1
Introdução
A mobilidade
individual se tornou um elemento de extrema importância para as pessoas
atualmente. Com isso, a busca por veículos seguros e eficientes pode ser
considerado um dos requisitos do consumidor na hora de adquirir seu automóvel.
Enquanto os
primeiros veículos eram baseados em sistemas puramente mecânicos, os modelos
atuais são baseados em sistemas elétricos e eletrônicos. Isso vem acompanhado de uma
complexidade que tende a evoluir de acordo com as configurações desejadas [1].
A evolução do
sistema mecânico para os sistemas elétricos e eletrônicos se deu possível a
partir da eletrônica embarcada que revolucionou a aplicabilidade e cobertura de
muitos dos opcionais e funções oferecidas aos consumidores. Essa revolução na
eletrônica automotiva tem melhorado significativamente o desempenho, a
confiabilidade e o conforto nos automóveis [2].
Um sistema
embarcado (SE) é um sistema projetado para atender a funções específicas
através de sensores, controladores e atuadores. Para uma comunicação eficiente
de um sistema veicular, os sistemas embarcados fazem parte de uma grande rede
composta por centrais eletrônicas de processamento, do inglês, Electronic
Control Units (ECU’s). Essas centrais são responsáveis por gerenciar
diversas funções como o controle do motor, do sistema de transmissão, da
carroceria e diversos outros. Elas se comunicam por meio, por exemplo, do
barramento CAN (Controller Area Network) automotivo.
Para realizar
o controle e definir a lógica do algoritmo a ser implementado nas centrais
eletrônicas, houve a necessidade do desenvolvimento das Vehicular Functions
(VF’s), uma vez que estes sistemas possuem equipamentos que são produzidos por
diferentes tipos fabricantes. Assim, uma documentação simples, clara e objetiva é necessária pois ela é
o guia para que a comunicação dos componentes seja possível, em uma linguagem
única e ocorra de forma assertiva.
Por parte das
montadoras, a documentação das VF’s de um determinado veículo é de extremo
sigilo, pois descreve o comportamento que o software implementado para
atender certas funcionalidades deve ter. Com isso, tem um grande impacto no
projeto veicular, e pode ser grande diferencial de uma determinada montadora
frente aos concorrentes.
Ciente da
crescente exigência de um mercado cada vez mais disputado e da necessidade das
companhias em atende-lo, a proposta do presente trabalho é desenvolver algumas
VF’s, desde suas especificações e requisitos, tais como insumos eletrônicos
entre sensores e atuadores, análise de relevância e por fim, a simulação computacional
dos sistemas requeridos, bem como a prototipagem em escala reduzida das mesmas.
Para tal, a modelagem é construída a partir do software Matlab/Simulink
e juntamente com a plataforma Arduino, ocorre a validação dos sistemas por meio
da montagem dos protótipos.
Por mais que o
trabalho não represente fielmente técnicas utilizadas no meio industrial, as
técnicas aqui utilizadas são de enorme eficácia no meio acadêmico, uma vez que
se trata de testes em bancada que podem ser reproduzidos.
2
Automatização
do Setor Veicular
Atualmente, os sistemas embarcados estão presentes em praticamente todos
os equipamentos eletrônicos disponibilizados no mercado. Com a crescente
evolução da tecnologia por trás desses sistemas, eles fazem parte de todos os
tipos de equipamentos, sejam simples ou complexos, e buscam sempre maior
comodidade e confiança para quem usufruir de suas funcionalidades.
No setor automotivo, que é uma área de grande impacto na economia
mundial, não poderia ser diferente. Trata-se de constante e crescente a atenção
depositada por parte das montadoras tradicionais e detentores de tecnologias
inovadoras na área. Com isso, espera-se um que este mercado seja ainda mais
revolucionário na próxima década, de tal forma que aumente, consequentemente,
os níveis de automação implementados nos veículos.
Importante citar que a Society of Automotive Engineers (SAE)
estabelece níveis de inteligência e as capacidades de automação dos veículos,
classificando-os de 0 a 5, de tal forma que o nível 0 trata de veículos
totalmente manuais e o nível 5 onde a condução humana é totalmente eliminada [3].
3
Sistemas
Embarcados
Trata-se de um
sistema microprocessado completamente dedicado ao dispositivo ou sistema que
ele controla. Diferentemente de um computador pessoal, um SE realiza um
conjunto de tarefas predefinidas, geralmente com requisitos específicos. Já que
o sistema é dedicado a tarefas específicas, através de engenharia pode-se
otimizar o projeto reduzindo tamanho, recursos computacionais e custo.
Os SEs
respeitam uma estrutura básica, composta por sensores, microcontrolador e
atuadores. A Figura 1 destaca essa estrutura com alguns componentes que podem
exercer tais funções.
Figura 1: Exemplo de estrutura e composição de um SE.
Fonte: [4].
4 Estrutura de uma VF
A partir de
reuniões e discussões com pesquisadores do Grupo de Pesquisa CNPq GSE (Grupo de
Soluções em Engenharia), pôde-se observar e concluir que uma VF se estrutura
por meio de um circuito eletrônico, compondo-se por dados de entrada, um
dispositivo controlador que avalia e interpreta os dados de entrada para assim
definir os dados de saída. A Figura 2 exemplifica essa estrutura.
Figura 2: Estrutura básica de uma VF.
Fonte: Autor.
Pode-se
destacar pela Figura 2 que a estrutura é basicamente a mesma de um SE genérico,
onde os dados de entrada são obtidos geralmente por sensores e os dados de
saída são enviados para os mais diversos atuadores. O módulo de controle é onde
especifica-se o microcontrolador, sendo este programado para atender uma única
função.
A VF se
diferencia por apresentar toda a lógica por trás de seu funcionamento, uma vez
que o documento gerado pelas montadoras deve conter todas as especificações
para que ocorra a implementação no veículo de forma correta.
5 Model Based Design (MDB)
É uma abordagem matemática e visual para desenvolver sistemas complexos
de controle e processamento de sinais. Ele se concentra no uso de modelos de
sistema em todo o processo de desenvolvimento para design, análise, simulação,
geração automática de código e verificação [5].
Na metodologia do MBD, utiliza-se recursos gráficos e diagramas de
blocos, contendo equações matemáticas a fim de obter um modelo funcional do
sistema a ser desenvolvido. Este é mantido no centro do processo durante todas
as etapas de desenvolvimento. A Figura 3 ilustra este conceito, onde a partir
dos requisitos do projeto até a geração automática de códigos, ocorre etapas
como a implementação do código, testes e verificações contínuas, mas o modelo é
sempre mantido no centro do processo [6].
Figura 3: Fases de desenvolvimento do MBD com o modelo no centro.
Fonte: [6].
6
Materiais
e Métodos
A Figura 4 apresenta os passos que foram seguidos para desenvolvimento do
trabalho.
Figura 4: Etapas do desenvolvimento.
Fonte: Autor.
As VF’s
escolhidas se denominam “Nível do Óleo de Freio” e “Alerta de Estacionamento”.
A partir da compreensão dos requisitos de cada uma, optou-se pela escolha do
microcontrolador Arduino, uma vez que o trabalho busca apenas reproduzir em
bancada métodos semelhantes aos das grandes empresas, além de se tratar de uma
plataforma de fácil acesso e baixo custo para a implementação do código.
A simulação em MDB se deu através do software
Matlab, utilizando o ambiente Simulink. Para construção do MDB, utilizou-se do toolbox
Stateflow, o qual permite a construção de diagramas de fluxo de estados.
Uma segunda
parte da simulação ocorreu a partir do software online Tinkercad,
disponibilizado pela AutodesK, com opções de desenvolvimento e simulação
específicas para a plataforma Arduino. Nele foi possível desenvolver
primeiramente os SE’s.
A geração de
códigos ocorreu de duas maneiras. A primeira maneira se dá partir do diagrama
de estados desenvolvido, o Simulink gera a codificação específica para o
microcontrolador que se deseja, no caso, o Arduino. A segunda ocorre através da
interface de desenvolvimento da plataforma Arduino. Ambas foram testadas nas
simulações para verificação e comprovação da funcionalidade, de acordo com o
MDB.
A construção
dos SE’s ocorreu em escala reduzida, onde os componentes necessários foram
conectados em uma protoboard.
Com todas
essas definições, foi possível levantar as características que cercam a VF, de
tal forma que sua implementação seja de fácil entendimento para o público
interessado pela área.
7
Resultados
e Discussões
Para as VFs
escolhidas como objeto deste trabalho, nas subseções a seguir serão detalhados
os resultados obtidos, desde a criação do diagrama de controle de cada uma até
a montagem do protótipo.
7.1
VF
Nível do Óleo de Freio (NOF)
O diagrama de
Figura 5 apresenta a composição da função NOF, com suas entradas e saídas
respectivamente.
Figura 5: Diagrama VF NOF.
Fonte: Autor.
De acordo com
a Figura 5, esta VF possui como entradas:
• Nível
baixo: No sistema quem monitora o nível do óleo de freio é um sensor de nível,
que no caso pode ser representado por uma chave. Sendo assim, o estado
normalmente aberto indica que o nível está ideal e o estado normalmente fechado
indica que o nível está abaixo do nível adequado;
• Status
chave de ignição: A chave de ignição representa a pré energização do sistema,
ou seja, o sistema está pronto para dar partida no motor e demais funções.
Também sendo representada por uma chave, onde o estado normalmente aberto
indica que a ignição não está acionada e o estado normalmente fechado indica
que a ignição está acionada;
• Tensão
da bateria: O sistema necessita de uma tensão mínima para entrar em
funcionamento. Com isso é necessário que sempre haja uma verificação da tensão
da bateria do veículo.
Possui
como saída:
• Espia:
O sinal de alerta é mostrado no painel de instrumentos do veículo. É acionada
uma espia, que no caso será representada por um Led.
A
partir desta análise, pode-se definir o comportamento das entradas e saída,
digitais e analógicas da VF, como é apresentado na Tabela 1 e na Tabela 2.
Tabela
1: Entradas da VF NOF e suas definições.
|
Entradas
|
Definições
|
|
Nível baixo
|
Entrada digital onde 0 indica que o
nível está dentro do normal e 1 que o nível está em estado crítico.
|
|
Status da chave de
ignição
|
Entrada digital onde 0 indica chave desligada e 1 indica chave ligada.
|
|
Tensão da bateria
|
Entrada analógica que possui um valor variável e tem como restrição
para funcionamento que seu valor seja
maior ou igual a 10,8 volts.
|
Tabela
2: Saída da VF NOF e sua definição.
|
Saída
|
Definições
|
|
Espia
|
Saída digital onde 0 o Led se mantém desligado e 1 o Led é acionado.
|
Dessa forma,
toda a lógica de funcionamento do sistema respeita o pseudocódigo da Figura 6,
que nada mais é uma forma simplificada do algoritmo.
Figura 6: Pseudocódigo para a VF NOF.
Fonte: Autor.
Na Figura 7
tem-se o modelo adotado para simulação e verificação da lógica final
apresentada anteriormente, após a identificação de possíveis falhas e erros.
Tal modelo foi desenvolvido no Matlab.
Figura 7: Modelo adotado para simulação, VF NOF.
Fonte: Autor.
A
representação dos equipamentos que fornecem os dados de entrada e recebem os
dados de saída, na execução do modelo anterior, é apresentada na Figura 8, sendo
esta também realizada no Matlab.
Figura 8: Modelo adotado para simulação, VF NOF.
Fonte: Autor.
Para embarque
do software na plataforma Arduino Uno o modelo apresentado na Figura 7
necessitou sofrer alterações nas transições que dependiam do valor monitorado
da bateria, se tornando o modelo da Figura 9.
Figura 9: Modelo para embarque do código no Arduino.
Fonte: Autor.
Como pode ser
observado, foram utilizados os pinos 2 e 4 para obtenção dos dados digitais de
entrada e para obtenção do dado analógico o pino 1, que no Arduino é
representado como A01. Para a saída digital foi utilizado o pino 8.
Com o auxílio
do analisador lógico, bloco Scope, pode-se verificar os sinais e quais
estavam entrelaçados no funcionamento do sistema. Pela Figura 10 temos que o
sinal sensor é representado pela cor vermelha, o sinal chave é representado
pela cor azul e o sinal Instrument Control Panel (IPC) é representado
pela cor amarela. É possível observar que quando o sinal sensor está em 1,
tem-se que o valor do sinal IPC está em 1 também. Se um dos dois sinais
anteriores estiverem em zero, o sinal IPC se mantém em zero.
Figura 10: Sinais digitais do sistema em funcionamento.
Fonte: Autor.
7.1.1
Simulação
no Tinker cad e Montagem do Protótipo
A Figura 11
apresenta o modelo desenvolvido no Tinkercad para a simulação a partir do software
desenvolvido no Integrated Development Environment (IDE) do próprio
simulador que obedece às mesmas características do IDE principal do Arduino.
Figura 11: Modelo desenvolvido no Tinkercad, VF
NOF.
Fonte: Autor.
A montagem do
protótipo foi realizada de forma a atender o diagrama que é apresentado na Figura
9 e o circuito da Figura 11, onde pode-se verificar na prática o correto
funcionamento dos softwares desenvolvidos. Esse protótipo é apresentado
na Figura 12.
Figura 12: Protótipo para a VF NOF.
Fonte: Autor.
Pela Figura 12
tem-se que o led representa a espia do painel de instrumentos e serve de
alerta para o condutor. Tanto a chave de ignição quanto o sensor de nível foram
representados por push buttons, que ao serem pressionados indicam a
atuação dos componentes. A tensão da bateria é regulada através do
potenciômetro, para verificar o funcionamento quando a tensão está ou não no
nível ideal.
7.2
VF
Alerta de Estacionamento (AE)
O diagrama de
Figura 13 apresenta a composição da função AE, com suas entradas e saídas
respectivamente.
Figura 13: Diagrama para a VF AE.
Fonte: Autor.
De acordo com
a Figura 13, esta VF possui como entradas:
• Distância
1: Distância esta monitorada por um sensor ultrassônicos localizado na parte
central na traseira do veículo;
• Distância
2: Distância esta monitorada por um sensor ultrassônicos localizado mais à
esquerda da parte traseira do veículo;
• Distância
3: Distância esta monitorada por um sensor ultrassônicos localizado mais à
direita da parte traseira do veículo;
• Status
chave de ignição: A chave de ignição representa a pré energização do sistema,
ou seja, o sistema está pronto para dar partida no motor e demais funções.
Também sendo representada por uma chave, onde o estado normalmente aberto
indica que a ignição não está acionada e o estado normalmente fechado indica
que a ignição está acionada;
• Tensão
da bateria: O sistema necessita de uma tensão mínima para entrar em
funcionamento. Com isso é necessário que sempre haja uma verificação da tensão
da bateria do veículo;
• Marcha
à Ré: O sistema só é entra em funcionamento quando a marcha à ré é acionada.
Esta pode ser representada por uma chave, onde o estado normalmente aberto
indica que a marcha não foi acionada e o estado normalmente fechado indica que
a marcha foi engatada.
Possui
como saída:
• Buzzer:
O sinal de alerta é um sinal sonoro e é emitido através de um buzzer
que, ao passo que a distância vai diminuindo, o sinal se torna mais intenso
para uma melhor atenção do condutor.
A
partir desta análise, pode-se definir o comportamento das entradas e saída,
digitais e analógicas da VF, como é apresentado na Tabela 3 e na Tabela 4.
Tabela 3: Entradas da VF AE e suas definições
|
Entradas
|
Definições
|
|
Status da marcha à ré
|
Entrada digital onde 0 indica que a marcha não está acionada e 1 que a marcha
está acionada.
|
|
Status da chave de
ignição
|
Entrada digital onde 0 indica chave desligada e 1 indica chave ligada.
|
|
Tensão da bateria
|
Entrada analógica que possui um valor variável e tem como restrição
para funcionamento que seu valor seja
maior ou igual a 10,8 volts.
|
|
Distância 1
|
Entrada analógica a qual é um valor variável e recebe informações da
distância da parte central em relação à algum objeto.
|
|
Distância 2
|
Entrada analógica a qual é um valor variável e recebe informações da
distância mais à esquerda em relação à algum objeto.
|
|
Distância 3
|
Entrada analógica a qual é um valor variável e recebe informações da
distância mais à direita em relação à algum objeto.
|
Tabela 4: Saída da VF AE e suas definições
|
Saída
|
Definições
|
|
Buzzer
|
Saída digital que a partir da distância detectada, emite um sinal
sonoro com certa frequência de acordo com o sinal PWM recebido.
|
Dessa
forma, toda a lógica de funcionamento do sistema respeita o pseudocódigo da
Figura 14.
Figura 14: Pseudocódigo para a VF AE.
Fonte: Autor.
Diferentemente
da VF NOF o modelo para simulação já foi desenvolvido com a comunicação do
Simulink e o Arduino já estabelecida. Isso ocorreu devido primeiramente o
sucesso da VF NOF na comunicação, mas como ponto principal, a dificuldade de representar
o correto acionamento do buzzer. O modelo proposto é apresentado na
Figura 15.
Figura 15: Modelo adotado para simulação, VF AE.
Fonte: Autor.
Pela Figura 15
pode ser observado que foram utilizados os pinos 1, 2, 3 e 4 para obtenção dos
sinais analógicos, sendo estes dos três sensores e da tensão da bateria. Como
entradas digitais optou-se pelos pinos 8 e 9, para a chave de ignição e status
da marcha à ré. Como saída digital, utilizou-se do bloco PWM no pino 5, para
acionamento do buzzer.
Pelo bloco Scope
pode se ter uma análise do comportamento dos sinais dos sensores com o
funcionamento do sistema, principalmente com o acionamento do buzzer. A
seguir é apresentada uma sequência de acionamento de apenas um sensor, pois,
para os outros sensores o comportamento do sistema é o mesmo.
A Figura 16
apresenta o os sinais quando o sistema está ativado, mas apenas na fase de
monitoramento das distâncias. O sinal azul representa a distância 1, o sinal
vermelho a distância 2 e o sinal roxo a distância 3. A cor amarela o sinal de
saída para o buzzer.
Figura 16: Sistema em estado de monitoração.
Fonte: Autor.
A Figura 17
apresenta os sinais a partir da identificação do sensor que a distância é menor
que 30 cm.
Figura 17: Detecção da distância menor do que 30 cm.
Fonte: Autor.
A Figura 18
apresenta os sinais a partir da identificação do sensor que a distância é menor
que 20 cm.
Figura 18: Detecção da distância menor do que 20 cm.
Fonte: Autor.
A Figura 19
apresenta os sinais a partir da identificação do sensor que a distância é menor
que 10 cm.
Figura 19: Detecção da distância menor do que 10 cm.
Fonte: Autor.
Ao analisar os
sinais desde a Figura 16 até a Figura 19, pode-se observar que quanto menor a
distâncias, maior o valor do sinal PWM enviado a porta para acionamento do buzzer,
ao que passo que aumenta sua frequência de acionamento.
7.2.1
Simulação
no Tinkercad e Montagem do Protótipo
A Figura 20
apresenta o circuito proposto para simulação.
Figura 20: Modelo desenvolvido no Tinkercad, VF AE.
Fonte: Autor.
Pela Figura 20
pode-se observar que o modelo possui duas chaves como representação da chave de
ignição e marcha à ré. Possui também o buzzer para alerta sonoro, três
sensores ultrassônicos para identificação das distâncias e um potenciômetro
para controle da carga da bateria.
Este
sistema juntamente com o software desenvolvido atendeu as condições de
funcionamento esperadas, podendo ser construído em escala real, como é
apresentado pela Figura 21.
Figura 21: Protótipo VF AE.
Fonte: Autor.
8
Conclusões
O presente
trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de funções veiculares nos moldes
de desenvolvimento das grandes empresas do setor, com uma visão mais acadêmica.
Assim qualquer discente que esteja interessado pela área é capaz de reproduzir
os resultados aqui encontrados.
Toda a
codificação obtida a partir do ambiente gráfico do Simulink foi implementada
com sucesso no microcontrolador Arduino Uno. Embora esse microcontrolador não
possua a robustez necessária para a implantação real em veículo, ele possibilita
a verificação prática dos códigos e possíveis ajustes durante o
desenvolvimento, sendo uma importante ferramenta para o desenvolvimento dos
conceitos dos sistemas embarcados.
A adoção do
MBD para criação e reutilização de sistemas construídos a partir da integração
Simulink e Arduino se mostra eficiente, pois elimina repetições excessivas nas
fases iniciais do desenvolvimento e permite maior foco nas fases de testes e
validação, assim possibilita maior confiabilidade aos softwares construídos, o que
resulta em um sistema mais seguro.
Obtiveram-se
resultados para VFs de forma isolada, no caso, nível de óleo do freio e alerta
de estacionamento. Contudo, pode ser desenvolvido como trabalho futuro, a
unificação de VFs de tal forma que o sistema possa identificar qual está
atuando em determinado tempo, ou mesmo simultaneamente, através de um único
microcontrolador, ou seja, realizar a junção das VFs em apenas um sistema. De
forma resumida se teria uma única central eletrônica responsável por tais funções,
fato comum nos veículos atuais.
Referências
[1] HILLENBRAND, M. et al. Development of
electric/electronic architectures for safety-related vehicle functions.
Software: Practice and Experience, [s.l.], v. 42, n. 7, p.817-851, 31 jan.
2012. Wiley. http://dx.doi.org/10.1002/spe.1154.
[2] POGGETO,
Gustavo. Critérios
para seleção da arquitetura elétrica veicular em mercados emergentes. 2009. 195 f. Dissertação (Mestrado) - Curso
de Engenharia Automotiva, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São
Paulo, 2009.
[3] RODRIGUES, Leonardo
Cavalheiro. FUNDAMENTOS, TECNOLOGIAS E APLICAÇÕES DE VEÍCULOS AUTÔNOMOS. 2017.
83 f. TCC (Graduação) - Curso de Engenharia Eletrônica, Universidade
Tecnológica Federal do Paraná, Campus Ponta Grossa, Ponta Grossa, 2017.
[4] GARCIA, Fernando Deluno. Introdução
aos sistemas embarcados e microcontroladores. 2018. Disponível em: <https://www.embarcados.com.br/sistemas-embarcados-e-microcontroladores/>.
Acesso em: 04
nov. 2019
[5] MATHWORKS. What is MIL,
SIL, PIL, HIL and how do they integrate in Model Based Design approach? 2019. Disponível em: <https://la.mathworks.com/matlabcentral/answers/440277-what-is-mil-sil-pil-hil-and-how-do-they-integrate-in-model-based-design-approach>.
Acesso em: 04 nov. 2019.
[6] SILVA, Rafael Rodrigues da. Projeto
de controladores para um sistema de direção elétrica utilizando a metodologia
de projeto baseado em modelos. 2017. 99 f. - Curso de Sistemas Mecatrônicos,
Universidade de Brasília, Brasília, 2017.