UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA

BRUNO APOLLINARIO JEFERSON GONALVES RAFAEL BORGES

PROCESSAMENTO DE SINAIS DIGITAIS EM VEICULOS AUTOMOTIVOS

PALHOA 2012

UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA

PROCESSAMENTO DE SINAIS DIGITAIS EM VEICULOS AUTOMOTIVOS

Trabalho acadmico apresentado ao Curso de Graduao em Engenharia

Eltrica Telemtica da Universidade do Sul de Santa Catarina, como requisito

obteno da aprovao da disciplina de Sistemas Digitais e Processamento de Sinais de Eng. Eltrica.

ORIENTADOR: PROF. ROBINSON PIZZIO

PALHOA 2012

LISTA DE ILUSTRAES

Figura 1 - Exemplo de converso e processamento .......................................... 7 Figura 2 - Microprocessador DSP ...................................................................... 8 Figura 3 - Exemplo de aplicao de DSP ........................................................... 9 Figura 4 - Diagrama de uma ECU. ................................................................... 11 Figura 5 - Forward Collision Warning ............................................................... 13 Figura 6 - BLIS atuando. .................................................................................. 13 Figura 7 - Cross-Trafic Alert. ............................................................................ 14 Figura 8 - Lane Departure Warning. ................................................................. 15 Figura 9 - Curve Speed Warning ...................................................................... 16 Figura 10 - Diagrama de processamento de sinais de uma TCU. .................... 17 Figura 11 - Sistema ABS da Bosch. ................................................................. 18

SUMRIO1. 2. 3. 3.1. 3.2. 3.3. 4. 4.1. 4.2. 4.2.1. 4.2.2. 4.2.3. 4.2.4. 4.2.5. 4.3. 4.4. 5. 6. Introduo ............................................................................................................................. 5 Processamento de Sinais Digitais .......................................................................................... 6 DSP ........................................................................................................................................ 7 Histria do Dsp .................................................................................................................. 7 O que um DSP ................................................................................................................. 8 Aplicaes para o DSP ....................................................................................................... 9 DSP em Automotores .......................................................................................................... 10 Engine Control Unit ECU............................................................................................... 10 Body Control Module BCU ........................................................................................... 12 Adaptive Cruiser Control (AAC) ................................................................................... 12 Forward Collision Warning (FCW) ............................................................................... 12 Blind Spot Information System (BLIS) ......................................................................... 13 Cross-Trafic Alert ......................................................................................................... 14 Lane Departure Warning (LDT) ................................................................................... 15 Transmission Control Unit TCU .................................................................................... 16 Break Control Module ..................................................................................................... 18 Concluso ............................................................................................................................ 19 Referncias: ......................................................................................................................... 20

1. INTRODUO O processamento de sinais digitais tem uma fundamental importncia no funcionamento de um automvel, sendo esta uma tecnologia que permite desenvolver aplicaes cada vez mais inteligentes para os veculos automotores. Esta tecnologia ainda permite o aumento da eficincia nos mesmos, atravs de circuitos que no podemos observar e que esto sendo tratados por algum processador localizado no automvel. Ou ainda aumentando a comodidade, a segurana e o conforto do usurio. Sendo assim, o presente trabalho visa apresentar e explicar de forma sucinta o funcionamento de algumas aplicaes que envolvem processamento de sinais digitais e permitirem a evoluo dos veculos automotivos.

5

2. PROCESSAMENTO DE SINAIS DIGITAIS O processamento de sinais nada mais que, processar sinais que existem na nossa vida atravs de ferramentas matemticas, podendo assim fazer transformaes ou retirar informaes desses sinais. Na natureza existem infinitos sinais, porm, esses sinais so analgicos e no podem ser entendidos em linguagem de mquina. Para que os computadores, smartphones ou qualquer outro tipo de equipamento eletrnico possa funcionar, necessrio que haja uma converso destes sinais analgicos para sinais digitais. O sinal digital uma representao numrica de sinais analgicos. Para que essa representao acontea, so utilizados conversores analgico-digital (AD), que processam os sinais analgicos e os transformam numa sequncia de 0s e 1s, podendo assim ser processado por computadores etc. Este mesmo sinal convertido analgico-digital (AD), tambm pode ser convertido, parcialmente ou integralmente, em sinal analgico novamente. Para que isso acontea necessrio utilizar um conversor digital-analgico (DA). Abaixo segue um breve exemplo de como ocorre converso dos sinais:

6

Figura 1 - Exemplo de converso e processamento

3. DSP

3.1. HISTRIA DO DSP O DSP teve seu incio na dcada de 80 pelas principais empresas de eletrnicos, como a Texas Instruments, Analog Devices e Motorola, o DSP se tornaria em pouco mais de uma dcada o centro das atenes no mundo da eletrnica, sendo hoje o corao de muitos equipamentos de diversas reas da indstria. No comeo o DSP surgiu com o propsito de se criar um microprocessador com uma arquitetura desenvolvida especificamente para operaes que requeressem um processamento digital de sinais. Hoje em dia tem-se um produto que engloba, num nico chip, tecnologia suficiente para realizar praticamente qualquer tipo de processamento e anlise de dados e sinais.

7

Figura 2 - Microprocessador DSP

3.2. O QUE UM DSP O DSP pode representar dois significados, Processamento Digital de Sinais (Digital Signal Processing) ou Processador de sinais digitais (Digital Signal Processor). Nos dois casos seu uso esta certo, porm mais comum ser usado ao tratar-se do processador de sinais em si e no do ato de processar um sinal. Acima de tudo, o DSP, um dispositivo programvel que detm seu prprio cdigo de instrues. Cada empresa que cria o seu processador cria tambm o seu ambiente de desenvolvimento, prprio para aquele tipo de chip e tornando desta forma a manipulao do microprocessador mais fcil e rpida. Os DSP`s foram projetados levando-se em considerao que as operaes mais habituais num processamento digital so as de adio, multiplicao e transferncia de memria, consecutivos. Para tal existem instrues de repetio que precedem tais operaes, tornando possvel a execuo destas usando-se muitas vezes apenas um ciclo de memria.

8

Na questo de capacidade de processamento em tempo real dos DSP`s, este torna-se um processador perfeito para aplicaes onde o delay (tempo de resposta) no tolervel, por exemplo, as aplicaes em automveis.

3.3. APLICAES PARA O DSP A tecnologia DSP est presente atualmente em infinitos dispositivos como celulares, computadores, gravadores de vdeo, CD players, modems. Desta forma o DSP se faz presente nas mais diversas reas, como militar, mdica, cientfica e automotiva. Esta ultima ser apresentada em exemplos na sequncia deste trabalho.

Figura 3 - Exemplo de aplicao de DSP

9

4. DSP EM AUTOMOTORES A cada dia que passa, os veculos automotores se tornam cada vez mais complexos e as normas cada vez mais rgidas. Devido necessidade de reduzir os ndices de poluio e buscar uma eficincia mais apurada, se iniciou o uso de processamento de sinais digitais. Estes permitiram um controle mais apurado dos processos que fazem com que um veculo funcione adequadamente. Desta forma reduzindo custos e aumentando de forma significativa eficincia, segurana e a confiabilidade dos mesmos. Hoje em dia existem carros com at 50 microprocessadores (NICE, 2011) tratando sinais digitais provenientes dos sensores e outros perifricos que compem o veiculo. Dentro da matriz de um veiculo possumos processos distintos, e para este processos foram criados mdulos para controla-los. Alguns destes mdulos so: Body Control Module (BCM) Engine Control Unit (ECU) Electric Power Steering Control Unit (PSCU) Powertrain Control Module (PCM) Transmission Control Unit (TCU) Break Control Module (ABS ou ESC) Adaptive Control Cruiser (AAC)

4.1. ENGINE CONTROL UNIT ECU A Engine Control Unit (Central de Controle de Motor) responsvel pelo correto funcionamento do motor e os processos que esto diretamente ligados ao funcionamento do mesmo. Para (NICE, 2011) a ECU o mais poderoso computador na maioria dos carros.

10

A ECU usa um sistema de controle com loop-fechado, este sistema de controle monitora as sadas do sistema para que ajuste o sistema de entrada. O funcionamento basicamente como qualquer outro sistema de controle. Mas este sistema de controle, especificadamente, responsvel por manipular a emisso dos elementos resultantes da combusto, ajustar a injeo de combustvel no motor para uma melhor economia de combustvel (Injeo eletrnica). A Figura 4 demonstra como os sensores e sadas esto interrelacionados ao processamento de sinais digitais.

Figura 4 - Diagrama de uma ECU.

Ela no somente controla a quantidade de combustvel injetada na cmara de combusto do veiculo, como tambm controla o momento em que a vela dispara a descarga para iniciar a combusto e outros detalhes que a primeira vista pareceria ser de nenhuma importncia. A ECU mantm ainda em11

suas unidades de memria tabelas com dados para incorporar no circuito de feedback do sistema de controle.

4.2. BODY CONTROL MODULE BCU O Body Control Module (Mdulo de Controle do Corpo) um computador que checa, regula e opera perifricos eletrnicos pelo carro. Tais perifricos como alarme anti-roubo, ar-condicionado, intensidade das

lmpadas, Adaptive Cruiser Control, Forward Colision Warning, Blind Spot Information System, Cross-Trafic Alert, painel eletrnico e as dezenas de botes e switchs que possvel controlar em um carro. O BCU tambm o mdulo responsvel por fazer a interface homemmquina, o popular computador de bordo como muitos chamam.

4.2.1. ADAPTIVE CRUISER CONTROL (AAC) O Adaptive Cruiser Control tambm est neste mdulo. Este utiliza sensores de avano para controlar a velocidade e ajustar a distncia em relao ao carro da frente. O motorista ainda possui a opo de regular a velocidade mxima e a distncia do carro frente (SOUZA, 2010).

4.2.2. FORWARD COLLISION WARNING (FCW) O Forward Collision Warning um sistema que previne e atua em situaes de impacto iminente. Este utiliza cmeras ou radares posicionados na dianteira do veiculo para monitorar o que h a frente. Se o sistema verificar que o carro poder entrar em uma situao de impacto, o condutor avisado por diferentes modalidades de avisos e os freios so preparados pelo sistema para atuar. Se o sistema verificar que o impacto iminente, os freios so disparados automaticamente.

12

Figura 5 - Forward Collision Warning

4.2.3. BLIND SPOT INFORMATION SYSTEM (BLIS) Blind Spot Information System o sistema que identifica h existncia de um veiculo nos chamados pontos cegos utilizando radares localizados na traseira do veiculo, e informando o condutor sobre a existncia desses veculos. O BLIS informa o condutor, iluminando uma luz no correspondente espelho retrovisor do veiculo (FORD, 2011).

Figura 6 - BLIS atuando.

13

4.2.4. CROSS-TRAFIC ALERT O Cross-Trafic Alert, um sistema que tambm utiliza processamento de sinais, desenvolvido pela Ford e que utiliza os sensores do BLIS para auxiliar em situaes em que no podemos observar o trafego transversal. Ao estacionar um veiculo voc j deve ter se deparado com esta dificuldade, a Figura 7 define bem esta situao.

Figura 7 - Cross-Trafic Alert.

Observe, que quando houver um carro se aproximando pelas regies vermelhas, o sensor alertara o motorista da aproximao de um veiculo. Se os carros entrarem na regio amarela haver um aviso no retrovisor, semelhante ao sistema BLIS e se o veiculo estiver na regio verde este tambm dar um aviso. Tudo isto graas ao processamento de sinais digitais que permite tratar os sinais provenientes dos sensores e atuar os alertas.

14

4.2.5. LANE DEPARTURE WARNING (LDT) O Lane Departure Warning um sistema que visa informar o condutor de sua sada das linhas que demarcam o trajeto da pista. O sistema funciona com sensores que conseguem identificar os limites da pista, se o condutor cruzar estes limites o sistema avisa o condutor por meio de vibrao no volante ou aviso sonoro (EUROFOT, 2012). A faixa vermelha da Figura 8 exprime o trajeto em vermelho que o LDW visa inibir.

Figura 8 - Lane Departure Warning.

4.2.6. Curve Speed Warning (CSW) O Curve Speed Warning um sistema que previne situaes perigosas ao se fazer uma curva. Este cruza dados de mapas digitais com a geometria da curva e dados provenientes dos sensores de velocidade do veiculo. Se o sistema calcular que o carro est entrando muito rpido na curva, este sistema avisa o condutor para que ele possa reagir adequadamente.15

O CSW ainda utiliza sensores dos para-brisas para detectar chuva, e assim calcular o atrito entre o veiculo e a estrada. Desta forma utilizando estes parmetros no calculo total da velocidade mxima estimada a realizar a curva (EUROFOT, 2012).

Figura 9 - Curve Speed Warning

O sistema ainda pode funcionar em conjunto com o LDT e com o AFL para ajudar na estabilidade e controle do veiculo durante a execuo da curva.

4.3. TRANSMISSION CONTROL UNIT TCU O Transmission Control Unit (Unidade de Controle de Transmisso) a unidade de controle responsvel pela transmisso automtica. A TCU utiliza sensores no veiculo e dados providos pela ECU para calcular quando e como trocar as marchas. A TCU utiliza parmetros de entrada como o VSS (Velocity Speed Sensor), WSS (Wheel Speed Sensor), TPS (Throttle position Sensor), TFT16

(Transmission Fluid Temperature), TCS (Traction Control System) e outros. E possui sadas que fazem com que atuadores entrem em funcionamento. A Figura 10 um exemplo de uma TCU e como suas entradas e sadas esto inter-relacionadas.

Figura 10 - Diagrama de processamento de sinais de uma TCU.

17

4.4. BREAK CONTROL MODULE O Mdulo de Controle de Freio nada mais do que um mdulo eletrnico que visa o processamento de sinais para aperfeioar a frenagem do veiculo. O BCM ainda conhecido como ABS (Anti-Lock Brake System), EBCM (Electronic Brake Control Module) ou at EBM (Electronic Brake Module). Este funciona monitorando os sensores em um curto espao de tempo. E atravs da leitura dos sinais destes sensores, um micro processador tomar uma deciso e ativara se necessrio, os atuadores que regularam a presso hidrulica durante uma frenagem, para impedir que o a roda trave e a distncia de frenagem aumente consideravelmente. Dentro da gama dos sensores que o ABS monitora, podemos destacar o sensor de velocidade do giro da roda e o pedal de freio. Quando o pedal de freio esta sendo pressionado o mdulo muda de standby (aguardando) para o modo ativo. Quando o sistema verifica que uma roda esta girando mais que a outra o sistema ABS entra em ao e comea a frenar ou liberar os freios de forma que o carro pare mais rpido. A Figura 11 exemplo de um sistema ABS.

Figura 11 - Sistema ABS da Bosch.

18

5. CONCLUSO O processamento de sinais digitais contribuiu de forma significativa na evoluo dos automotores. Sem eles os automveis com certeza no teriam evoludo para chegar ao nvel de: conforto, segurana e praticidade que o encontramos hoje. No entanto esta tecnologia no teria se destacado no mundo automotivo se no fossem a evoluo dos sensores e de todo hardware e eletrnicos que do suporte a esta tecnologia. Alm das normas de segurana que impulsionaram a busca de sistemas mais eficientes, da qual o processamento de sinais digitais consegue reduzir drasticamente com medio de variveis que at ento para os autores eram desconhecidas. De fato esta tecnologia ainda tem muito campo para se evoluir no mundo automotivo, pois est a base de todo sistema embarcado existente hoje.

19

6. REFERNCIAS:

NICE, Karin. HowStuffWorks - How Car Computer Works. 2011. Disponivel em: < http://auto.howstuffworks.com/under-the-hood/trendsinnovations/car-computer1.htm>. Acessado em 15 de Abril de 2012. SOUZA, Jose A. de. Sistemas Inteligentes Automveis. Universidade Federal do ABC. 2010. Disponvel em: . Acessado em: 16 de Abril de 2012.

EUROFOT. Intelligent Vehicle Systems. 2012. Disponvel em: < http://www.eurofot-ip.eu/en/intelligent_vehicle_systems/>. Acessado em: 16 de Abril de 2012.

FORD. Blind Spot Information System (BLIS) with Cross-Traffic Alert. 2012. Disponivel em: < http://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0C CgQFjAA&url=http%3A%2F%2Fmedia.ford.com%2Fimages%2F10031%2FBLI S.pdf&ei=pYLT7mtIoOe8gTcv6jECQ&usg=AFQjCNGhYHg_ZcraffRYSWNRFfYp-YZnpg>. Acessado em: 15 de Abril de 2012.

20