Escola de Engenharia Mauá Pós-Graduação – Engenharia Automotiva – T6

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MEGA TRENDS - SELF DRIVING CAR

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Adilson LiboneAnderson Leite

Taís de Paula Moura Valdecir Nakao

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Eletrônica Embarcada

Prof. Wanderlei Marinho

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São Caetano do Sul – Março/2014

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Sensores Automotivos

1. Sensores de movimento (Tipo encoders)

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2. Sensores de orientação (Bussola eletrônica e inclinômetro)

Uma bússola giroscópica é essencialmente um giroscópio, uma roda que gira montada em

balancins de modo que o eixo da roda é livre para se orientar para qualquer lado. Quando ele

é girado a alta velocidade seu eixo se mantém apontado para um pólo celeste devido à lei da

conservação do momento angular, da mesma forma que uma roda normalmente mantém sua

orientação original em relação a um ponto fixo no espaço sideral (e não a um ponto fixo na

Terra). Enquanto a Terra gira, um observador estacionário na superfície vai ver que o eixo do

giroscópio derá uma volta completa sobre si mesmo a cada 24 horas. Mas tais giroscópios não

podem ser normalmente utilizados para navegação marítima. O ingrediente crucial que deve

ser adicionado para que o giroscópio possa apontar para o norte verdadeiro é um mecanismo

que aplica um torque sempre que o eixo da bússola não está apontado para o norte.

!- Função básica do inclinômetro

Um inclinômetro é um dispositivo utilizado para medir a inclinação de um ângulo. Ele

também é chamado de um “tilt sensor”. O dispositivo pode ser usado para medir um ângulo

para um ponto, tal como uma estrela, ou controlar a mudança de um objeto, como um edifício.

Inclinometers podem ser usados para ambas medições de ângulo vertical e horizontal, e

dispositivos concebidos para utilização fácil em qualquer orientação estão disponíveis.

Diferentes tecnologias podem ser usadas dentro de um inclinômetro. Estes incluem eletrônica,

gás, desenhos e modelos de pêndulo.

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3. Sensores inrciais (Giroscopo e acelerometro)

!- Acelerômetro de material piezoelétrico

Esse tipo de material tem uma propriedade bastante conveniente: quando comprimido, gera

uma voltagem elétrica. Quanto maior a compressão, maior a voltagem gerada. Essa

característica pode ser usada para medir uma aceleração.

Uma caixa metálica contém uma massa, também metálica, colocada sobre uma lâmina do

material piezoelétrico. Esta, por sua vez, está fixada ao fundo da caixa.

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Se a caixa estiver em repouso, o material piezoelétrico suporta o peso da massa e sofre uma

compressão que resulta em uma voltagem nos terminais vistos à direita (+ e -). Essa voltagem

pode ser medida com um milivoltímetro.

Se a caixa for acelerada para cima, como mostra a figura, a compressão do material

piezoelétrico aumenta e a voltagem de saída se eleva proporcionalmente à aceleração. Se a

aceleração for para baixo, a compressão do material é aliviada e a voltagem de saída é

diminuída. Desse modo, obtém-se uma voltagem nos terminais que deve ser proporcional à

aceleração da caixa.

!4. Sensores a distancia (Ultra-som, infravermelho e Laser)

Com o avanço tecnológico do seguimento

automobilístico, diversos dispositivos são criados

diariamente visando unicamente à segurança dos

motoristas. Os sensores de ré ou de estacionamento

estão cada vez mais presentes nos veículos automotores,

uma vez que seu uso auxilia em uma das tarefas mais

complexas do ato de dirigir: o estacionamento.

Os sensores de ré são acessórios aplicados aos para-choques dos veículos, funcionando como

dispositivos de ultrassonografia. Diversas informações são enviadas aos pequenos receptores

que repassam a exata distância entre o veículo e os possíveis obstáculos. O sensor emite uma

frequência sonora não audível pelo ouvido humano, onde o sinal emitido reflete no obstáculo

próximo ao veículo. Ao debater no obstáculo o sinal volta rapidamente ao receptor que

informa a localização exata do obstáculo.

Para auxiliar estes momentos dificultosos os sensores de estacionamento contam com avisos

sonoros audíveis, que separados por tons de proximidade, informam o quão próximo o

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veículo esta do seu obstáculo. Pode-se dizer que na medida da aproximação o som vai ficando

mais intenso, facilitando assim a percepção de proximidade aos obstáculos.

Ainda existem pessoas que não utilizam o acessório, pois acreditam que o bom e velho

método de se estacionar um carro vem com a prática adquirida ao longo dos tempos de

direção. Pensamentos a parte, inúmeros são os benefícios de quem utiliza um sensor de

estacionamento. Um exemplo a ser exposto é o famoso caso dos pontos cegos de uma

garagem, nunca que os olhos humanos evitariam este tipo de colisão pois mesmo com o uso

dos retrovisores esses pontos dificilmente são vistos.

- Infravermelho

O "sensor de movimento" na maioria das lâmpadas automáticas (e sistemas de segurança)

é um sistema passivo que detecta energia infravermelha. Esses sensores são conhecidos como

detectores PIR (infravermelho passivo) ou sensores piroelétricos. Para fabricar um sensor que

possa detectar uma pessoa, é necessário fazer com que o sensor seja sensível à temperatura do

corpo humano. Pessoas, que têm a temperatura da pele ao redor de 34°C, irradiam energia

infravermelha com comprimento de onda entre 9 e 10 micrômetros. Portanto, os sensores são

normalmente sensíveis na faixa dos 8 a 12 micrômetros.

Os dispositivos são simples componentes eletrônicos simples como um fotosensor. A luz

infravermelha joga elétrons em um substrato e esses elétrons podem ser detectados e

amplificados em um sinal.

Você provavelmente deve ter notado que a luz é sensível ao movimento, mas não a uma

pessoa que fica parada. Isso acontece porque o pacote eletrônico preso ao sensor fica

aguardando uma mudança rápida na quantidade de energia infravermelha que está

enxergando. Quando uma pessoa caminha perto do sensor, a quantidade de energia

infravermelha no campo de visão muda rapidamente e é facilmente detectada. Você não quer

que o sensor detecte alterações pequenas, como a calçada esfriando à noite.

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O sensor de movimento da lâmpada automática possui um amplo campo de visão devido à

lente que cobre o sensor. A energia infravermelha é uma forma de luz, portanto você pode

focalizá-la e flexioná-la com lentes de plástico. Mas não é como se existissem sensores com

feixe 2-D. Existe um único sensor no interior buscando alterações na energia infravermelha.

Se você tem um alarme antifurto com sensores de movimento, deve ter notado que estes

sensores não podem "vê-lo" quando você está do lado de fora olhando através da janela. Isso

acontece porque o vidro não é muito transparente para a energia infravermelha. A propósito,

esse é o fundamento da estufa. A luz passa

através do vidro da estufa e aquece tudo o

que está dentro dela. Faz sentido que um

detector de movimento, sensível à energia

infravermelha, não possa "ver" através das

janelas de vidro.

-Raio Laser

O raio laser é formado

por partículas de luz

(fótons) concentradas

e emitidas em forma

de um feixe contínuo.

Para fazer isso, é

preciso estimular os átomos de algum material a emitir fótons. Essa luz é canalizada com a

ajuda de espelhos para formar um feixe. A tecnologia foi criada em 1960 por Theodore

Maiman. Na ocasião, o físico americano estimulou átomos de rubi a emitir luz concentrada.

Desde então, o laser evoluiu e atualmente é empregado em aparelhos caseiros, cirúrgicos,

industriais, militares e espaciais – raios laser já foram usados até para medir a distância entre

a Terra e a Lua. Embora seja possível criar armas para cegar inimigos e para interceptar

mísseis (aquecendo-os até explodirem), pistolas que disparam laser, como a ilustrada abaixo,

não devem deixar de ser ficção científica tão cedo.

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Tecnologias Empregadas pelas Empresas

Existem várias montadoras como a Mercedes-Benz, a Nissan, a Audi, a Volvo, a BMW, a Fiat,

empresas trabalhando para colocar seus carros autônomos nas concessionárias até 2020,

várias tecnologias estão sendo utilizadas por estas montadoras, cada uma com suas

particularidades, se utilizando câmeras, sensores, radares, atuadores entre outros.

- Google e Continental

A ficcção científica está mais próxima da realidade com os carros que dirigem sozinhos. O

Google trabalha no “Google Self-Driving Car” e, em seus testes com um protótipo pelos

Estados Unidos, já rodou mais de 225 mil km sem auxílio de um motorista, ganhando até

licença para rodar em alguns estados.

!O “motorista eletrônico” do Google custa hoje cerca de R$ 200 mil e conta com um sensor

laser para posicionar o carro de acordo com a base de mapas do Google; câmera de vídeo que

identifica outros carros, faixas de rolamento e sinalizações; radares, que detectam obstáculos

no caminho (há três antenas na frente e uma atrás); sensor inercial, com acelerômetros e

giroscópios determinam a velocidade e a direção do veículo; estimulador de posição que,

ligado ao eixo, mede pequenos movimentos para aumentar a precisão dos demais sistemas.

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Tecnologia carro autônomo do Google é totalmente independente, não necessitando de uma

conexão com a Internet, mas Continental empresa parceira acredita que um link para o back-

end serviços será essencial e provavelmente fornecido com 4G LTE tecnologia de rede sem

fio.

O LTE será um grande avanço para isso, a empresa também acredita na V2V e comunicação

V2I - ligações sem fio para veículo-para-veículo e veículo-para-infra-estrutura de

transferência de dados. Para as decisões reais de navegação, a Continental contará com

integração com a tecnologia dos outros, por exemplo, do TomTom, que a montadora escolhe.

Mas, para uma outra parte crítica do sistema, o interface entre o sistema de condução

automático e o condutor humano, a empresa está trabalhando por conta própria tecnologia,

por exemplo, ele tem um heads-up display (HUD) interface que pode destacar no pára-brisa

quando o carro da frente está a abrandar.

Esta ilustração mostra um mock-up de como heads-up display da Continental (HUD) pode sobrepor um alerta com vista do mundo real do condutor da estrada.

Com um automatizado auxiliar do carro, um motorista deve receber um alerta, por exemplo,

quando o sistema detecta um carro na frente e o sistema gostaria de assumir, é muito

importante que o motorista sabe o que o sistema está fazendo.

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- Fiat / Carina

!Projeto iniciado pela Universidade de São Carlos – USP em parceria com a empresa de

automóveis Fiat, na qual se batizou o projeto chamado Carina. O projeto Carina tem como

base um Fiat Palio Weekend Adventure, com transmissão automatizada Dualogic.

O projeto Carina tem como objetivo o desenvolvimento de um veículo autônomo inteligente,

capaz de navegar em ambientes urbanos sem a necessidade de um condutor humano. Os

benefícios proporcionados por esta tecnologia destacam-se a diminuição do número de

acidentes em ruas e rodovias e o aumento da eficiência do trânsito em geral.

O projeto também prevê o desenvolvimento de auxílio ao motorista, que o alerte em casos de

situações de risco e assuma, automaticamente o controle do veículo. Uma das principais

características do projeto é a utilização de software livre e de componentes de relativo baixo

custo na automação.

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No veículo foram instalados dois computadores conectados em redes, sensores do GPS

(laranja) e de medição inercial (IMU), eles são usados para a localização de obstáculos e

tomada de decisão, câmeras esféricas que capta imagens a 360° (vermelho) e sensor a laser

(cinza) também a 360° e embaixo dele mesmo uma câmera estério para medir a distância dos

obstáculos, no para-choque dianteiro, outro sensor a lazer (dourado), que também detecta

objetos.

O Sistema Carina também inclui os controles computacionais de esterçamento, aceleração e

freio, possibilitando o total comando dessas funções por meio do computador. O sistema de

acoplamento magnético, também acionado pelo computador, permite que o veículo seja

conduzido pelo motorista ou pelo sistema inteligente embarcado.

O software do Carina é distribuído entre os dois computadores embarcados, ambos utilizam o

sistema operacional Linux Ubuntu e a plataforma ROS para a troca de mensagens entre os

processos.

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Veículo Autônomo: Aplicação caminhão na Mineradora (V2C)

As grandes mineradoras do exterior já utilizam em sua frota de transporte de material,

veículos de grande capacidade técnica (volume) do tipo “Linha Amarela”.

!!!!!Estes caminhões já possuem tecnologia própria para serem “auto dirigidos/navegados” e estão

em operação com grande sucesso desde o ano de 2008.

Preço, qualidade, prazos reduzidos, inovação com competitividade são alguns dos principais

ícones que estão em pauta de qualquer negociação comercial e para atingir estas metas, novos

conceitos e desafios organizacionais estão sendo postos em prática.

Diminuição de custos operacionais como: “eliminação” do motorista; redução do consumo de

combustível; eliminação/diminuição da ociosidade; maior intervalo de manutenção de peças,

óleo, pneus; tempo de viagens para carregamento e descarregamento com menos desvios...

Aliado a esta filosofia, a implantação de sistemas de gerenciamento se faz necessário.

Sistemas como o “Dispatch” são comercializados em grandes mineradoras para ajudar na

infraestrutura em otimizar o monitoramento em tempo real de toda a frota de caminhões,

escavadeiras, perfuratrizes, maquinas auxiliares e afins, objetivando o melhor

aproveitamento/rendimento de todo o maquinaário envolvido na extração, transporte,

controle, segurança...enfim toda a dinâmica de trabalho da mineradora.

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Dispatch (Modular mining Systems) é uma empresa do grupo Komatsu e visa uma integração

entre seu sistema operacional e suas respectvas máquinas.

Abaixo algumas telas de controle:

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Sendo o Brasil um grande fornecedor e exportador de minério, o descobrimento de novas

fontes de extração estão cada vez mais necessárias para atender a alta demanda. Mas estas

áreas estão ficando cada vez menores referente ao seu tamanho físico, pois as respectivas

licenças ambientais para a exploração estão cada vez mais apertadas, assim a utilização de

grandes veículos da então chamada “Linha Amarela” não estão mais factiveis.

A migração para veiculos produzidos localmente foi uma alternativa interessante pois o alto

custos de peças de reposição e a propria manutenção inviabilizaram a compra destes grandes

caminhões.

Os fornecedores locais tiveram que se adaptar rapidamente a esta nova demanda e alguns

modelos saíram de fábrica como mostra a figura abaixo, único no segmento com ultimo eixo

direcional (10x4*6 > 10 pontos de apoio, 4 pontos tracionados e 6 pontos direcionais

!Acima a direita, uma visão da área de extração de minerio para adubos e fertilizantes da

empresa Bunge localizada na cidade de Cajati no vale do Ribeira (SP).

Um dos grandes desafios da industria nacional é fazer com que seu “parque” de veículos já

instalado, tornem-se autonômos.

Um grande esforço entre montadoras, sistemas operacionais e/ou operadoras, clientes será

necessário para por em prática esta nova tecnologia.