SISTEMA SENSORIAL DE FRENADO AUTOMÁTICO EN AUTOMÓVILES

UNIVERSIDAD DE PIURA Electrónica General – IME SISTEMA SENSORIAL DE FRENADO AUTOMOTIZADO EN AUTOMÓVILES PRESENTAN: Alcas Patiño, Marlon Andro Cabanillas Soto, José Manuel Cortez Farfán, Leonardo Guerra Zapata, Jorge Antonio León Herrera, Dielser Antoni Narro Huarcaya, María Alejandra Silva Calderón, Rolando Jhonatan Profesor de curso: Ing. César A. Chingel Arrese Asesor de proyecto: Miguel Delgado 1 Contenido INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 9 1. OBEJETIVOS GENERALES .............................................................................. 10 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................ 10 2. JUSTIFICACIÓN ................................................................................................ 11 3. BASE CONCEPTUAL ........................................................................................ 12 Introducción al sistema de frenado ................................................................ 12 Energía Cinética ........................................................................................... 12 Fuerza de frenado ......................................................................................... 12 3.3.1 Fuerza de frenado máxima ..................................................................... 14 Inclinación de la vía ...................................................................................... 15 Transferencia de carga .................................................................................. 16 Transferencia longitudinal............................................................................. 16 Transferencia transversal .............................................................................. 16 Transferencia vertical.................................................................................... 16 Distancia de frenado y desaceleración del vehículo ....................................... 17 Análisis simplificado de la distancia de frenado ............................................ 17 Análisis ampliado de la distancia de frenado ................................................. 18 Tiempo de reacción del conductor en frenado de emergencia ........................ 20 Reglamento nacional de tránsito (extractos) .................................................. 22 3.13.1 Distancia ................................................................................................ 22 3.13.2 Frenos .................................................................................................... 22 3.13.3 Velocidad .............................................................................................. 22 Fuentes de Voltaje ........................................................................................ 24 Fuente de tensión .......................................................................................... 25 Resistencias .................................................................................................. 25 Condensador ................................................................................................. 25 Amplificador operacional.............................................................................. 26 Voltímetro .................................................................................................... 26 ................................................................................................................................ 27 Osciloscopio ................................................................................................. 27 Convertidor de corriente-voltaje .................................................................... 27 Seguidor de voltaje ....................................................................................... 28 3.22.1 Filtro rechaza banda pasivo .................................................................... 29 Filtro pasa banda ........................................................................................... 30 2 4. ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN .................................................................... 32 Detección de sueño o falta de atención al volante .......................................... 32 Reconocimiento de señales de velocidad y adelantamiento............................ 32 Sistemas ADAS, frenado de emergencia ....................................................... 32 Control de velocidad adaptativo (con sistema de distancia de seguridad) ....... 33 Sistemas de frenado automático marcha atrás ................................................ 33 5. PROPUESTA DE SOLUCIÓN ............................................................................ 34 Diagrama de flujo no detallado del proceso ................................................... 34 6. DESARROLLO DEL CIRCUITO ....................................................................... 35 Circuito 1 – Sensor de proximidad ................................................................ 35 6.1.1 Primera etapa ......................................................................................... 35 6.1.2 Segunda etapa ........................................................................................ 37 6.1.3 Tercera etapa ......................................................................................... 40 Circuito 2-Tacometro: ................................................................................... 41 6.2.1 Primera etapa: ........................................................................................ 42 6.2.2 Segunda etapa ........................................................................................ 43 6.2.3 Tercera etapa ......................................................................................... 43 Circuito 3-Sensor de lluvia o humedad .......................................................... 44 6.3.1 Primera etapa ......................................................................................... 44 6.3.2 Segunda etapa ........................................................................................ 45 6.3.3 Tercera etapa ......................................................................................... 47 6.3.4 Cuarta etapa ........................................................................................... 47 Diseño del PCB: ........................................................................................... 48 6.4.1 Dimensiones: [cm] ................................................................................. 48 6.4.2 PCB sin componentes: ........................................................................... 49 6.4.3 PCB con componentes: .......................................................................... 50 Diagrama de flujo detallado del proceso ........................................................ 53 7. INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS ........................................................... 54 Sensor de proximidad ................................................................................... 54 Sensor de velocidad ...................................................................................... 55 Sensor de lluvia ............................................................................................ 56 8. ACTUACIÓN DEL SISTEMA ANTE ESCENARIOS TEÓRICO – PRÁCTICOS 57 Escenario ...................................................................................................... 57 Actuación del sistema ................................................................................... 58 3 9. PRESUPUESTO DEL CIRCUITO ...................................................................... 61 10. Análisis de la utilidad del proyecto ................................................................... 62 11. CONCLUSIONES ........................................................................................... 63 12. ANEXO: FICHA TÉCNICA COROLLA 2016 ................................................ 64 13. BIBLIOGRAFÍA.............................................................................................. 65 4 Lista de tablas Tabla 3.3.1.Coeficientes de adherencia .................................................................................... 14 Tabla 6.1.1.Características del sensor Holykell OEM UE3003................................................. 35 Tabla 6.2.1.Características del sensor ST420 ........................................................................... 42 Tabla 6.3.1.Características del sensor YL-83 ........................................................................... 44 Tabla 7.1.1. Resultados del sensor de proximidad.................................................................... 54 Tabla 7.2.1.Resultados del sensor de velocidad ....................................................................... 55 Tabla 7.3.1.Resultados del sensor de lluvia ............................................................................. 56 Tabla 8.2.1.Relación de precios de los elementos empleados en el circuito .............................. 61 Tabla 8.2.2.Presupuesto total del circuito ................................................................................ 61 5 Lista de figuras Figura 3.3.1.Representación y fórmula de la fuerza de frenado ................................................ 13 Figura 3.3.2.Representación y fórmulas de las fuerzas de actúan en un frenado sin deslizamiento ............................................................................................................................................... 15 Figura 3.4.1.Fuerzas que intervienen en una frenada sobre un plano inclinado ......................... 15 Figura 3.8.1. Ejemplo de la transferencia de carga ................................................................... 17 Figura 3.10.1.Diagrama Velocidad vs Tiempo de un vehículo en movimiento desacelerado ..... 17 Figura 3.11.1.Diagrama de análisis de la distancia de parada ................................................... 18 Figura 3.14.1.Simbología de la fuente de voltaje constante ...................................................... 24 Figura 3.14.2.Simbología de la fuente de voltaje variable ........................................................ 24 Figura 3.15.1.Simbología de la fuente de tensión ..................................................................... 25 Figura 3.16.1.Simbología de una resistencia ............................................................................ 25 Figura 3.17.1.Simbología de un condensador o capacitor ......................................................... 26 Figura 3.18.1.Simbología y partes del amplificador operacional .............................................. 26 Figura 3.19.1.Voltímetro, también conocido como Multímetro ................................................ 27 Figura 3.20.1.Osciloscopio...................................................................................................... 27 Figura 3.21.1.Circuito de un conversor corriente – voltaje ....................................................... 28 Figura 3.22.1.Seguidor de voltaje ............................................................................................ 29 Figura 3.23.1.Filtro pasa banda pasivo de segundo orden ........................................................ 30 Figura 6.1.1.Esquema teórico para convertir señal-Sensor de proximidad. ............................... 36 Figura 6.1.2.Primera etapa-sensor de proximidad .................................................................... 36 Figura 6.1.3.Señal de voltaje de salida de la primera etapa-Sensor de proximidad .................... 36 Figura 6.1.4.Filtro Notch Twin-T-Sensor de proximidad ......................................................... 37 Figura 6.1.5.Segunda etapa-Sensor de proximidad................................................................... 38 Figura 6.1.6.Señal de salida del filtro rechaza banda-Sensor de proximidad ............................. 38 Figura 6.1.7.Segunda etapa mejorada-Sensor de proximidad ................................................... 39 Figura 6.1.8.Señal de salida del filtro rechaza banda con arreglo-Sensor de proximidad........... 39 Figura 6.1.9.Ajuste de señal de 60 Hz-Sensor de proximidad................................................... 39 6 Figura 6.1.10.Simulación con señal de 60 Hz-Sensor de proximidad ....................................... 40 Figura 6.1.11.Arreglo de condensadores-Sensor de proximidad ............................................... 40 Figura 6.1.12.Tercera etapa-Sensor de proximidad .................................................................. 41 Figura 6.1.13.Circuito 1 completo-Sensor de proximidad ........................................................ 41 Figura 6.2.1.Tacómetro ........................................................................................................... 41 Figura 6.2.2.Primera etapa-Tacómetro ..................................................................................... 42 Figura 6.2.3.Señal de salida 1era etapa-Tacómetro .................................................................. 42 Figura 6.2.4.Seguidor de voltaje-Tacómetro ............................................................................ 43 Figura 6.2.5.Tercera etapa-Tacómetro ..................................................................................... 43 Figura 6.2.6.Circuito completo-Tacómetro .............................................................................. 44 Figura 6.3.1.Primera etapa-sensor de lluvia ............................................................................. 45 Figura 6.3.2.Señal de voltaje de salida de la primera etapa-Sensor de lluvia ............................. 45 Figura 6.3.3.Esquema teórico filtro pasa banda- Sensor de lluvia............................................. 46 Figura 6.3.4.Filtro pasa banda-Sensor de lluvia ....................................................................... 46 Figura 6.3.5.Señal de 60 Hz en filtro pasa banda-Sensor de lluvia ........................................... 47 Figura 6.3.6.Seguidor de voltaje-Sensor de lluvia .................................................................... 47 Figura 6.3.7.Cuarta etapa-Sensor de lluvia .............................................................................. 48 Figura 6.3.8.Circuito 3 completo-Sensor de lluvia ................................................................... 48 Figura 6.4.1Dimensiones del diseño ........................................................................................ 48 Figura 6.4.2. PCB sin componentes y medidas ........................................................................ 49 Figura 6.4.3. PCB sin componentes ......................................................................................... 49 Figura 6.4.4. PCB con componentes vista frontal .................................................................... 50 Figura 6.4.5 PCB con componentes ......................................................................................... 50 Figura 6.4.6 ............................................................................................................................ 51 Figura 6.4.7 ............................................................................................................................ 51 Figura 6.4.8 ............................................................................................................................ 52 Figura 8.1.1. Valores del problema simulados en Proteus ........................................................ 57 Figura 8.2.1.Ficha técnica Corolla ........................................................................................... 64 7 8 INTRODUCCIÓN Los accidentes automovilísticos más recurrentes son ocasionados por la aparición de obstáculos inesperados y el cansancio de los conductores, lo cual se ve reflejado en deplorables reflejos y, en ocasiones, estados de letargo potencialmente peligrosos que pueden resultar en un trágico final. Frente a esta problemática, nuestro grupo de investigación detallará una solución bastante innovadora que reducirá los accidentes consecuentes a las causas mencionadas. Se trata de un sistema de frenado automático basado en sensores analógicos. La funcionalidad de este sistema es la actuación automática del automóvil frente a situaciones en donde se presente un obstáculo imprevisto y, dependientemente de la velocidad registrada el instante del reconocimiento de este, se aplicará un frenado adecuado con la finalidad de evitar la colisión. De manera complementaria, en la situación en el que el operario del vehículo se encuentre en un estado de adormecimiento, el sistema automatizado será capaz de cuantificar la variación de la presión aplicada al volante durante un intervalo tiempo e interpretar el estado de atención del usuario; de esta manera se emitirá una señal de alerta y, en caso de no ser respondida, inmediatamente se activará la acción de frenado automático, en relación con la velocidad instantánea. Para lograr esto se utilizarán sensores de proximidad, velocidad y sensorial, los cuales se encargarán de producir un diferencial de voltaje. La diferencia de potencial tendrá su paso por un microcontrolador que recalibrará esta señal de medición. Finalmente, la nueva información será ingresada a un software, el cuál interpretará dicha señal y mandará la orden de frenado. El desarrollo del informe ha sido centrado en la parte analógica de este proyecto, cuya función es la medición y recalibración de las señales expresadas en diferencial de voltaje. La parte correspondiente al software será mencionada de manera adicional, más no será profundizada por razones de áreas de interés. Sin muchas extensiones, le damos la bienvenida a este interesante proyecto y esperamos le brinde una grata experiencia de información. 9 1. OBEJETIVOS GENERALES En el presente informe se busca diseñar un sistema electrónico de frenado automático a base de sensores para automóviles, con el objetivo de aumentar la seguridad de los tripulantes y disminuir el número de accidentes de tránsito. Dicho sistema se proyectará como una ayuda al conductor en situaciones donde la condición humana no es favorable a la toma de decisiones rápidas. De esta manera, se busca mostrar la excelente complementación que puede existir entre humanos y sistemas automatizados. OBJETIVOS ESPECÍFICOS • Poner en práctica los conocimientos adquiridos a lo largo del curso de Electrónica General. • Fomentar la investigación tecnológica e innovación de prototipos a base de componentes analógicos. • Aumentar la seguridad de tripulantes y peatones. • Disminuir el riesgo vial reduciendo el número de accidentes automovilísticos. • Dejar la brecha abierta para futuras investigaciones en el sistema de automatización en la industria automotriz 10 2. JUSTIFICACIÓN Los accidentes automovilísticos más recurrentes son ocasionados por la aparición de obstáculos inesperados y el cansancio de los conductores, lo cual se ve reflejado en deplorables reflejos y, en ocasiones, estados de letargo potencialmente peligrosos que pueden resultar en un trágico final. Se cree que, disminuyendo el porcentaje de participación humana en la toma de decisiones rápidas, y reemplazándolo parcial o talmente por un sistema automatizado, ayudaría a disminuir el número de accidentes de tránsito, al igual que la gravedad de estos y sus consecuencias. Esta hipótesis da paso al presente proyecto. 11 3. BASE CONCEPTUAL Introducción al sistema de frenado El sistema de frenos es uno de los sistemas más críticos en un vehículo. Permite al conductor reducir la velocidad o detener el vehículo según sea necesario. Su funcionamiento consiste en absorber la energía cinética producida por el vehículo en movimiento, energía que es transformada en calor debido al rozamiento entre los elementos del sistema de frenado, y disiparlo a la atmósfera. En situaciones ideales, el conductor tendrá suficiente tiempo para anticipar la necesidad de reducir la velocidad mucho antes de producirse un evento de colisión, permitiendo que el vehículo reduzca la velocidad gradualmente sin mayores riesgos. Sin embargo, muchas situaciones requieren el uso rápido de un sistema de frenado muy eficiente para evitar un accidente. Energía Cinética La energía cinética es la energía que posee un objeto en movimiento; por consiguiente, todos los objetos en movimiento tienen energía cinética. Se define como el trabajo requerido para mover un cuerpo de una determinada masa desde el reposo hasta cierta velocidad planteada. Los objetos más pesados a una velocidad dada tienen más energía cinética que los objetos más livianos que se mueven a la misma velocidad. Si el peso se duplica, la energía cinética se duplica. Los objetos en movimiento más rápido tienen más energía cinética que los objetos de movimiento más lento del mismo peso. Así mismo, la energía cinética aumenta por el cuadrado de la velocidad. Esto significa que, si duplicamos la velocidad de un objeto, la energía cinética aumentará cuatro veces. Si triplicamos la velocidad, la energía cinética aumentará nueve veces. Por lo tanto, cuanto más pesado y rápido es un objeto, mayor es su cinética. energía. Durante el frenado, toda la energía cinética del vehículo en movimiento debe convertirse en otra forma de energía (en la mayoría de los casos, calor) para que el vehículo deje de moverse; esta es la función del sistema de frenado. Ecuación de la energía cinética para cualquier cuerpo en movimiento: 1 𝐸𝐶 = 𝑚𝑉 2 2 (1) Fuerza de frenado Es la fuerza que se desarrolla para disminuir la velocidad o detener el vehículo, se calcula multiplicando la masa (𝑚) del vehículo por la desaceleración (𝑑) y su resultado expresándose en 𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛𝑠 (𝑁); en otras palabras, es la fuerza total que desarrollan las pastillas contra los discos de freno, no logrando tener en cuenta los factores como la adherencia del neumático. 12 ℱ =𝑚×𝑑 (2) Figura 3.3.1.Representación y fórmula de la fuerza de frenado La fuerza de frenado total del vehículo es la resultante de la suma de las fuerzas de frenado realizadas por todos los elementos frenantes del vehículo. El sistema de frenos debe ser capaz de desarrollar una fuerza de frenado mayor que la suma de las fuerzas contrarias, es decir, a la suma de la fuerza de impulsión desarrollada por la energía cinética, la fuerza de la gravedad en caso de estar situado el vehículo sobre un plano inclinado y la fuerza del motor transmitida a las ruedas (si el motor se encuentra empujando). En la actualidad, la potencia de frenado máxima de los automóviles supera con creces tales exigencias, siendo la adherencia de los neumáticos sobre el pavimento el factor determinante en la eficacia y deceleración reales conseguidos. La fuerza de frenado debe distribuirse entre las ruedas en función del peso que soportan, el cual varía según la disposición del motor, caja de cambios, número de ocupantes, etc. Puesto que el vehículo no es un "elemento sólido rígido" y posee gran parte de su masa suspendida, la fuerza inercial resultante de la energía cinética produce una transferencia de la carga de atrás hacia adelante durante la frenada, sobrecargando el eje delantero y modificando la capacidad de frenado máxima de cada rueda. Coloquialmente este efecto se conoce como "cabeceo". Por este motivo, los frenos se disponen para que actúen más intensamente sobre las ruedas delanteras, ya que dicha sobrecarga aumenta su adherencia y eleva su punto de bloqueo. El bloqueo sucede cuando la fuerza de frenado supera el límite de adherencia del neumático sobre la superficie. El reparto de frenado varía en cada vehículo en función de la distribución de pesos, el centro de gravedad, la dureza de la suspensión, etc., pero suele ajustarse de manera que se reparta entre un 55 y un 70% en el eje delantero y entre un 30 y 45% en el eje trasero. La distribución de frenada inicial se consigue montando unos frenos delanteros de mayor diámetro y superficie que los traseros. Adicionalmente y como sistema de distribución activa, se utilizan correctores de frenada hidráulicos para el eje trasero (actualmente sustituidos por la regulación antibloqueo de ruedas del ABS). 13 También puede llegar a producirse la alteración de la trayectoria sin producirse el bloqueo de las ruedas. Esto ocurre por un frenado desequilibrado entre las ruedas de un mismo eje. Si la adherencia sobre el terreno es igual en ambas ruedas, su causa es un defecto en el sistema de frenos que resulta más perceptible cuanto mayor es la velocidad. 3.3.1 Fuerza de frenado máxima Es la fuerza límite que se puede desarrollar para frenar un vehículo sin producirse deslizamiento de las ruedas sobre la vía. Se calcula teniendo en cuenta el coeficiente de adherencia del neumático (μ) y el peso (P) del vehículo (en física es la masa multiplicada por la gravedad). Su valor se expresa en Newtons (N). 𝐹𝑓𝑚 = 𝑃 × 𝜇 (3) Tabla 3.3.1.Coeficientes de adherencia Estado de los neumáticos Nuevos Desgastados Coeficiente de adherencia (μ) Asfalto seco Asfalto húmedo Asfalto mojado 0.85 0.65 0.55 0.75 0.50 0.40 También se puede calcular la fuerza de frenado máxima para cada eje, en este caso sustituyendo el peso total del vehículo por el que soporta cada eje durante la frenada, por lo que hay que tener en cuenta el reparto de frenada. (4) 𝐹𝑓1 = 𝑃1 × 𝜇 𝐹𝑓2 = 𝑃2 × 𝜇 (5) Los sistemas de frenos se diseñan teniendo en cuenta estos valores, pues una frenada deja de ser efectiva cuando un neumático se bloquea. Al bloquearse el neumático, el sistema de frenos deja de transformar energía cinética en calor (el disco no se mueve respecto a la pastilla), por lo tanto, el vehículo seguirá desplazándose y la única fuerza que actuará en contra del movimiento será la realizada por la fricción del neumático sobre la superficie de la vía. El coeficiente de fricción estática de los neumáticos contra el suelo es mucho mayor que el de fricción dinámica (se considera que la superficie de contacto entre el neumático y el suelo es un punto estático que varía constantemente de posición) de modo que puede transmitir mayor fuerza. 14 Figura 3.3.2.Representación y fórmulas de las fuerzas de actúan en un frenado sin deslizamiento Difícilmente en condiciones de frenado real se pueda lograr la máxima fuerza de frenado en las 4 ruedas del vehículo de forma simultánea, puesto que el peso que soporta cada rueda y que determina su límite de adherencia varia de forma dinámica durante la frenada. La distribución de pesos sobre las ruedas es demasiado variable. Los pasajeros, la carga, el combustible, la inclinación lateral de desagüe de la vía, el peraltado en algunas curvas modifican las condiciones de funcionamiento cada fracción de segundo. Inclinación de la vía Otro factor que no se suele tener en cuenta es el de la inclinación de la vía, esto es debido a que durante las condiciones operativas normales del vehículo la inclinación suele ser muy pequeña. Cuando el automóvil circula por una pendiente, actúan dos fuerzas principales: El peso del vehículo (P), que debido a la fuerza de la gravedad se descompone en una fuerza perpendicular al suelo (Py) y en una fuerza longitudinal (Px) en dirección a la base de la pendiente, y la fuerza de fricción (Fr), que siempre se opone al movimiento del vehículo. Figura 3.4.1.Fuerzas que intervienen en una frenada sobre un plano inclinado Cuando se circula en una pendiente ascendente, tanto el peso del vehículo como la fuerza de fricción actúan en sentido a la base de la pendiente y oponen resistencia al 15 avance del vehículo, por tanto, la fuerza de frenado se verá incrementada como si se dispusiera de un coeficiente de fricción mayor. Al circular por una pendiente descendiente, la fuerza de fricción sigue oponiéndose al movimiento, pero en este caso el peso desarrolla una fuerza que sigue la misma dirección que el vehículo. En esta situación, la "eficacia" de frenado resulta menor y su fuerza equivaldría a la de un coeficiente de fricción menor. Transferencia de carga Referido al peso del vehículo, en este se definen los tres ejes de giro sobre lo que pivota. Estas transferencias de carga interfieren el desgaste del vehículo y en la conducción. Es una de las razones por las que también se aconseja no llevar carga innecesaria en el coche para evitar que el desgaste tanto de la mecánica como de los neumáticos sea mayor de la necesaria. Teniendo en cuenta además que cuanto más pesado sea nuestro vehículo más esfuerzo tendrá que realizar el sistema de frenado para detener el automóvil, por lo tanto, debe también aumentarse la distancia de frenado. Transferencia longitudinal Cuando un vehículo de tracción delantera va a iniciar la marcha y se acelera, la parte delantera de este sube, por lo que la parte trasera no solo debe soportar su carga, sino que además se transfiere el peso de la parte delantera a la trasera. Transferencia transversal La fuerza centrífuga que actúa sobre un vehículo cuando gira hace que el peso se transmita desde un lado de la carrocería a la otra. Transferencia vertical Sobre el eje vertical también existe una transferencia de pesos y de carga cuando el vehículo se somete a distintas cargas o durante su movimiento de ascenso y descenso. 16 Figura 3.8.1. Ejemplo de la transferencia de carga Distancia de frenado y desaceleración del vehículo La desaceleración de un carro es la tasa de decrecimiento de su velocidad respecto al tiempo, es decir, el módulo de la velocidad disminuirá a medida que el tiempo transcurre. Por lo tanto, el vehículo recorrerá menores tramos en tiempos diferentes hasta que la velocidad tienda a cero. A esta distancia se le conoce como “distancia de frenado” y varía según los parámetros de tiempo, velocidad, aceleración, fuerza de pedal, entre otros. Análisis simplificado de la distancia de frenado En este análisis, se asume al carro como una partícula. Y, por ende, solo se toman en cuenta variables de carácter cinemático, es decir, la distancia de frenado del vehículo dependerá de factores como el tiempo, la velocidad y aceleración. Figura 3.10.1.Diagrama Velocidad vs Tiempo de un vehículo en movimiento desacelerado 17 El diagrama V-t, el área de las dos porciones representan la distancia recorrida por el carro, en donde la primera porción señala una velocidad constante (aceleración nula) mientras que la triangular, una velocidad decreciente (desaceleración). 𝑆𝑡 = 𝑉𝑡𝑟 × 𝑡𝑟 + 𝑉𝑡𝑟 × 𝑡𝑠 2 (6) Análisis ampliado de la distancia de frenado En este análisis, se toma en cuenta que la maniobra de frenado no es instantánea, es decir, el vehículo no logra rápidamente la desaceleración solicitada debido a que depende de la reacción del conductor, la fuerza impartida al pedal, la calidad del sistema de frenos, etc. Figura 3.11.1.Diagrama de análisis de la distancia de parada Además, hay que considerar que esta desaceleración no es constante puesto que puede incrementar si hay aumento de fuerza al pedal o por factores externos como la rugosidad de la pista, calidad de neumáticos, centro de masa del auto, etc. La primera imagen (a) muestra el diagrama ideal y real de la fuerza impartida al pedal en función del tiempo. Ambos diagramas parten desde cero (t=0), y se refiere al instante en el que conductor reconoce el inminente peligro y desea frenar. Mientras que el desfase horizontal (tr) se refiere al tiempo de reacción del conductor, es decir, el tiempo que tardó para recién aplicar la fuerza requerida al pedal. 18 Una vez transcurrido el tiempo “tr”, la fuerza aplicada al pedal empieza a aumentar linealmente. Sin embargo, en el diagrama real la fuerza también aumenta, pero siguiendo una trayectoria senoidal debido a que el conductor disminuirá la fuerza aplicada en ciertos instantes. Cabe aclarar que, para velocidades altas, el sistema de frenos no tendrá la misma eficiencia debido a que la distancia de frenado se reduce, y el conductor no tendrá el tiempo necesario para alcanzar la fuerza requerida. Sin embargo, esto se soluciona con un asistidor de frenado, aplicando rápido y con fuerza la presión de la línea de freno automáticamente para minimizar el tiempo de respuesta. Respecto a la segunda imagen, se muestra el diagrama ideal de la desaceleración respecto al tiempo. A partir de “ta”, la desaceleración aumenta linealmente; es decir, antes de “ta” el auto viajaba a velocidad constante (desaceleración nula), pero empezó a desacelar debido a que la fuerza ejercida al pedal produjo el torque necesario. Este diagrama alcanza un valor máximo (desaceleración máxima) debido a que el sistema de frenado se modula automáticamente para impedir un posible aumento adicional de las fuerzas de frenado de los neumáticos en la carretera. Respecto a la tercera imagen, se muestra el diagrama ideal de la velocidad respecto al tiempo, el cual se deduce del diagrama anterior; por lo tanto, hasta el tiempo ta, la velocidad es constante, sin embargo, entre el lapso comprendido entre ta y ta+tb, la velocidad va disminuyendo a una aceleración variable. Por último, cuando se alcanza la desaceleración máxima, el vehículo disminuye su velocidad a una razón constante (desaceleración máxima). Es por ello por lo que su curva en dicho lapso es una recta cuyo final indica que la velocidad es nula. Finalmente, en la última imagen se muestra al diagrama ideal del desplazamiento del vehículo, en donde del punto 1 al 2 tiene un comportamiento lineal debido a que la velocidad ha sido constante, mientras que del punto 2 al 3 es una curva como consecuencia de la variación de la velocidad a un patrón variable. El trayecto del punto 3 al punto 4 es otro tipo de curva debido a que la velocidad ha decrecido a una desaceleración máxima (razón de proporción fija), situación en la que la velocidad se reduce a 0 y el vehículo deja de desplazarse. La suma de los desplazamientos de cada zona del diagrama proporciona la distancia de frenad. Para ello, se debe analizar cada desplazamiento individual a partir del comportamiento cinemático de los anteriores diagramas. Distancia S1: Distancia S2: 𝑆1 = (𝑉𝑡𝑟 )(𝑡𝑟 ) + (𝑉𝑡𝑟 )(𝑡𝑎 ) (7) 𝑡𝑏 2 𝑆2 = (𝑉1 )(𝑡𝑏 ) − (𝑎𝑚𝑎𝑥 ) ( ) 6 (8) 19 La velocidad al final de este punto será: Distancia S3: 𝑉2 = 𝑉1 − 𝑎𝑚𝑎𝑥 × 𝑡𝑏 2 (9) 𝑉2 2 2𝑎𝑚𝑎𝑥 (10) 𝑆3 = O también: 𝑆3 = ( 1 𝑎𝑚𝑎𝑥 2 × 𝑡𝑏 2 ) (𝑉1 2 + − 𝑉1 × 𝑎𝑚𝑎𝑥 ) 2𝑎𝑚𝑎𝑥 4 (11) Por lo tanto, sumamos cada desplazamiento, y obtenemos la ecuación de la distancia de frenado: 𝑆𝑡 = 𝑆1 + 𝑆2 + 𝑆3 𝑆𝑡 = 𝑉1 (𝑡𝑎 + 𝑡𝑟 + (12) 𝑡𝑏 𝑉1 2 𝑡𝑏 2 )+ − (𝑎𝑚𝑎𝑥 ) ( ) 24 2 2𝑎𝑚𝑎𝑥 (13) Y el tiempo de frenado: 𝑡𝑇 = 𝑡𝑎 + 𝑡𝑟 + 𝑡𝑏 𝑉1 + 2 2𝑎𝑚𝑎𝑥 (14) Tiempo de reacción del conductor en frenado de emergencia El frenado de emergencia puede ser causado por una parcial o completa falla en el sistema de frenado, o por un evento exterior, como una persona que repentinamente se interpone en el camino de un vehículo. En el primer caso, los conductores pueden o no responder correctamente. La mayoría de los conductores no usará el freno de emergencia o de estacionamiento debido a que una falla del freno de servicio es un evento inesperado y repentino, por lo que los conductores promedio no suelen practicar una acción de respuesta adecuada frente a este escenario. En el segundo caso, el conductor probablemente aplicará toda la fuerza del pedal y el sistema de frenos responderá según a como fue diseñado. En una emergencia causada por un evento exterior, la distancia de frenado generalmente se ve muy afectada por el tiempo de reacción del conductor. En las reconstrucciones de 20 accidentes generalmente se cubre el tiempo de reacción desde la percepción del peligro hasta que algunos o todos los frenos son bloqueados. La reacción del conductor consta de cuatro fases: percepción, juicio, inicio de la reacción, y ejecución de la reacción. En ciertos casos, como en una aplicación de frenado proveniente del pánico, el tiempo de juicio puede ser mínimo. Los resultados de un gran número de pruebas del tiempo de reacción medido en maniobras de frenado de emergencia simulado muestran que los valores típicos de 0,75 a 1,5 segundos son generalmente aceptables. Así mismo, los análisis estadísticos de una gran cantidad de datos de prueba sugieren que pueden existir diferencias para los tiempos de reacción utilizados en la reconstrucción de accidentes. A continuación, se presenta una pequeña revisión de los hallazgos. Generalmente, primero aparecerá un objeto o peligro en la visión periférica del conductor. Solo después de que el conductor haya enfocado los ojos en el objeto, comenzará la reacción humana planificada. Es importante reconocer que la primera aparición de un objeto en la visión periférica del conductor no es el comienzo del tiempo de reacción. La psicología experimental también ha determinado que los tiempos de reacción humanos son más cortos para una señal esperada que para una señal inesperada o menos observada. Los conductores utilizan la “atención distribuida” mientras conducen para escanear toda la escena a su alrededor, para recopilar señales y posibles conflictos. Solo después de haber cambiado a la “atención concentrada'', y se centran en el peligro, puede empezar una reacción controlada. Antes de enfocar los ojos, es posible que el conductor deba mover la cabeza para acercar el objeto en visión directa. Los resultados de la prueba muestran que transcurrirá un tiempo entre 0,32 y 0,55 segundos desde el momento en que un objeto entra en la visión periférica del conductor hasta que los ojos se centran en el objeto. El tiempo de reacción siguiente corre desde el momento en que se enfocan los ojos hasta que el conductor comience a levantar el pie del acelerador. Los resultados de la prueba muestran un intervalo de tiempo de reacción de 0,22 a 0,58 segundos. El tiempo de cambio de pedal cubre el período desde el momento en que el pie derecho levanta el pedal del acelerador y comienza a desplazar el pedal del freno. Las mediciones muestran un rango entre 0,15 y 0,21 segundos. Para frenos hidráulicos, el tiempo de respuesta del sistema de frenos fue de 0.03 a 0.06 segundos, indicando que solo se requiere una pequeña cantidad de tiempo para poner las almohadillas en contacto con los discos. Por último, entra en juego el tiempo de reducción de velocidad, el tiempo durante el cual el torque del freno de la rueda aumenta de cero a su valor máximo hasta que los frenos se bloqueen. Las mediciones indican un rango de 0,14 a 0,18 segundos. Esta vez, los valores son una función de la velocidad del vehículo y de los niveles de fricción entre neumáticos y carretera. 21 Finalmente, sumando los intervalos de tiempo, se obtiene como resultado que el tiempo total, desde el momento en que el objeto entró en la visión periférica del conductor hasta que los frenos están bloqueados, se encuentra en un rango de 0,86 a 1,58 segundos. Reglamento nacional de tránsito (extractos) 3.13.1 Distancia Artículo 92º.- El conductor está obligado a conservar la distancia suficiente entre el vehículo que conduce y el vehículo que lo precede, que le permita si se produce la detención de éste, una maniobra segura, teniendo en cuenta la velocidad y las condiciones de la vía. Asimismo, a dejar suficiente espacio respecto al vehículo que lo precede, para que el vehículo que lo adelante lo haga sin peligro. Para transitar los vehículos automotores menores, destinados al transporte público especial de pasajeros o carga, deben estar equipados de la siguiente forma: 1. Un sistema de frenos capaz de detener el vehículo en una distancia de (05) metros cuando éste circule a una velocidad máxima de treinta (30) kilómetros por hora, en un pavimento seco. 3.13.2 Frenos Artículo 246º.- Todo vehículo automotor para transitar por la vía pública, debe tener y mantener como mínimo el siguiente equipamiento obligatorio, en condiciones de uso y funcionamiento: Tres sistemas de frenos, servicio, estacionamiento auxiliar, para ómnibus y camiones. El freno de servicio de dos circuitos independientes, uno para el eje delantero y otro para el eje posterior o motriz, que permitan controlar el movimiento del vehículo y detenerlo y también mantenerlo inmóvil. Artículo 249º.- Para transitar los vehículos automotores menores, destinados al transporte público especial de pasajeros o carga, deben estar equipados de la siguiente forma: 1. Un sistema de frenos capaz de detener el vehículo en una distancia de (05) metros cuando éste circule a una velocidad máxima de treinta (30) kilómetros por hora, en un pavimento seco. 3.13.3 Velocidad Artículo 93º.- El conductor debe circular siempre a una velocidad permitida tal, que teniendo en cuenta su estado físico y mental, el estado del vehículo que conduce, su carga, la visibilidad existente, las condiciones de la vía y el tiempo y la densidad del tránsito, tenga siempre el total dominio del vehículo que conduce y no entorpezca la circulación. De no ser así, debe abandonar la calzada y detener la marcha. Artículo 160º.- El conductor no debe conducir un vehículo a una velocidad mayor de la que sea razonable y prudente, bajo las condiciones de transitabilidad existentes en una vía, debiendo considerar los riesgos y peligros presentes y posibles. En todo caso, la velocidad debe ser tal, que le permita controlar el vehículo para evitar accidentes. 22 Artículo 161º.- El conductor de un vehículo debe reducir la velocidad de éste, cuando se aproxime o cruce intersecciones, túneles, calles congestionadas y puentes, cuando transite por cuestas, cuando se aproxime y tome una curva o cambie de dirección, cuando circule por una vía estrecha o sinuosa, cuando se encuentre con un vehículo que circula en sentido contrario o cuando existan peligros especiales con respecto a los peatones u otros vehículos o por razones del clima o condiciones especiales de la vía. Artículo 162º.- Cuando no existan los riesgos o circunstancias señaladas en los artículos anteriores, los límites máximos de velocidad son los siguientes: a) En zona urbana: − − − − − En Calles y Jirones: 40 Km/h. En Avenidas: 60 Km/h. En Vías Expresas: 80 Km/h. Zona escolar: 30 Km/h. Zona de hospital: 30 Km/h. b) En Carreteras: − − − − − − − Para, automóviles, camionetas y motocicletas: 100 Km/h. Para vehículos del servicio público de transporte de pasajeros: 90 Km/h. Para casas rodantes motorizadas: 90 Km/h. Para vehículos de carga:80 Km/h. Para automotores con casa rodante acoplada: 80 Km/h. Para vehículos de transporte de mercancías peligrosas: 70 Km/h. Para vehículos de transporte público o privado de escolares: 70 Km/h. c) En caminos rurales: 60 Km/h. Artículo 163º.- Los límites de velocidad en Carreteras que cruzan centros poblados, son los siguientes: a) En zonas comerciales: 35 Km/h. b) En zonas residenciales: 55 Km/h. c) En zonas escolares: 30 Km/h. La Autoridad competente, debe señalizar estos cruces. Artículo 164º.- Límites máximos especiales: a) En las intersecciones urbanas no semaforizadas: la velocidad precautoria, no debe superar a 30 Km/h. b) En los cruces de ferrocarril a nivel sin barrera ni semáforos: la velocidad precautoria no debe superar a 20 Km/h., y después de asegurarse el conductor que no se aproxima un tren. 23 c) En la proximidad de establecimientos escolares, deportivos y de gran afluencia de personas, durante el ingreso, su funcionamiento y evacuación, la velocidad precautoria no debe superar a 20 Km/h. d) En vías que circunvalen zonas urbanas, 60 Km/h., salvo señalización en contrario. Artículo 165º.- Las reglas y límites de velocidad mínima son las siguientes: a) En zona urbana y Carreteras: la mitad del máximo fijado para cada tipo de vía. b) En caminos: 20 Km/h, salvo los vehículos que deban utilizar permisos y las maquinarias especiales. Fuentes de Voltaje Una fuente de voltaje es un equipo que suministra voltaje a una carga. Por carga definimos todo aquello conectado a la fuente de voltaje que reciba energía, es decir, un circuito, una resistencia, un capacitor, un automóvil, un motor, etcétera. Existen dos tipos, de voltaje constante y de voltaje variable alterna. Figura 3.14.1.Simbología de la fuente de voltaje constante Figura 3.14.2.Simbología de la fuente de voltaje variable 24 Fuente de tensión La fuente de corriente o tensión se describe como el dual de la fuente de voltaje. Así como una batería proporciona un voltaje fijo a una red, una fuente de corriente establece una corriente fija en la rama donde se localiza. Además, la corriente a través de una batería es una función de la red a la cual se aplica, así como el voltaje a través de una fuente de corriente es una función de la red conectada. Figura 3.15.1.Simbología de la fuente de tensión Resistencias Elemento eléctrico que se opone al flujo de corriente en el conductor, obteniendo como resultado una disminución de su tensión. Disipando la energía eléctrica en forma de calor Figura 3.16.1.Simbología de una resistencia Condensador Elemento de un circuito eléctrico capaz de acumular y conservar cargas eléctricas de signos contrarios. Un condensador está formado generalmente por 2 superficies conductoras (armaduras) separadas por un aislante (dieléctrico). La cantidad de cargas eléctricas acumulables es proporcional a la superficie de las armaduras e inversamente proporcional a la distancia o separación entre ellas. La capacidad de un condensador se mide en faradios (F). Los submúltiplos más empleados son el picofaradio (pF) y el microfaradio (mF). 25 Un condensador no permite el paso de la corriente continua, pero actúa como conductor en serie en los circuitos de corriente alterna. Por este motivo los condensadores se emplean para absorber descargas eléctricas, para seleccionar las corrientes alternas entre las continuas, para filtrar ciertas frecuencias en las corrientes alternas y como elementos armónicos en los circuitos oscilantes. Figura 3.17.1.Simbología de un condensador o capacitor Amplificador operacional El amplificador operacional, también llamado opamp, es un circuito integrado cuya principal función es amplificar el voltaje con una entrada de tipo diferencial para tener una salida amplificada y con referencia a tierra. Es uno de los componentes electrónicos más importantes en el diseño de circuitos analógicos. Son ampliamente utilizados en redes de retroalimentación y contribuyen con el desarrollo de un sinfín de circuitos a un bajo costo utilizando pocos componentes. Figura 3.18.1.Simbología y partes del amplificador operacional Voltímetro Un voltímetro es un instrumento de medición que se utiliza para medir la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos en una corriente eléctrica. En términos técnicos, los voltímetros son considerados como amperímetros, esto es porque miden la corriente eléctrica en lugar de la tensión. El voltaje solamente se mide cuando la corriente eléctrica se transmite en el circuito eléctrico a través de la resistencia. También se le conocen como multímetros porque también miden la resistencia y la corriente. 26 Figura 3.19.1.Voltímetro, también conocido como Multímetro Osciloscopio Un osciloscopio es un instrumento de medición electrónica, consiste en la representación de amplitudes o tensiones en el eje vertical y el tiempo en el eje horizontal, todo esto se visualiza en la pantalla, cuya grafica se le denomina oscilograma. Mayormente se complementa con un multímetro, una fuente de alimentación y un generador de funciones Figura 3.20.1.Osciloscopio Convertidor de corriente-voltaje En algunos casos requerimos convertir una señal de referencia de corriente eléctrica a voltaje o tensión. Un convertidor de Corriente a Voltaje. Para este caso, podemos hacer uso de una resistencia y determinar el voltaje por ley de Ohm. Sin embargo, si queremos algo más preciso tenemos la siguiente configuración. Este circuito considera el ciclo o malla de retroalimentación en un amplificador operacional. Entre los dispositivos que dan una señal de corriente determinada está el fotodiodo, el cual es la corriente la que varía, no el voltaje. Para esto tenemos que implementar el siguiente circuito. 27 Figura 3.21.1.Circuito de un conversor corriente – voltaje La diferencia de potencial entre las terminales es de 0V. Por lo tanto, el voltaje en la terminal no inversora de entrada es de 0V (es una tierra virtual). Además, para una configuración de retroalimentación, la corriente que fluye por la terminal de entrada es la misma que la de la resistencia de retroalimentación. 𝑖2 = 𝑖1 = 𝑖𝑠 (15) 𝑣0 = −𝑖𝑠 𝑅𝐹 (16) El voltaje de salida es: Seguidor de voltaje Un seguidor de voltaje (también llamado amplificador buffer, amplificador de ganancia unitaria o amplificador de aislamiento) es un circuito amplificador operacional que tiene una ganancia de voltaje de 1. Esto significa que el amplificador operacional no proporciona ninguna amplificación a la señal. La razón por la que se llama un seguidor de tensión es porque el voltaje de salida sigue directamente el voltaje de entrada, significando que el voltaje de salida es igual que el voltaje de entrada. Así, por ejemplo, si 10V entra en el amplificador operacional como entrada, 10V sale como salida. Un seguidor de voltaje actúa como un buffer, no proporcionando ninguna amplificación o atenuación a la señal. 28 Figura 3.22.1.Seguidor de voltaje 3.22.1 Filtro rechaza banda pasivo Se encarga de atenuar una determinada banda de frecuencias y las deja pasar el resto. El filtro es de tercer orden debido a que cuenta con tres elementos reactivos. Esquema del circuito de un filtro rechaza banda pasivo (Filtro RC Notch Twin-T) La señal que se desea filtrar se conecta por el lado izquierdo y como resultado se tendrá una señal filtrada por el lado derecho. Las fórmulas para calcular los valores de cada uno de los elementos son las siguientes: El valor de C1 es de libre elección, obviamente tiene que ser un valor congruente. 𝑅1 = 1/(4 ∗ 𝜋 ∗ 𝑓𝑜 ∗ 𝑄 ∗ 𝐶1) (17) 1 2π ∗ 𝑓𝑜 ∗ (1 − 2Q) ∗ C1 (18) R2 = R3 = 1 2π ∗ 𝑓𝑜 ∗ C1 (19) 29 Donde: - C2 = 2 ∗ Q ∗ C1 (20) C2 = 2 ∗ Q ∗ C1 (21) C3 = (1 − 2Q) ∗ C1 (22) Q es un factor de calidad que no debe pasar los 0.5 𝑓𝑜 es el valor de la frecuencia, esta frecuencia no pasará por el filtro debido a que se le va a aplicar un valor de ganancia igual a 0. Filtro pasa banda Es un filtro que solo deja pasar un determinado rango de frecuencias y al resto las atenúa, ósea le aplica una ganancia muy cercana a cero. Figura 3.23.1.Filtro pasa banda pasivo de segundo orden Para calcular el valor de cada uno de los componentes del circuito se utilizan las siguientes ecuaciones: El valor de C1 es de libre elección, obviamente tiene que ser un valor congruente. 𝑚 = √2𝑄 𝑅1 = 𝑅2 = ( 𝐴= 1 + √1 − 𝑚 3 2 𝐴 2𝜋𝑓𝑜𝑄𝐶1 𝑚 )𝑅 1−𝑚 1 (23) (24) 30 𝐶2 = 𝑄 2𝜋𝑓𝑜𝐴𝑅2 𝑓𝑜 = √𝑓1 ∗ 𝑓2 (25) (26) 31 4. ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN A lo largo de la historia automovilística, ha surgido una gran cantidad de invenciones enfocadas elevar la seguridad de los pasajeros. Evidentemente, el invento de mayor relevancia es el del cinturón de seguridad, que desde su creación ha salvado la vida de millones de personas. Si se trata de mencionar al segundo sistema de seguridad de mayor relevancia, en definitiva, tenemos al sistema de frenado autónomo de emergencia (AEB). Este sistema, que frena de forma automática el vehículo cuando detecta que se va a producir una colisión o un atropello, incrementa sustancialmente la seguridad de dos formas. En primer lugar, porque es capaz de evitar muchos accidentes. Y en segundo, porque reduce la gravedad de las colisiones que no pueden evitarse, al disminuir la velocidad del impacto. La historia de la invención del frenado de emergencia parte del invento Pre-Safe Brake, desarrollado por Mercedes-Benz en el 2006 en el automóvil clase S. Gracias a dicha invención los fabricantes de autos, en su totalidad, empezaron a utilizar estos métodos de seguridad extra. Es por eso por lo que, a lo largo de su historia de innovación, se presentaron diversas alternativas de solución e implementación del AEB: Detección de sueño o falta de atención al volante Utilizados en la mayoría de los autos sedan, es un sistema electrónico con un sensor en el volante, que cuenta cuántas veces por minuto el conductor realiza pequeñas correcciones en la dirección. Con el tiempo dicha alternativa de solución fue innovando y ahora cuenta con un detector de fatiga, que es una cámara sensor que percibe los cambios de expresión de la cara del conductor. Dicho sistema trabaja a la par con un sistema de disminución automática de la velocidad si es que se detecta que el conductor se ha dormido. Reconocimiento de señales de velocidad y adelantamiento Este sistema de prevención de accidentes automovilísticos cuenta con una cámara de alta resolución y gran angular, colocada en la parte alta del parabrisas y centrada delante del espejo retrovisor; la cámara vigila los márgenes de la calzada y reconoce las señales circulares de velocidad máxima, prohibido adelantar, fin de velocidad máxima y fin de prohibido adelantar. Dicho sistema cuenta con la ventaja de disminuir los accidentes de tránsito ocasionados por descuidos al no obedecer la señalización de la zona. Sistemas ADAS, frenado de emergencia Los automóviles modernos equipan cada vez más sistemas de asistencia a la conducción que incrementan notablemente la seguridad activa y suponen los primeros pasos hacia una conducción completamente autónoma. Englobados bajo las siglas ADAS (Advanced Driver Assistance Systems, por sus siglas en inglés), estos sistemas van 32 desde el frenado autónomo de emergencia con detección de peatones, la detección de ángulo muerto o el sistema de detección de fatiga, a la alerta de cambio involuntario y de carril, el mantenimiento activo en el carril, la alerta de tráfico trasero cruzado o el reconocimiento de señales de tráfico. Los dispositivos ADAS necesitan de 'ojos' que vean todo lo que sucede alrededor del coche y recojan esa información, para luego actuar en consecuencia y ayudar al conductor a tomar decisiones con la mayor seguridad posible, explica Carglass, empresa dedicada a la reparación y sustitución de lunas de vehículos. Esos 'ojos' son diferentes sensores, cada uno de ellos con unas capacidades y limitaciones por su tecnología y naturaleza. Solo la combinación de la información aportada por todos ellos, denominada fusión de sensores, por parte del 'cerebro' del automóvil, produce un reconocimiento fiable del entorno. Control de velocidad adaptativo (con sistema de distancia de seguridad) Basado en un sistema de detección de distancia donde se dictamina que si el auto no tiene la distancia entre el auto que se tiene adelante este empieza a desacelerar, y si esto no llega a ser suficiente, actuará sobre los frenos activándolos hasta que se logré la distancia mínima para una conducción segura. Dicha alternativa presenta una extensa serie de mejoras dependiendo de la marca de automóvil que la desarrolla, pero en general, hoy en día el sistema se basa en un conjunto de sensores de distancia, cámaras, luminosidad y de humedad que determinan si una situación requiere una disminución de velocidad ya sea por frenado en seco o frenado lento. Sistemas de frenado automático marcha atrás Este sistema sirve para ayudar a disminuir las colisiones cuando el automóvil está retrocediendo. Esto se logra usando sensores y/o también una cámara de video que se instalan lógicamente en la parte trasera del automóvil y que gracias a su combinación con un sistema de frenado automático ayudan a detectar objetos, personas, postes, etc. Este sistema dará como respuesta un frenado automático y una alarma de emergencia cuando la parte trasera del automóvil esté cerca de colisionar. 33 5. PROPUESTA DE SOLUCIÓN En base al estudio teórico realizado, y habiendo analizado las distintas propuestas de solución, este grupo de investigación ha decidido idear su propia inventiva. Se trata de un sistema de frenado automático basado en sensores analógicos. La funcionalidad de este sistema es la actuación automática del automóvil frente a situaciones en donde se presente un obstáculo imprevisto y, dependientemente de la velocidad registrada el instante del reconocimiento de este, se aplicará un frenado adecuado con la finalidad de evitar la colisión. Para lograr esto se utilizarán sensores de proximidad, velocidad, sensorial y de lluvia, los cuales se encargarán de producir una señal expresada en corriente o diferencial de voltaje. La señal tendrá su paso por un microcontrolador que recalibrará esta señal de medición. Finalmente, la nueva información será ingresada a un software, el cuál interpretará dicha señal y mandará la orden de frenado. El desarrollo de la propuesta ha sido centrado en la parte analógica de este sistema, cuya función es la medición y recalibración de las señales expresadas en diferencial de voltaje. La parte correspondiente al software será mencionada de manera adicional, más no será profundizada por razones de áreas de interés. Diagrama de flujo no detallado del proceso 34 6. DESARROLLO DEL CIRCUITO Se ha diseñado un circuito para cada sensor que recogerá la señal emitida por estos y la transformará para que sea trabajada por un Arduino. Se utilizarán un sensor de proximidad, para saber a qué distancia se encuentra el objeto; un sensor de velocidad, que medirá las revoluciones en los ejes; y un sensor de lluvia, que determinará que coeficiente se usa para la adherencia del asfalto. Nuestro circuito de solución consta de una serie de conversión, filtrado y amplificación con la finalidad de obtener un voltaje de salida entre 1-5 voltios de cada uno de los sensores para así poder interpretar diferentes situaciones que requieran o no un frenado de emergencia. Circuito 1 – Sensor de proximidad Para el sensor de proximidad se ha empleado el transmisor de nivel ultrasónico UE3003 marca Holykell. Está desarrollado combinando sensores ultrasónicos, sensores de temperatura, servocircuito ultrasónico, circuito de transmisión y utiliza componentes SMD y ASIC. Es resistente al agua, resistente al polvo y se adapta a la mayoría de las condiciones de trabajo en el sitio, una instalación muy rápida y fácil, se puede realizar el mantenimiento. Tabla 6.1.1.Características del sensor Holykell OEM UE3003 Fuente de alimentación: DC 24 V/300mA Rango: 20 metros Temperatura de funcionamiento: Temperatura de almacenamiento: 0 - 50 °C; (personalizado de -20 a + 70, -10 °C + 60 °C) Salida: Corriente: 4 – 20 mA -40 °C - 85 °C 6.1.1 Primera etapa La primera etapa del sensor de proximidad consta de un conversor de señal de corriente a señal de voltaje ya que el sensor de proximidad tiene una salida analógica de 4-20 mA. Para este caso usaremos un generador de corriente senoidal que represente el sensor. 35 Figura 6.1.1.Esquema teórico para convertir señal-Sensor de proximidad. El conversor mostrado en la Figura 6.1.1.2 transforma la señal de corriente de entrada en una señal de voltaje dependiendo de la Resistencia Rf, por lo que se tiene la siguiente ecuación de voltaje de salida: 𝑉𝑜 = −𝑅𝑓 ∗ 𝐼𝑖 𝑅𝑠 = ∞ Figura 6.1.2.Primera etapa-sensor de proximidad Figura 6.1.3.Señal de voltaje de salida de la primera etapa-Sensor de proximidad En la figura 6.1.1.3 se aprecia la implementación del circuito de conversión de señal para la primera etapa del sensor de proximidad, donde usamos como ejemplo que está 36 midiendo 20 mA para así obtener un voltaje de salida con una amplitud de 2 V, como se aprecia en la ilustración 3, o un voltaje RMS de 1.41 V que mide un voltímetro AC conectado en la salida de la etapa. A continuación, se presenta los breves cálculos de las resistencias para obtener lo mencionado. 𝑉𝑜 = −𝑅2 ∗ 20 ∗ 10−3 𝑉𝑜 = −100 ∗ 20 ∗ 10−3 = 2 𝑉 𝑅1 = 1 𝑀Ω ≃ ∞ 6.1.2 Segunda etapa Para la segunda etapa del primer sensor se propone un filtrado con un filtro rechaza banda pasiva, ya que nuestro sensor trabaja a una frecuencia de 5 Hz, que se considera una frecuencia baja y lo que se quiere lograr es filtrar ruidos con frecuencias comprendidas entre 50-60 Hz ya que son las más comunes. Figura 6.1.4.Filtro Notch Twin-T-Sensor de proximidad Elegimos la frecuencia central de 60 Hz, pues es el ruido electromagnético proveniente de distintos aparatos electrónicos, el factor de calidad de 0.25 y C1 de 220nF (220𝑥10−9𝐹): 𝑅1 = 1/(4 ∗ 𝜋 ∗ 𝑓𝑜 ∗ 𝑄 ∗ 𝐶1) = 1/(4𝜋 ∗ 60 ∗ 0.25 ∗ 220𝑛𝐹) = 24.1144 ≈ 24𝑘Ω R2 = 1 = 1 2π ∗ 60 ∗ (1 − 2 ∗ 0.25) ∗ 220nF 2π ∗ f0 ∗ (1 − 2Q) ∗ C1 R3 = 𝑅2 = 24.1148 ≈ 24kΩ 1 1 = = 12.057 ≈ 12kΩ 2π ∗ f0 ∗ C1 2π ∗ 60 ∗ 220nF C2 = 2 ∗ Q ∗ C1 = 2 ∗ 0.25 ∗ 220F = 110nF C3 = (1 − 2Q) ∗ C1 = (1 − 2 ∗ 0.25) ∗ 220nF = 110n𝐹 37 Figura 6.1.5.Segunda etapa-Sensor de proximidad Figura 6.1.6.Señal de salida del filtro rechaza banda-Sensor de proximidad En la Figura 6.1.2.4 se muestra el filtro rechaza banda pasiva añadido justo después de la etapa de conversión y notamos que hay una ligera pérdida de voltaje de aproximadamente 0.1 voltios debido a las resistencias, pero podemos arreglar dicha variación de voltaje haciendo un arreglo con seguidor de voltaje conectando el condensador 3 a la unión del inverting input y el output con la finalidad de mantener el voltaje de salida de la primera etapa. 38 Figura 6.1.7.Segunda etapa mejorada-Sensor de proximidad Figura 6.1.8.Señal de salida del filtro rechaza banda con arreglo-Sensor de proximidad Nos percatamos que ahora se pierde menos voltaje, en este caso perdemos aproximadamente 0.02 voltios. Dicha perdida se compensará en la última etapa de amplificación para así lograr el objetivo de obtener valores comprendidos entre 1-5 V. También realizaremos una prueba de filtrado de las frecuencias que interfieren en algunas ocasiones, para este caso simularemos que hay una frecuencia de 60 Hz interfiriendo con el sistema del sensor de proximidad. Figura 6.1.9.Ajuste de señal de 60 Hz-Sensor de proximidad 39 Figura 6.1.10.Simulación con señal de 60 Hz-Sensor de proximidad Notamos en la figura 6.1.2.8 que la señal de 60 Hz no pasa del filtro al ver que los voltímetros no detectan voltaje. Para los condensadores de la segunda etapa los cambiaremos por dos condensadores en paralelo con la finalidad de tener los condensadores con los valores comerciales. Figura 6.1.11.Arreglo de condensadores-Sensor de proximidad 6.1.3 Tercera etapa La tercera y última etapa del primer sensor consta en una amplificación utilizando un circuito amplificador inversor, ya que la conversión al inicio del circuito invertía la onda. Con la finalidad de acercar el circuito a un uso práctico en la realidad usaremos una resistencia variable con la finalidad de poder calibrar la relación de amplificación para que la señal de salida tenga un voltaje entre 1-5 V. El hecho de la calibración se toma en cuenta porque así podemos evitar pérdidas en la amplificación o cualquier inconveniente con los sensores. Para los cálculos de las resistencias para el caso ideal se tomó en cuenta que el factor de amplificación tiene que ser igual a 3.53. 𝑅𝑉1 = 283Ω 𝑅24 = 1000Ω 40 𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 = 𝑅24 = 3.53 𝑅𝑉1 Figura 6.1.12.Tercera etapa-Sensor de proximidad La Figura 6.1.3.2 nos muestra la etapa final acoplada a las demás etapas dando un resultado interpretando los 20mA a 5V logrando así un circuito eficiente y seguro al transformar, filtrar y amplificar la señal de entrada para obtener el valor de voltaje de salida requerido. Figura 6.1.13.Circuito 1 completo-Sensor de proximidad Circuito 2-Tacometro: Se usará el sensor ST420. Es un sensor de velocidad de ejes con salida analógica. Este sensor detecta pulsos magnéticos provenientes de un emisor magnético montado sobre un eje rotativo y emite a su vez una salida analógica de 4 – 20 mA directamente proporcional a la frecuencia de los pulsos magnéticos (velocidad de rotación del eje). Figura 6.2.1.Tacómetro 41 Y cuenta con las siguientes características: Tabla 6.2.1.Características del sensor ST420 Fuente de alimentación Rango de medición Temperatura de operación Precisión Salida 8 a 30 VDC 2 a 2000 rpm -20 °C a 85 °C Máximo error a 25 °C: +/-0.25% 4 a 20 mA 6.2.1 Primera etapa: La primera etapa del tacómetro consta de un conversor de señal de corriente a señal de voltaje ya que el tacómetro tiene una salida analógica de 4-20 mA. Dicho caso es muy similar a la primera etapa del sensor de proximidad por lo que se omitirán los cálculos respectivos para esta primera etapa. Figura 6.2.2.Primera etapa-Tacómetro Figura 6.2.3.Señal de salida 1era etapa-Tacómetro 42 6.2.2 Segunda etapa Para la segunda etapa del segundo sensor se propone un seguidor de voltaje con la finalidad de mantener constante voltaje hasta llegar a la fase de amplificación. Figura 6.2.4.Seguidor de voltaje-Tacómetro 6.2.3 Tercera etapa Para esta última etapa amplificamos el voltaje de la penúltima etapa para llevar el voltaje al rango requerido de 1-5V. Figura 6.2.5.Tercera etapa-Tacómetro Pusimos una resistencia variable en la última etapa de amplificación con la finalidad de poder calibrar manualmente la ganancia del ultimo amplificador y así evitar alguna perdida que pueda existir durante el proceso. 43 Figura 6.2.6.Circuito completo-Tacómetro Circuito 3-Sensor de lluvia o humedad El sensor por emplear será el YL-83, que alertará sobre la presencia de lluvia/humedad en el ambiente. Para que este funcione se debe conectar a una fuente de 5V de preferencia, en su placa existen unas pistas conductoras que, al estar en contacto con el agua, se producirá un cortocircuito, ya que el agua hace de puente entre las pistas con polaridad positiva y las conectadas al GND. En el amplificador operacional que tiene integrado, se encarga, valga la redundancia, de amplificar el diferencial de voltaje que genera la gota de agua al estar en la placa de baquelita. El sensor cuenta con las siguientes características: Tabla 6.3.1.Características del sensor YL-83 Alimentación Frecuencia Salida Temperatura de funcionamiento 3.3V - 5Vdc 1500 - 6000 Hz 0 - 2V 0°C - 60°C 6.3.1 Primera etapa Para la primera etapa del circuito consta en una nivelación de la señal ya que nuestro sensor escogido tiene un voltaje de salida analógica de 1-3V, por lo que por medio de un restador de voltaje y un generador de señal externo llevamos el voltaje de salida entre 0-2V para facilitar los cálculos al momento de amplificar la señal para obtener una salida de 1-5V. El nivelador de señal que se indica en la ilustración 19 se configuro con 1V y la misma frecuencia del sensor de lluvia o humedad. 44 Figura 6.3.1.Primera etapa-sensor de lluvia Figura 6.3.2.Señal de voltaje de salida de la primera etapa-Sensor de lluvia Para el cálculo de las resistencias, en el restador, use resistencias iguales para así no obtener ganancia con la finalidad de poder filtrar y amplificar los 2 voltios de salida. 𝑅9 = 𝑅10 = 𝑅11 = 𝑅12 = 10𝑘Ω 6.3.2 Segunda etapa Para esta etapa, a diferencia de la segunda etapa del sensor de proximidad, usaremos un filtro pasa banda porque el sensor de lluvia elegido puede tener una frecuencia de salida entre 1500 Hz y 6000 Hz como especifica su hoja de datos. Por dicha razón calcularemos las resistencias y los condensadores necesarios para elaborar un filtro que cumplan con los intervalos de frecuencia que pueda tener el sensor. Para el cálculo reduciremos el mínimo valor de frecuencia a 500 para no correr el riesgo de perder voltaje. 45 Figura 6.3.3.Esquema teórico filtro pasa banda- Sensor de lluvia 𝐵𝑊 = 6000 − 500 = 5500 𝐻𝑧 𝑓𝑜 = √𝑓1 ∗ 𝑓2 = √6000 ∗ 500 = 1732 𝐻𝑧 𝑄 = 0.34 𝐶1 = 220𝑛𝐹 R1 = 1021.34 ≃ 1021Ω 𝑅2 = 4.8 𝑘Ω ≃ 5𝑘Ω 𝐶2 = 0.1 𝑛𝐹 Figura 6.3.4.Filtro pasa banda-Sensor de lluvia Se observa en la Figura 6.3.2.2 que nuestro filtro deja pasar la señal de 3750 Hz con una pérdida de voltaje insignificante, pero para comprobar que los ruidos de 60 Hz no interferirán en nuestro circuito se realizara la simulación respectiva. 46 Figura 6.3.5.Señal de 60 Hz en filtro pasa banda-Sensor de lluvia 6.3.3 Tercera etapa En esta penúltima etapa del circuito 3 consta de un seguidor de voltaje con la finalidad de mantener el voltaje. Figura 6.3.6.Seguidor de voltaje-Sensor de lluvia 6.3.4 Cuarta etapa Para esta última etapa llevamos el voltaje de salida de la anterior etapa a un intervalo entre 1-5V. Para esto usaremos un amplificador no inversor con una ganancia de 3.6. 47 Figura 6.3.7.Cuarta etapa-Sensor de lluvia Pusimos una resistencia variable en la última etapa de amplificación con la finalidad de poder calibrar manualmente la ganancia del ultimo amplificador y así evitar alguna perdida que pueda existir durante el proceso. Figura 6.3.8.Circuito 3 completo-Sensor de lluvia Diseño del PCB: 6.4.1 Dimensiones: [cm] Figura 6.4.1Dimensiones del diseño 48 6.4.2 PCB sin componentes: Figura 6.4.2. PCB sin componentes y medidas Figura 6.4.3. PCB sin componentes 49 6.4.3 PCB con componentes: Figura 6.4.4. PCB con componentes vista frontal Figura 6.4.5 PCB con componentes 50 Figura 6.4.6 Figura 6.4.7 51 Figura 6.4.8 Las figuras: Figura 6.4.4,Figura 6.4.5, Figura 6.4.6, Figura 6.4.7, Figura 6.4.8 son del PCB con componentes vistas desde diferentes ángulos. 52 Diagrama de flujo detallado del proceso 53 7. INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS Sensor de proximidad Tabla 7.1.1. Resultados del sensor de proximidad Voltaje (V) Distancia (m) 1.0 0.0 1.1 0.5 1.2 1.0 1.3 1.5 1.4 2.0 1.5 2.5 1.6 3.0 1.7 3.5 1.8. 4.0 1.9 4.5 2.0 5.0 2.1 5.5 2.2 6.0 2.3 6.5 2.4 7.0 2.5 7.5 2.6 8.0 2.7 8.5 2.8 9.0 2.9 9.5 3.0 10.0 3.1 10.5 3.2 11.0 3.3 11.5 3.4 12.0 3.5 12.5 3.6 13.0 3.7 13.5 3.8 14.0 3.9 14.5 4.0 15.0 4.1 15.5 4.2 16.0 4.3 16.5 4.4 17.0 4.5 17.5 4.6 18.0 4.7 18.5 54 4.8 4.9 5.0 19.0 19.5 20.0 Sensor de velocidad Tabla 7.2.1.Resultados del sensor de velocidad Voltaje (V) 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8. 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 RPM 2 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700 1750 1800 55 4.7 4.8 4.9 5.0 1850 1900 1950 2000 Sensor de lluvia Tabla 7.3.1.Resultados del sensor de lluvia Voltaje (V) 1<V<2 2<V<4 4<V<5 Nivel de humedad Seco Húmedo Mojado 56 8. ACTUACIÓN DEL SISTEMA ANTE ESCENARIOS TEÓRICO – PRÁCTICOS El siguiente escenario ha sido diseñado teniendo como referencia al reglamento nacional de tránsito (Pág.22). Escenario Un auto CORROLLA 2016 circula en determinada carretera donde la velocidad máxima permitida es 100 km/h. Inicialmente, la señal de los circuitos fue: El circuito de proximidad: 1 V Circuito de velocidad: 3.4 V Circuito de humedad: 1 V Repentinamente, unas ligeras gotas de lluvia comienzan a caer. Pasada una hora, un niño cruza la carretera corriendo en busca de su pelota. En ese instante, los circuitos marcaron los siguientes voltajes: Circuito de proximidad: 3V Circuito de velocidad: 1.8 V Circuito de humedad: 4.2 V A continuación, se mostrará los resultados de la simulación del circuito en Proteus para demostrar que los voltajes de salida tienen relación directa con las mediciones físicas que hace cada sensor: Figura 8.1.1. Valores del problema simulados en Proteus 57 Actuación del sistema Previo a la aparición imprevista del niño, el circuito de velocidad da un voltaje de 3.4 V. De la tabla 7.2.1 (Pág. 55), esto voltaje se interpreta como 1200 rpm. Según la ficha técnica del auto (Ver ANEXO), las llantas son aro 16, es decir, tienen un diámetro de 16 pulgadas. Con estos datos se puede sacar la velocidad inicial del automóvil (𝑉0 ): Rpm se convierten a rad/s y las pulgadas a metros 𝑉0 = 1200 𝑟𝑝𝑚 ( 2𝜋 𝑟𝑎𝑑 1 ) × 8 𝑝𝑢𝑙𝑔𝑎𝑑𝑎𝑠 (2.54) ( ) 60 𝑠 100 𝑐𝑚 𝑉0 = 25 𝑘𝑚 𝑚 = 90 ℎ 𝑠 Luego de una hora bajo la lluvia, el circuito de humedad determinó un voltaje de 4.2 V, un ambiente mojado (Ver tabla 7.3.1. Pág. 56). Por ello, el sistema, analizando también la información del circuito de velocidad (90 km/h), emitió una alarma invitando al conductor a disminuir la velocidad del automóvil por cuestiones de seguridad, ya que el coeficiente adherencia entre los neumáticos y el asfalto ha disminuido por la humedad (Revisar Tabla 3.3.1. Pág. 14) y dicha velocidad sería peligrosa. Según la tabla 7.1.1 (Pág. 55), la señal de 1.8 V equivale a 400 rpm. Por lo que su velocidad será igual a: 𝑉1 = 400 𝑟𝑝𝑚 ( 1 2𝜋 𝑟𝑎𝑑 ) × 8 𝑝𝑢𝑙𝑔𝑎𝑑𝑎𝑠 (2.54) ( ) 100 𝑐𝑚 60 𝑠 𝑉1 = 8.5 𝑚 𝑘𝑚 = 30 𝑠 ℎ Y, en el instante en el que el niño hizo su aparición, el circuito de proximidad dio 3 V. Es decir, según la tabla 7.1.1 (Pág. 55), 10 metros es la distancia que separa al niño del auto. Finalmente, debido al ambiente húmedo, el sistema interpretará la distancia como riesgosa (en una situación donde el sensor hubiese indicado ambiente seco, no lo habría hecho) y activará el frenado de emergencia de manera automática. Realicemos los análisis para determinar si el niño se lleva el impacto o no. De la ecuación (1) (Pág. 12) se calculará la energía cinética del auto. m = 1200 kg; V= 30 km/h = 8.33 𝐸𝐶 = 1 𝑚𝑉 2 2 1 𝐸𝐶 = (1200 𝑘𝑔)(8.33 𝑚/𝑠)2 2 𝐸𝐶 = 41633.44 𝐽 Por la teoría explicada en el marco teórico, sabemos que esta es la cantidad de energía que debe ser disipada; cuando esta sea nula, el auto se habrá detenido. 58 De la ecuación (5) (Pág. 14) se calculará la distancia recorrida por el vehículo durante la etapa de reacción del sistema (𝑆1 ); es decir, desde que la presencia del niño fue advertida por el sensor hasta que el sistema empieza la acción de frenado. 𝑆1 = (𝑉𝑡𝑟 )(𝑡𝑟 ) + (𝑉𝑡𝑟 )(𝑡𝑎 ) 𝑉𝑡𝑟 es la velocidad del auto al momento del reconocimiento de la presencia del niño (8 m/s) 𝑉𝑡𝑟 = 𝑉1 𝑡𝑟 es el tiempo transcurrido durante este intervalo. Tendremos como referencia los tiempos adecuados para que un frenado de emergencia sea exitoso (Acápite 3.12. Pág. 20). Los tiempos descritos son de reacción humana, sin embargo, servirán para poder realizar una comparación. Según la información ahí descrita, reemplazaremos el tiempo de reacción del sensor con el valor de la reacción humana (0. 22s); además, está el tiempo que se demora la persona en colocar el pie en el desacelerador (0.15s), este se usará como el tiempo en el que el sistema empieza el frenado. Entonces, nuestro tiempo 𝑡𝑟 tendrá un valor de 0.37s. 𝑡𝑎 es el tiempo de respuesta del sistema de frenos (0.03) Remplazando valores: 𝑆1 = (8.33 𝑚/𝑠)(0.37 𝑠) + (8.33 𝑚/𝑠)(0.03 𝑠) 𝑆1 = 3.332 𝑚 Cabe aclarar, que durante este suceso aún no ha habido una variación en la velocidad, sin embargo, es importante conocer esta distancia porque nos indica que tanto ha recorrido el auto durante el tiempo de reacción, tiempo crucial para evitar accidentes. Como vemos, el auto ni siquiera ha empezado la desaceleración y ya ha recorrido más de la mitad de la distancia que inicialmente lo separaba del niño. Ahora, con la ecuación (8) (Pág. 19) calcularemos la distancia recorrida desde que se accionan los frenos hasta que estos son trabados (𝑆2 ); en otras palabras, hasta alcanzar la desaceleración máxima (𝑎𝑚𝑎𝑥 ). 𝑡𝑏 2 ( )( ) ( ) 𝑆2 = 𝑉1 𝑡𝑏 − 𝑎𝑚𝑎𝑥 ( ) 6 𝑡𝑏 es el tiempo que comprendido entre el accionado de los frenos hasta que estos son trabados completamente. De acuerdo con el acápite 3.12, trabajaremos con un tiempo de 0.14s. La 𝑎𝑚𝑎𝑥 , para casos de análisis teóricos, suele tomarse con una efectividad del 75% referida a la gravedad (100%). Entonces: 𝑚 75 × 𝑠 100 𝑚 = 7.35 2 𝑠 𝑎𝑚𝑎𝑥 = 9.81 𝑎𝑚𝑎𝑥 Ahora que ya tenemos el valor de la desaceleración máxima, procedemos a hallar 𝑆2 . 59 (0.14)2 ) 𝑆2 = (8.5 𝑚/𝑠)(0.14 𝑠) − (7.35 𝑚/𝑠 2 ) ( 6 𝑆2 = 1.166 𝑚 Al final de este recorrido ya existe una variación en la velocidad. Con la ecuación (9) (Pág. 20) se calculará la velocidad que lleva el auto en el momento en el que los frenos son bloqueados. 𝑉2 = 𝑉1 − 𝑎𝑚𝑎𝑥 × 𝑡𝑏 2 (7.35 𝑚/𝑠2 )(0.14 𝑠) 𝑉2 = 8.5 𝑚/𝑠 − 2 𝑉2 = 7.98 𝑚/𝑠 Remplazamos esta velocidad en la ecuación (10) (Pág.20) para hallar la distancia recorrida desde el bloque de los frenos hasta que el auto se detiene por completo (𝑆3 ). 𝑆3 = 𝑉2 2 2𝑎𝑚𝑎𝑥 𝑆3 = 4.332 𝑚 Este valor nos indica que la frenada del auto no sigue la curva ideal de frenado descrita en la figura 3.11.1. Interpretado, el auto patinará una distancia considerable, lo cual es lógico puesto que estamos frente a un caso de frenado de emergencia. Finalmente, aplicando la ecuación (11) (Pág. 20), hallamos la distancia total, desde que el sistema captó la presencia del niño hasta que el vehículo se detuvo completamente (𝑆𝑡 ). 𝑆𝑡 = 𝑆1 + 𝑆2 + 𝑆3 𝑆𝑡 = 3.332 𝑚 + 1.166 𝑚 + 4.332 𝑚 𝑆𝑡 = 8.83 𝑚 El niño no es impactado y solo se llevó un gran susto, quedando a 1.17 metros del vehículo, una distancia más que aceptable considerando el estado de humedad de la carretera y la distancia a la que fue reconocido el peligro. La reducción de la velocidad también jugó un rol bastante importante, pues si se hubiese mantenido en la inicial, o en un valor mayor, el escenario final hubiese terminado en tragedia. 60 9. PRESUPUESTO DEL CIRCUITO Tabla 8.2.1.Relación de precios de los elementos empleados en el circuito Artículo Resistencia* Opamp LM741 Sensor de proximidad Tacómetro Sensor de lluvia Nivelador de señal Capacitores de poliéster* Capacitor cerámico de 220nF Capacitor cerámico de 0.1nF Potenciómetro Precio S/.0.20 S/. 1.50 S/.322 - USD 90.00 S/.1075.70 USD 300.00 S/.71.50 - USD 20.00 S/.12.00 - USD 3.36 S/.14.40 - USD 4.00 S/.7.20 - USD 2.00 S/0.30 - USD 0.071 S/.11.70 – USD 3.27 *Todas las resistencias valen lo mismo Tabla 8.2.2.Presupuesto total del circuito Articulo Resistencia (en promedio) Opamp LM741 Sensor de proximidad Tacómetro Sensor de lluvia Nivelador de señal Capacitores de poliéster* Capacitor cerámico de 220nF Capacitor cerámico de 0.1nF Potenciómetro Total Unidad Precio 17 S/.3.4 9 S/. 13.50 1 S/.322 - USD 90.00 1 S/.1075.70 - USD 300.00 1 S/.71.50 – USD 20 1 S/.12.00 – USD 3.36 5 S/.71.40– USD 20 1 S/.7.20– USD 2.00 1 S/.0.30 – USD 0.071 3 S/.35.10 – USD 9.81 S/.1612.10 – USD 447.81 *Todos los capacitores de poliéster valen lo mismo **Los capacitores cerámicos tienen distinto precio 61 10. Análisis de la utilidad del proyecto Este análisis implica que tan económico resulta la adquisición de dicho sistema electrónico, es decir, que tanto dista respecto a los gastos generados por accidentes (choques) o seguros de vida. Y a partir de ello, demostrar su utilidad de implementación en el mercado automovilístico. Según el tipo de choque (fuerza de impacto y punto de aplicación), se dañarán determinadas piezas del automóvil, las cuales tienen un precio promedio total de restauración e instalación (servicio). Este monto varía entre $10,000 a $15,000, e inclusive puede aumentar según la calidad tanto del servicio de reparación como de las refacciones requeridas. Por otro lado, si el usuario dispone de un seguro de vida para su automóvil. El no velará por los gastos directamente, sino que se descontará automáticamente del seguro en cuestión. El precio mensual de la póliza ronda generalmente entre los $8 y $120 según el tipo de contrato. Entonces, la economicidad del sistema electrónico dependerá en base a la disponibilidad del seguro de vida por parte del cliente. Si el usuario no cuenta con este, tendrá que pagar un monto aproximado de $12,500, el cual es excesivamente mayor frente al precio del sistema electrónico ($447,25 aproximadamente). Por lo tanto, convendría la compra e instalación de dicho sistema en cuestión. Por otro lado, si el usuario si dispone de un seguro de vida (monto de $100 mensual aproximadamente). En un periodo mensual, resulta mucho más económico que la instalación de dicho sistema. Sin embargo, en un plazo de 5 meses, este último ya resultaría más barato. Y en un año, la diferencia de montos sería de $552.75, evidenciándose así la economicidad del sistema electrónico a largo plazo frente a un seguro de vida promedio. 62 11. CONCLUSIONES • • • • En la vida real, para evitar márgenes de errores grandes al momento de aplicar el circuito propuesto, se propone usar resistencias variables para cada una de las amplificaciones finales para así poder calibrar de alguna manera el voltaje de salida. Esto debido a que, en nuestra aplicación, el voltaje de salida es importante que salga exacto porque las acciones que se toman en un frenado de emergencia dependen directamente de la exactitud de dicho voltaje. Por otro lado, como ya se mencionó, los tiempos de reacción usados para la resolución del escenario fueron humanos. Para estos casos, donde la rapidez de reacción y acción son los factores que determinan el resultado final, los tiempos de reacción de una persona siempre serán mayores que el sistema. Las personas reparten su concentración en varias cosas a la vez, pensar en lo que hicieron, en lo que harán, problemas personales, escuchar música, una charla amena, etc.; mientras que nuestro sistema tiene como base a tres sensores, y sus respectivos circuitos, que trabajan de manera independiente, encargándose una única tarea en todo momento: trasmisión de señales. Entonces, los resultados obtenidos acerca de la performance del sistema serían incluso más eficaces de haberse usado los tiempos de reacción del sistema; por lo tanto, es un hecho que la implementación de un sistema de frenado automático en un vehículo disminuiría los posibles accidentes que este pudiese sufrir en un futuro; además, menguaría los daños si es que llegase a ocurrir alguno, puesto que la acción inmediata del sistema reduciría la fuerza de impacto. Al mismo tiempo, de acorde al análisis presupuestal realizado, la implementación de este sistema resultaría bastante económico. Independientemente de si el conductor cuenta con un seguro o no, a lo larga se evidenciaría la ventaja económica de nuestro sistema resultante de que es un mecanismo de prevención de accidentes y reducción de daños. Por último, como recomendación, la implementación de este sistema automático debe ser supervisado y realizado solo por profesionales. Puesto que se trata de una modificación directa al sistema de frenado de un automóvil, bastante delicado y de suma importancia, cualquier calibración inadecuada o cálculos equivocados, por más pequeños que sean, podrían ocasionar un desequilibrio del auto en conjunto al momento de accionar los frenos bajo cualquier circunstancia, más aún si se trata de una situación de emergencia. 63 12. ANEXO: FICHA TÉCNICA COROLLA 2016 Figura 8.2.1.Ficha técnica Corolla 64 13. BIBLIOGRAFÍA Limpert, R. (2011). Brake Design and Safety, Third Edition (3rd Revised ed.). SAE International. Guiggiani, M. (2018). The Science of Vehicle Dynamics: Handling, Braking, and Ride of Road and Race Cars (English Edition) (2.a ed.). Springer. Sumba Tenezaca, X. A. (2010). Diseño y construcción de un freno de estacionamiento automático para la implementación en un automóvil Mazda 323 HX3 del año 1999. Universidad Politécnica Salesiana. Navarro Cosme, T. (2016). Desarrollo de un prototipo de vehículo autónomo semi-inteligente basado en Arduino. Universitat Politecnica de Valencia. ¿Sabes qué es la transferencia de carga en el coche? | www.eurotaller.com. (8 de noviembre de 2020). Obtenido de https://www.eurotaller.com/noticia/sabes-que-es-la-transferencia-de-carga-en-elcoche Descripción y eficacia del sistema de frenado: Descripción y eficacia del sistema de frenado. (8 de noviembre de 2020). Obtenido de http://kashima.campuseina.com/mod/book/view.php?id=7572#:~:text=sistema%20de%20frenos. -,Fuerza%20de%20frenado,expresa%20e TRANSFERENCIA DE CARGA - suspension138sofiansergio. (8 de noviembre de 2020). Obtenido de https://sites.google.com/site/suspension138sofiansergio/2-dinamica-de-suspension/2-2transferencia-de-carga Sistemas de detección en los coches para evitar accidentes. (2011, 25 julio). Xataka. https://www.xataka.com/automovil/sistemas-de-deteccion-en-los-coches-para-evitar-accidentes Hernández, L. (2018, 30 octubre). Todo sobre el sistema de frenado automático de emergencia. Autocosmos. https://noticias.autocosmos.com.mx/2018/10/30/todo-sobre-el-sistema-de-frenadoautomatico-de-emergencia Motor, A. (2018, 13 octubre). Los sistemas ADAS como el frenado de emergencia o los asistentes de aparcamiento reducirán los siniestros en. abc. https://www.abc.es/motor/reportajes/abcisistemas-adas-como-frenado-emergencia-o-asistentes-aparcamiento-reduciran-siniestros-25-porciento-2035-201810130159_noticia.html?ref=https:%2F%2Fwww.google.com%2F Ecomotor.es. (2018, 17 septiembre). Sistemas ADAS: qué son, cómo funcionan y por qué la DGT los considera tan importantes para la seguridad. elEconomista.es. https://www.eleconomista.es/ecomotor/motor/noticias/9391326/09/18/Sistemas-ADAS-que-soncomo-funcionan-y-por-que-la-DGT-los-considera-tan-importantes-para-la-seguridad-de-losvehiculos.html MTC. (2009). Reglamento Nacional de Tránsito. http://transparencia.mtc.gob.pe/idm_docs/normas_legales/1_1_56.pdf 65 Alcas Patiño, Marlon Andro Cabanillas Soto, José Manuel Cortez Farfán, Leonardo (71792592) Guerra Zapata, Jorge Antonio (70460946) León Herrera, Dielser Antoni (71609394) Narro Huarcaya, María Alejandra (76277063) Silva Calderón, Rolando Jhonatan (71472499) 66