2013. 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