A Informática na Indústria Automóvel

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1 2005 / Hugo José Lara Branco Departamento de Engenharia Informática

2 2005 / Hugo José Lara Branco Departamento de Engenharia Informática Janeiro de 2006 Orientador : Doutor. António Cardoso Costa

3 Agradecimentos Gostaria de deixar aqui expresso os meus agradecimentos a todos os que me ajudaram e apoiaram na realização deste trabalho. Em primeiro lugar quero agradecer ao meu orientador, Dr. António Cardoso Costa, pela grande ajuda prestada na realização do projecto, indicando sempre o caminho a seguir e por se disponibilizar a apadrinhar o tema do projecto. Agradeço também à minha família, em especial aos meus pais e irmãos, por todo o apoio que me deram ao longo da realização deste projecto, assim como durante toda a minha vida. Quero deixar um agradecimento especial à minha esposa, Joana, por todo o apoio, força, carinho, amor e compreensão que me deu em todos os momentos difíceis. Muito obrigado mesmo, pois foi de uma extrema importância. Por fim gostaria de agradecer a todos os meus amigos, que estiveram sempre do meu lado, em especial Hélder Parracho, Jaime Tomé, João Baptista e Mário Sousa. iii

4 Resumo Este relatório tem como objectivo mostrar a utilização da informática na indústria automóvel bem como as suas vantagens e benefícios. Ficou bem vincada a ideia de que a informática trouxe enormes vantagens para a indústria automóvel. Pode-se considerar que o relatório está dividido em 2 partes principais, sem contar com a introdução e conclusão. A primeira parte fala da necessidade da utilização de sistemas informáticos para o controlo de variadas funções nos automóveis. É realizado um enquadramento da necessidade de utilizar a informática nos automóveis e de seguida é descrita a utilização de tais sistemas nos automóveis. São referidos os principais sistemas desenvolvidos nas várias áreas da indústria automóvel e para cada um deles é realizado um resumo que descritivo das suas características e funcionamento. A segunda parte fala da necessidade que todos os sistemas têm de comunicarem entre si. Para tal são desenvolvidos barramentos de dados especializados para o efeito. São referidas as diferentes arquitecturas usadas na montagem de sistemas electrónicos e de seguida é descrito o funcionamento de dois barramentos de dados. Esses barramentos são dos que têm maior destaque no ambiente automóvel. Para finalizar também é feita uma referência a todos os outros barramentos de dados usados nos automóveis. As duas partes descritas anteriormente são as mais importantes do relatório, embora este ainda possua uma outra parte. Esta última parte fala do futuro dos automóveis. Refere sistemas informáticos que estão a ser desenvolvidos e outros que poderão a vir a ser desenvolvidos, mostrando que os automóveis vão tornar-se cada vez mais inteligentes e mais autónomos. A principal ideia que o relatório deixa é de que hoje em dia a informática é totalmente indispensável na indústria automóvel e que com a sua ajuda os carros tornaram-se mais perfeitos, agradáveis e fáceis de utilizar. iv

5 Índice Geral Agradecimentos... iii Resumo... iv Índice Geral... v Índice de Figuras... vii Índice de Tabelas... viii Notação e Glossário... ix 1 Introdução Contextualização Objectivos Motivações Pessoais à Realização do Projecto Organização e Estrutura do Relatório A Informática nos Principais Ramos da Indústria Automóvel Enquadramento A Informática em Veículos Mais Limpos Funcionamento do Sistema de Diagnóstico On-Board A Informática no Design e Modelação Automóvel O P2V Virtual Vehicle Presentation DMU RAMSIS A Informática e os Sistemas de Entretenimento e Informação O Integrated Control Sysytem (ICS) da Alfa Romeo O idrive da BMW Bird View G-Book O TeleAid da Mercedes HEAD-UP DISPLAY BMW CONNECTEDDRIVE O Automóvel Conectado FUTURELIFE HOUSE VOLKSWAGEN RSE A Informática nos Novos Sistemas de Segurança Automóvel ABS ESP AIRBAG A Informática nos Sistemas de Controlo de Motores Automóveis v

6 2.6.1 Sistema VTEC da Honda A Informática e Veículos Inteligentes Controlo de Cruzeiro Adaptativo Conclusão Os Barramentos de Dados e Redes nos Automóveis Contextualização Arquitecturas dos Sistemas Electrónicos Arquitectura Centralizada Arquitectura Distribuída Considerações Principais Barramento de Dados Automóveis CONTROLLER AREA NETWORK (CAN) Padrões do CAN Detecção de Falhas Aspectos de Implementação Implementações CAN Aplicações CAN MEDIA ORIENTED SYSTEM TRANSPORT (MOST) A rede MOST Restantes barramentos Existentes INTELLIGENT TRANSPORT SYSTEM DATA BUS (IDB) DIGITAL DATA BUS (D2B) BLUETOOTH ZIGBEE LOCAL INTERCONNECT NETWORK (LIN) FLEXRAY TIME-TRIGGERED PROTOCOL (TTP) TIME-TRIGGERED CAN (TTCAN) Conclusão O Futuro Novos Sistemas Sistemas de Segurança Sistemas de Navegação O Automóvel Inteligente O Automóvel do Futuro Conclusão Conclusão Bibliografia vi

7 Índice de Figuras Figura 1 Ringspeed Splash... 1 Figura 2 Maserati M Figura 3 Automóvel híbrido construído por Ferdinand Porsche em Figura 4 Exemplo de uma leitura de uma linha de dados em série Figura 5 Imagem da luz de aviso existente no painel de instrumentos Figura 6 Sistema de capacete virtual Figura 7 Exemplo de um modelo de um sistema RAMSIS Figura 8 Monitor do ICS Figura 9 Sistema idrive da BMW Figura 10 Imagem apresentada no ecrã do sistema Bird ViewTM Figura 11 Os Head Up Displays Figura 12 Funcionamento de um sistema HUD Figura 13 - O BMW CONNECTEDDRIVE Figura 14 - O sistema RSE da Volkswagen Figura 15 Sistema de Joystick da Mercedes Figura 16 Relações entre informações e suas funções num automóvel Figura 17 Representação da Arquitectura Centralizada Figura 18 Representação da Arquitectura Distribuída Figura 19 Relação entre a responsabilidade de cada ECU, de um determinado sistema de controlo e a complexidade desse sistema como um todo Figura 20 Relação entre o comprimento de rede e a taxa de transmissão de dados Figura 21 Níveis de tensão de uma rede CAN Figura 22 Mensagens do tipo CAN 2.0A Figura 23 - Mensagens do tipo CAN 2.0B Figura 24 Rede CAN com duas sub redes Figura 25 Medidas no desenvolvimento de um cabo Figura 26 Dispositivos que o barramento MOST liga Figura 27 Diferentes transmissões de dados numa rede MOST vii

8 Índice de Tabelas Tabela 1 Principais Sistemas Inteligentes num automóvel Tabela 2 Erros existentes em cada nível Tabela 3 Resumo das características do BasicCan Tabela 4 Resumo das características do FullCan Tabela 5 Camadas de rede do barramento MOST viii

9 Notação e Glossário BrainStorming O brainstorming é mais do que uma técnica de dinâmica de grupo é uma actividade desenvolvida para explorar a potencialidade criativa do indivíduo, colocando-a ao serviço dos seus objectivos. Baud Baud é uma unidade de velocidade de transmissão. A velocidade em bauds é o número de mudanças na linha de transmissão (seja em frequência, amplitude, fase etc) ou eventos por segundo. Em baixas velocidades, cada evento representa apenas uma condição de bit, e a taxa em bauds é igual ao valor em bps (bits por segundo). Para velocidades mais elevadas, cada evento representa mais do que um bit, e a taxa em bauds não segue o valor em bps. Exemplo: 250 baud significa que são transmitidos 250 sinais por Segundo. Se casa sinal transportar 4 bits, então estão a ser transmitidos 1000 bits por segundo (1000 bit/s), CD - Compact disc. É actualmente o mais popular meio de armazenamento de dados digitais, principalmente música comercializada e software de computador, caso em que o CD recebe o nome de CD-ROM. A tecnologia utilizada nos DVD s é semelhante à dos CD s. DVD Digital Versatile Disc (antes denominado Digital Video Disc). Contém informações digitais, tendo uma maior capacidade de armazenamento que o CD áudio ou CD-ROM, devido a uma tecnologia de compressão de dados. Drive-by-wire Comando do acelerador em que o movimento do pedal é transmitido para a central electrónica do motor. Esta então analisa o movimento e outras condições, como a rotação do motor, para comandar a abertura da borboleta de aceleração, que é feita por um motor eléctrico. Além de eliminar o cabo, que se pode desgastar ou transmitir vibrações vindas do motor, o sistema permite obter suavidade quando se acelera ou se tira o pé rapidamente, evitando solavancos. Concept Cars Protótipos que expressam as tendências da indústria automóvel. GPS Global Positioning System. O Sistema de Posicionamento Global é um sistema de posicionamento por satélite utilizado para determinação da posição na superfície da Terra ou em órbita. É constituído por uma constelação de satélites. GSM Global System for Mobile Communications. É um sistema global de comunicações móveis, sendo o padrão mais popular para telemóveis. Híbrido Embora o termo tenha sentido amplo, é como se denominam os veículos que possuem dois motores de tipos diferentes, sendo um eléctrico e outro a combustão (a gasolina ou a diesel, por exemplo). Em geral o motor eléctrico movimenta o veículo em baixas velocidades e o motor a combustão (com o auxílio do eléctrico) em altas. As baterias são recarregadas nas desacelerações e travagens por um sistema regenerativo, o que dispensa a ix

10 recarga por meio externo. Automóveis híbridos estão à venda desde 1997 no Japão, com o Toyota Prius. LCD Liquid Crystal Display. Um monitor de cristais líquidos, muito leve e fino sem partes móveis. LED Light Emiting Diode. Dispositivo semicondutor emissor de luz. Multicast É o envio de informação para múltiplos destinatários simultaneamente. PDA - Personal Digital Assistants. Assistente Pessoal Digital, é um computador de dimensões reduzidas (cerca de A6), dotado de grande capacidade computacional, cumprindo as funções de agenda e sistema informático de escritório elementar, com possibilidade de ligação a um computador pessoal e a uma rede informática sem fios - wi-fi - para acesso a correio electrónico e Internet. TFT Thin-Film Transístor. Transístor de película fina, feito pelo depósito de finas películas para os contactos metálicos, camadas semicondutoras activas e camadas isolantes. Transceivers Dispositivo que funcionam como transmissor e receptor ao mesmo tempo. x

11 1 Introdução Este capítulo serve de introdução e apresentação ao projecto. Nele são apresentados a sua contextualização, os seus objectivos, as motivações que levaram ao seu desenvolvimento e a sua organização e estrutura. Neste último ponto são descritos os capítulos do relatório e é feita uma pequena descrição de cada um deles. 1.1 Contextualização O minuto que trouxe o primeiro automóvel para a rua, foi um grande símbolo de tecnologia e inovação [10]. No último século, a tecnologia sofreu uma grande e rápida evolução, estando muitas vezes a indústria automóvel à frente desta. Um carro é basicamente uma estrutura assente em quatro rodas que se transportam pessoas e objectos do ponto A para o ponto B. Há mais de um século que esta é a melhor definição de um automóvel, se pensarmos apenas no seu lado prático. Mas será um automóvel apenas isso? Desde os primeiros triciclos e quadriciclos de Benz, Opel, Porsche, Peugeot ou Renault que se estabeleceram metas ainda hoje válidas. Um bom carro tem de ser mais rápido, mais eficiente, confortável, simples de usar, tecnologicamente avançado e visualmente apelativo que os antecessores e concorrentes. Mas por estranho que pareça, a base que os pioneiros construíram continua a ser a regra. As rodas continuam de borracha, os volantes continuam redondos, os motores são de combustão interna e consomem energias fósseis. As ligações entre as várias partes são mecânicas, há um espaço para bagagens e outro para passageiros. [3] Tirando estas parecenças, mesmo os carros comuns da actualidade, seriam inimagináveis pelos pioneiros. Tudo devido à incessante busca de novas formas e conceitos e do imparável avanço tecnológico, que permitem criar veículos insólitos como o Ringspeed Splash, presente na Figura 1. Figura 1 Ringspeed Splash 1

12 Apesar de tudo não deixa de ser curioso que as invenções revolucionárias da actualidade foram, na sua maioria, exploradas no início da indústria automóvel. Umas não tiveram êxito por terem surgido antes do tempo, outras ainda porque não reuniram consensos ou apoios.[3] Hoje em dia o automóvel é uma das maiores montras tecnológicas existentes. A maior parte destas tecnologias é devido a uma das principais preocupações dos fabricantes automóveis de hoje em dia, que é a segurança. O cinto de segurança nasceu no final dos anos 50 pelas mãos da Volvo, o airbag foi testado em 1973 pela General Motors, tendo surgido mais tarde (1988) de série num Chrysler e hoje em dia são obrigatórios, bem como toda uma panóplia electrónica, só possível com o avanço fulgurante da informática, que até tenta corrigir os erros do condutor. Para além disto, a tecnologia colocada ao serviço do condutor também já é uma velha preocupação. O controlo de cruzeiro foi patenteado em 1945 por um cego, Ralph Teetor e comercializado a partir de 1958 pela Chrysler. O ar condicionado surgiu em 1940 na Packard, os vidros eléctricos em 1948 na Daimler, dois anos antes de nascer a direcção assistida. Mas há 30 anos seria difícil imaginar sensores de estacionamento, de luminosidade ou de chuva, bancos que fazem massagens, sistemas de navegação com actualização em tempo real que falam com os condutores, etc. Tudo isto em prol do bem estar a bordo. [3] Para testar as novas tendências e precaver o futuro, sempre se criaram carros de sonho, como os que ensaiavam conceitos e anteciparam o que hoje chamamos concept cars. Para provar que se podia ir mais longe sempre se criaram super carros, como o Maserati MC12 da Figura 2. Figura 2 Maserati M12 O que nunca tinha sido feito era efectuar uma alteração radical no automóvel, mudandolhe algo tão imutável até agora como o método de propulsão. Finalmente a combustão interna 2

13 parece ter sucessor viável, com o hidrogénio a ser, mais do que uma hipótese, uma realidade. Isto em paralelo com sistemas híbridos que conjugam combustíveis fósseis, biológicos, sintéticos e electricidade, embora estes sistemas híbridos já tenham sido apresentados no fim do século XIX (1900) pelas mãos de um senhor chamado Ferdinand Porsche. Figura 3 Automóvel híbrido construído por Ferdinand Porsche em 1900 Devido a todos estes condicionalismos, foi imprescindível incluir a informática na indústria automóvel. Assim os automóveis foram invadidos por uma quantidade sem fim de novos sistemas informáticos. 1.2 Objectivos O objectivo deste projecto é apresentar e descrever o grande envolvimento que a informática e os seus sistemas tiveram com a indústria automóvel. São referidas as principais utilizações da informática nos principais ramos da indústria automóvel, onde são apresentados quais os principais sistemas informáticos, nesses mesmos ramos. Em cada sistema apresentado é explicado o seu funcionamento e como este age com o automóvel. Para que todos os sistemas informáticos operem em simultâneo no automóvel, eles têm de poder comunicar uns com os outros, trocando informações e dados importantes para a sua actuação. Assim sendo, é descrito o funcionamento dos principais barramentos de dados existentes nos automóveis. Por fim é apresentado um possível cenário do futuro dos automóveis. É descrito o que é esperado dos futuros sistemas informáticos no controlo, entretenimento, navegação e informação automóvel. Também é realizada uma abordagem ao automóvel realmente inteligente. 3

14 1.3 Motivações Pessoais à Realização do Projecto O motivo pelo qual escolhi este projecto foi pelo facto de ser um tema bastante actual, interessante e cheio de tecnologia. A informática tem tomado conta dos automóveis, controlando quase tudo num automóvel. Toda esta simbiose entre a informática e os automóveis é um mundo bastante vasto e muito interessante para mim e achei que a realização deste trabalho era uma boa oportunidade para aprofundar o meu conhecimento desse mundo. O facto de aliar a informática e sistemas informáticos aos automóveis também foi um factor muito determinante na escolha do tema do projecto, pois para além de apreciar bastante todos esses sistemas, que são acompanhados de variados dispositivos para poderem ser controlados, tenho também um gosto especial por automóveis. 1.4 Organização e Estrutura do Relatório A estrutura do relatório está dividida em 5 capítulos, os quais se descrevem de seguida: Introdução Este é o primeiro capítulo e serve de apresentação ao projecto, realizando uma contextualização do tema, falando dos seus objectivos, motivações para a sua realização e indicando a sua estrutura. A Informática nos Principais Ramos da Indústria Automóvel Este é o segundo capítulo e fala dos principais sistemas informáticos utilizados nos variados ramos da indústria. Os ramos mais importantes da indústria automóvel estão completamente dominados por novos sistemas informativos. O capítulo está dividido nos seguintes pontos: 1. A Informática em Veículos mais Limpos 2. A Informática no Design e Modelação Automóvel 3. A Informática e os Sistemas de Entretenimento e Informação 4. A Informática nos Novos Sistemas de Segurança Automóvel 5. A Informática nos Sistemas de Controlo de Motores Automóveis 6. A Informática e Veículos Inteligentes Os Barramentos de Dados e Redes nos Automóveis Este é o terceiro capítulo e fala dos principais barramentos existentes nos automóveis. Só os dois principais barramentos é que são descritos, falando das suas características e funcionamento. 4

15 Só estes barramentos é que foram referidos, porque o objectivo desde capítulo não era a descrição de todos os barramentos existentes, mas sim mostrar a importância da existência de redes para a comunicação entre os vários sistemas presentes no automóvel. Os barramentos descritos são 1. Controller Area Network (CAN) 2. Media Oriented System Transport (MOST) 3. Referência aos outros barramentos existents Este capítulo mostra como é fundamental os vários sistemas informáticos comunicarem entre si e essa comunicação acontece pelas diferentes redes existentes nos automóveis. O Futuro Este é o quarto capítulo e fala do futuro dos sistemas informáticos nos automóveis. Aborda o automóvel inteligente do futuro, demonstrando como este deve ser e agir com os sistemas informáticos que poderão ser desenvolvidos e como o automóvel vai ser controlado por esses sistemas. Conclusão Este é o quinto e último capítulo onde é apresentado uma conclusão geral do projecto e algumas considerações pessoais. 5

16 2 A Informática nos Principais Ramos da Indústria Automóvel Este capítulo aborda os sistemas informáticos nos principais ramos da indústria automóvel. Começa por realizar um pequeno enquadramento sobre a necessidade do aparecimento da informática nos automóveis e de seguida descreve os principais sistemas informáticos existentes e usados nas várias áreas da indústria automóvel. 2.1 Enquadramento À mediada que a indústria informática ia avançando o Homem logo concluiu que a informática iria ser uma grande aliada de quase todas as outras indústrias existentes. A indústria automóvel não foi excepção e demorou pouco tempo para a informática e os sistemas electrónicos começarem a ser introduzidos nos automóveis. Os automóveis mais antigos eram construídos a pensar simplesmente no seu lado prático. Outros factores como o conforto, segurança e os níveis de emissão de poluentes não eram vistos como factores de grande prioridade aos olhos dos construtores automóveis. Mas isso com o passar do tempo foi-se alterando. Os construtores aperceberam-se que um carro podia ser muito mais do que aquilo que ele efectivamente era. Com o desenvolvimento computacional e tecnológico os computadores passaram a ser explorados como um meio de controlar várias funções de um automóvel. Agora eles são usados para controlar factores como a emissão de gases dos motores, a potência, o consumo de combustível, segurança, comunicações e navegação. Nos dias de hoje os automóveis contêm vários computadores que controlam os mais variados tipos de funções, como por exemplo o motor, janelas, fecho centralizado, retrovisores, etc. Se o automóvel que guia tem menos de 10 anos é certo que ele carregue consigo vários computadores a bordo. No final dos anos 80, os chips e sistemas informáticos começaram a entrar nos automóveis controlando os sistemas de ignição e injecção de combustível. Hoje, são usados para comandar o ar condicionado, o painel de instrumentos e o rádio. Servem até para corrigir erros dos condutores [8]. Componentes mecânicos estão a ser substituídos por sensores e motores eléctricos e os carros são agora capazes de captar, receber e transmitir informações. Escolhem o melhor caminho para chegar ao destino e não há de faltar muito para que ele controle a direcção para que o condutor possa trabalhar ou realizar outra tarefa qualquer. Hoje, os engenheiros automóveis estão a usar os computadores em grandes inovações automóveis, que estão e irão ajudar a produzir automóveis mais seguros, limpos, inteligentes, etc. 6

17 Os automóveis de hoje incorporam computadores de alto nível para responder às necessidades de segurança, ambiente a bordo, comunicações e ainda de entretenimento que os consumidores/condutores têm. O controlo electrónico de um automóvel de hoje é tão grande que chega a controlar mais de 86% de todos os sistemas num veículo tradicional. Mas é quase certo que a utilização dos computadores e sistemas informáticos, no mundo automóvel, não fique por aqui. Enquanto os automóveis de hoje gozam de uma quantidade impressionante de computadores e sistemas informáticos, o futuro promete um controlo total do automóvel por parte desses sistemas. Eventualmente, a presença dos computadores nos automóveis será total, eles ajudarão a projectar os carros e todos os seus componentes, desenharão as fábricas e máquinas que os construirão e realizarão testes de pista, antes mesmo que ele seja construído [8]. As pessoas vão poder comprar o seu automóvel pela Internet, depois de o ter experimentado virtualmente. Os computadores encarregar-se-ão de avisar as pessoas quando for necessário qualquer tipo de manutenção, seja uma troca de óleo, calibragem nos pneus ou uma ida à oficina para resolver problemas mais sérios. Sistemas que vão controlar a condução, evitar acidentes e até realizar uma pesquisa pelo corpo do condutor para o colocar numa melhor posição de condução, vão passar a ser usuais nos automóveis. Á medida que os computadores e seus chips se tornam mais pequenos e potentes, eles têm um papel cada vez mais importante e determinante na mudança da mobilidade moderna. Muitos destes sistemas já existem em automóveis de gama média e alta ou estão em pleno desenvolvimento. A Daimler-Chrysler, por exemplo, trabalha numa série de inovações que deverão chegar ao mercado na próxima década, entre elas um sistema de direcção sem volante e sem pedais, um método de "reboque virtual" em que dois ou mais camiões trabalham em conjunto sob o comando de um único motorista sem nenhuma ligação física e um sistema capaz de identificar peões no meio do trânsito e identificar sinais de trânsito e semáforos. Para se poder ter uma ideia de como a utilização de computadores nos automóveis tem crescido é apresentado de seguida uma pequena comparação bastante interessante: Comparação de um automóvel com a nave espacial Apollo 11: Os automóveis de hoje contêm mais computadores e sistemas informáticos do que nave espacial Apollo 11. Aliás a tecnologia computacional de um automóvel de hoje é quase 1000 vezes maior do que aquela que guiou a missão da Apollo 11 à lua. Para milhões de pessoas a primeira missão do Homem à lua continua a ser um testemunho da capacidade e habilidade humana, em tornar os seus sonhos em realidade, usando a tecnologia. O programa da Apollo 11, que levou e trouxe pela primeira vez o homem à lua, será para sempre olhado como um dos maiores feitos da humanidade. Hoje, a maioria de nós tem quase 1000 vezes mais capacidade computacional disponível nos automóveis que usamos diariamente do que os 7

18 computadores que guiaram e levaram a Apollo 11 à lua. Portanto, enquanto uma viagem à mercearia não seja tão excitante como uma viagem à lua, os computadores que trabalham para chegarmos à mercearia, iriam por Neil Armstrong e os outros astronautas da Apollo 11, verdes de inveja [10]. Automóveis de Hoje Apollo 11 1,000,000 bytes de memória 36,000 bytes 56 milhões de ciclos por segundo ciclos por segundo Processador de 32 bits Processador de 14 bits Tudo isto mostra que temos um grande pacote tecnológico ao nosso comando. E embora o automóvel não vá fazer nenhum passeio à lua, por enquanto num futuro próximo, é bom saber que a melhor tecnologia do mundo existente no momento, está a ajudar as missões terrestres a serem mais seguras, limpas e confortáveis, do que alguma vez foram. Os automóveis de hoje contêm um número infindável de microprocessadores a maioria dos quais torna serviços mais rápidos e fáceis de gerir. Qualquer motor automóvel e sistema computacional é diferente, mas todos os sensores e dispositivos têm de estar em perfeita sintonia com os automóveis para serem eficientes e trabalharem sem erros. Os automobilistas raramente reconhecem a importância dos sistemas de computador existentes por baixo da carroçaria e por trás dos painéis de instrumentos. Algumas das razões para o aumento de toda a informática nos automóveis são: A necessidade de sofisticados sistemas de controlo do motor para controlar emissões de gases e consumo de combustível. Avançados sistemas de diagnóstico e reparação do motor. Redução do número de redes e barramentos existentes nos automóveis. Novos sistemas de segurança. Novas necessidades de conforto. Novas necessidades de comunicação e de entretenimento. Enquanto as funções mecânicas continuam a ser substituídas por electrónicas, a performance dos processadores e softwares estão a crescer para responder a essa mudança. A indústria automóvel é uma das que mais contribui para o rápido crescimento do mercado de semicondutores. A solução de memórias Flash em circuitos integrados continua a ter uma grande expansão. Instrumentos de navegação GPS, computadores pessoais em automóveis e sistemas de reconhecimento por voz, estão todos a utilizar memórias Flash. A utilização de memória Flash é muito grande pois aguenta com altas temperaturas e com muita humidade, mantendo uma alta performance durante longos anos. 8

19 Derivado ao facto da indústria automóvel utilizar tantos componentes informáticos e electrónicos, ela não se fica pela liderança da inovação, mas também ajuda na liderança económica. A indústria automóvel foi responsável por mais de postos de trabalho, apenas na indústria da electrónica e informática, em A Informática em Veículos Mais Limpos A informática ajuda a tornar os automóveis mais limpos, devido ao controlo que hoje em dia tem sobre o motor. Sistemas de controlo de emissões de gases fazem diminuir bastante as emissões de dióxido de carbono e enxofre do motor. Os computadores revolucionaram a emissão de gazes, por parte dos motores dos automóveis, ajudando os construtores de automóveis a produzir automóveis que são 99% mais limpos do que eram há 35 anos atrás. Por exemplo, quando engenheiros desenvolveram um catalizador mais sofisticado, isto em 1981, eles utilizaram sistemas de diagnóstico computorizados (Sistemas de Diagnostico a Bordo/On-Board SDO), para regular o tempo de ignição e a quantidade de combustível injectado por ciclo de motor, para minimizar as emissões de gazes. Hoje, tudo afecta as emissões de gases e performance do motor do automóvel, como a velocidade, aceleração, a temperatura do ar exterior, o uso do ar condicionado e os requisitos eléctricos do motor, isto apenas para nomear alguns factores. A partir de 1996 todos os automóveis passaram a possuir este sistema. O SDO também realiza um diagnóstico ao motor, para se certificar que o motor está sempre em boas condições. Se algum problema ou avaria é detectada, o SDO ilumina uma luz de aviso, no painel de instrumentos do automóvel, para alertar o condutor. Esta luz de aviso, normalmente, tem a frase Check Engine, ou Service Engine Soon ou simplesmente tem o símbolo do motor. SDO também guarda importantes informações sobre a avaria detectada, para que o técnico que vai realizar a reparação possa rápida e seguramente resolver o problema. O SDO não protege apenas o ambiente como também os consumidores/condutores, ao identificar um pequeno problema antes que este se torne numa grande dor de cabeça para os mesmo, devido a grandes contas de reparação. Por exemplo, ao identificar uma reparação simples e relativamente barata, como a substituição do sensor de oxigénio, o SDO pode mais tarde poupar o dono do automóvel do custo da substituição do catalizador. Ao ajudar a garantir que o motor está nas perfeitas condições, este sistema permite aos donos dos automóveis pouparem dinheiro e tempo. 9

20 2.2.1 Funcionamento do Sistema de Diagnóstico On-Board O SDO foi introduzido pela General Motors em 1981, com o propósito de monitorizar o sistema de escape do motor de um automóvel [1]. Quando o computador do SDO detecta um problema no sistema de escape do motor, é suposto acontecer três acções diferentes. Primeiro é ligada uma luz de aviso no painel de instrumentos do automóvel para avisar o condutor que existe um problema. Depois é introduzido um código no computador do SDO. Por fim esse código é gravado na memória do computador para que mais tarde possa ser lido por um técnico, quando este estiver a realizar o diagnóstico e reparação do problema. Este SDO foi denominado SDO de 1ª Geração. Os principais objectivos deste sistema eram: Melhorar as emissões de gases do motor, alertando o condutor quando uma avaria existir Ajudar os técnicos de reparações a identificarem e repararem a avaria existente O SDO está ligado aos sistemas que são considerados as causas mais prováveis das avarias no sistema de escape e do motor, de um automóvel. Estes sistemas são: Todos os sensores mais importantes do motor O sistema de medição de combustível O funcionamento da recirculação do combustível De seguida são apresentadas as principais características do SDO de 1ª geração: Luz de indicação de avaria Codificação das avarias Diagnóstico da monitorização dos principais sensores de entrada de dados, da medição do combustível e do funcionamento da recirculação do combustível Monitorização de circuitos de abertura e de fecho Quando ocorre uma avaria a luz de aviso é ligada no painel de instrumentos e assim continua até as condições normais regressarem, deixando o código da avaria gravado na memória do computador. O SDO avalia os circuitos/sistemas e se durante 3 avaliações consecutivas a avaria não se verificar, a luz de aviso apaga-se 10

21 O código da avaria gravado na memória do computador, indica em qual dos circuitos/sistemas a avaria aconteceu. Esse código, continua guardado na memória de longo prazo do computador, quer a avaria seja contínua ou intermitente. O SDO da Toyota guardava o código da avaria na memória do computador, até este ser limpo pela remoção da alimentação do automóvel (desligar a bateria). Este sistema funcionou tão bem que em 1986, o estado da Califórnia ordenou que todos os carros aí vendidos, estivessem equipados com o SDO. Por esta razão o SDO tornou-se um padrão e todos os carros vendidos no estado da Califórnia passaram a ter este sistema [1]. Embora a regulamentação do SDO não requeresse, o uso de linhas (streams) de dados em série acessíveis por ferramentas de pesquisa foram introduzidas por alguns fabricantes automóveis. Dados em série são informações electrónicas sobre sensores e actuadores, que são acessíveis por um único fio vindo do SDO. O termo dados em série implica que a informação seja codificada digitalmente e transmitida em série por palavras de dados. Essas palavras de dados são visualizadas por uma ferramenta de pesquisa. Os dados em série do SDO da Toyota, consistem em mais 20 palavras de dados, que incluem valores de sensores, modificações de estados, estados de actuadores e outros dados de operações do motor. Figura 4 Exemplo de uma leitura de uma linha de dados em série Esta primeira versão do SDO tinha bastantes restrições. Primeiro apenas cobria o sistema de escape do motor. Os vapores do depósito do combustível não eram monitorizados, as emissões de gases não eram medidas e apenas dispositivos especificamente instalados para o controlo de emissão de gases eram monitorizados. Para além disso não havia definido, na indústria automóvel, um padrão do SDO. Cada construtor automóvel tinha um termo diferente para a luz de aviso existente no painel de instrumentos do automóvel. A GM tinha o nome de Check Engine ou Service Engine, a Chrysler chamou-lhe Power Loss e a Ford apenas deu-lhe o nome de luz de Engine. A maioria dos construtores automóveis chamou-lhe a luz 11

22 de Check Engine.Mas isto tornou-se confuso para técnicos e também para os condutores. Muitos condutores ao verem a luz de Check Engine ligada levavam os seus automóveis ao mecânico e pediam uma mudança de óleo ou um ajuste qualquer, esperando que a luz se apague-se. É escusado dizer que tal não acontecia e que depois de se ter gasto algum dinheiro em reparações desnecessárias, o SDO tinha de ser diagnosticado e depois reparada a avaria. Também é preciso frisar que o sistema de codificação de avarias era diferente de construtor para construtor, o que tornava o diagnóstico da avaria mais difícil. A crescente preocupação com o ambiente nos anos 90, nomeadamente a qualidade do ar, levou com que a partir de 1996 todos os carros vendidos nos Estados Unidos estivessem equipados com uma nova versão do SDO. Este sistema ficou conhecido por SDOII ou SDO de 2ª Geração. Esta preocupação era tal que quase todos os construtores automóveis já tinham os seus carros equipados com o novo SDO a partir de Se o automóvel que conduz é de 1995, ou ainda mais recente, o mais provável é que esteja equipado com o SDOII. De entre as várias diferenças do SDO e do SDOII, a principal foi o aparecimento de um padrão para o novo sistema. Todas as luzes de aviso existentes no painel de instrumentos do automóvel, passaram a dizer Check Engine ou a imagem de um motor com a palavra Check por cima desta. Figura 5 Imagem da luz de aviso existente no painel de instrumentos Também o sistema de codificação de avarias obedece agora a um padrão. Agora o sistema de codificação é composto por mais de 400 códigos diferentes, para as diferentes avarias. Todas as causas que podem provocar gastos excessivos são agora monitorizadas. Se o tampão do depósito de combustível está mal fechado e estão a escapar-se vapores de combustível, a luz de aviso Check Engine é ligada e é gravado o código da respectiva avaria na memória do computador do SDOII. Outra grande diferença entre os dois sistemas é que no SDO quando é detectada uma avaria a luz de aviso é ligada e é gravado o código na memória do computador. A luz de aviso é desligada quando a avaria for reparada, mas o código da avaria vai ser guardado na memória do computador. No SDOII a luz só se apaga quando a avaria for reparada e quando for feito um reset na memoria do computador. Este funcionamento pode provocar dois problemas para o condutor. Primeiro se a luz se ligar devido a uma fuga de gazes do depósito de combustível, ela não se apaga mesmo depois da fuga ser reparada, tendo o condutor que levar o automóvel a uma oficina de reparação para ser realizado um reset na memória do computador e assim a luz apagar-se, mas essa operação traz despesas para o condutor. Segundo, existe sempre o perigo de o técnico de 12

23 reparação realizar um reset à luz, sem ter feito a reparação do problema. Neste caso o que vai acontecer é que a luz de aviso vai voltar a acender. As principais características deste novo SDO são: Monitorização contínua e testes de funcionalidade, realizados uma vez por viagem Diagnóstico do sensor de oxigénio Diagnóstico do depósito de combustível Detecção de uma falha de ignição do motor Monitorização da eficiência do catalizador Monitorização do fluxo da recirculação do combustível Medição do fluxo de evaporação (a partir de 1995) Monitorização secundária de ar Novas regras para a luz de aviso de avaria Padronização da codificação de avarias e das linhas de dados em série Ferramenta de pesquisa É extremamente importante que o condutor do automóvel esteja familiarizado com a luz de Check Engine, assim como todas as outras luzes de aviso existentes no painel de instrumentos do seu automóvel. Este conhecimento vai ajudar a eliminar custos e reparações desnecessárias. Quando uma luz de aviso se acendo no painel de instrumentos, o que deve ser feito antes de se levar o automóvel para reparação é a consulta do significado dessa luz, no manual do automóvel. Sistemas de diagnóstico similares ajudam na performance dos outros sistemas do automóvel, como por exemplo sistemas relacionados com o funcionamento dos airbags, ou travões anti bloqueio. 13

24 2.3 A Informática no Design e Modelação Automóvel A beleza é fundamental num automóvel. O design é cada vez mais um elemento diferenciador na indústria automóvel. Aliar o estilo, ergonomia e performance é o desafio que as novas tecnologias de concepção respondem. Sistemas de modelação 3D, centros de simulação e software específico fazem parte do dia a dia criativo. Devido a esta conjuntura as marcas automóveis criam novas tendências e recorrem a toda a tecnologia disponível para conceber um carro de sonho. Realidade virtual e visualização a três dimensões são a última moda para criar os carros de hoje e do futuro [7]. Marcas como a Opel e a Renault, recorrem à tecnologia para conceber os seus carros. Software específico e centros de simulação computorizados são agora essenciais no processo de criação. Realidade virtual e modelos digitais a 3D são ferramentas de trabalho essenciais. O Centro de Simulação Técnica (CST) da Renault, concebeu um programa de modelação virtual para a visualização 3D interactiva dos veículos. Designado por P2V Virtual Vehicle Presentation este programa cria um modelo digital para ser utilizado no processo de criação do automóvel. O P2V baseia-se na interface de programação da aplicação gráfica Íris Performer, desenvolvida pela Silicon Graphics e permite aos designers corrigir dados, adicionar cores ou materiais, para além de testar o veículo em cenas animadas. Por outro lado este programa também permite avaliar a qualidade perceptível e estudar o design do veículo. Mas o design é algo muito controverso, pois mesmo com a ajuda deste sistema bastante avançado e evoluído, os últimos modelos da Renault (Megane II, Modus, VelSatis) não escaparam de grandes criticas, por parte dos críticos, devido ao seu design considerado bastante arrojado e talvez futurista demais. Talvez daqui a uns anos se diga que a Renault já estava a prever o design do futuro. Há dez anos que a Renault aposta na investigação nas áreas da realidade virtual e simulação de condução. Nas palavras de Andras Kemeny, director do CST, a missão principal do centro é testar as técnicas digitais mais sofisticadas e disponibilizá-las, devidamente validadas, para todos aqueles que estão envolvidos no processo de design. Também a Opel enveredou pela realidade virtual a três dimensões no desenvolvimento de novos veículos. A tecnologia de que a marca dispõe é vasta, passando por óculos que recebem imagens geradas por computador, a projectores que criam representações pictóricas a 3D de um automóvel completo. Mas as inovações não se ficam por aqui. A Opel desenvolveu duas tecnologias que permitem alterar componentes e avaliar dados a partir de um modelo digital criado pelo computador. A primeira tecnologia designada por Digital Mock Up (DMU) auxilia os designers e engenheiros na integração de componentes do veículo. No passado era necessário esperar 14

25 várias semanas por peças de amostra. Actualmente, com o DMU, é possível determinar a melhor instalação de componentes a partir dos dados que o computador processou. A outra tecnologia, RAMSIS, permite a simulação perfeita de um cenário de condução e permite aos designers criar as posições de assento mais ergonómicas e confortáveis. Este sistema mostra as posições dos ocupantes do carro, para além de simular um cenário de condução. Assim, é possível avaliar não só o espaço disponível para a cabeça, ombros e pernas como também a legibilidade e utilização amigável dos instrumentos. O RAMSIS também permite fazer estimativas ortopédicas da curvatura da coluna vertebral e analisar os níveis de fadiga O P2V Virtual Vehicle Presentation Na indústria a definição e design normalmente materializam-se na forma de um modelo de CAD. O software P2V ajuda a optimizar estes modelos, não apenas em termos de pesquisa mas também em termos de comunicações. O P2V é o resultado de vários anos de pesquisa por parte da RENAULT Technical Centre of Simulation (Centro técnico de simulação) e foi elaborado em parceria com a Oktal. O P2V permite que dados provenientes dos principais softwares de CAM/CAD(Catia, Proingeneer, Alias) sejam lidos e rapidamente transformados em dados adaptados a uma visualização 3D em tempo real e de elevada qualidade. Graças a uma interface simples o utilizador pode escolher a qualidade que deseja obter dos dados inseridos, assim como o equipamento que quer aplicar. O resultado fica disponível em bibliotecas que podem ser utilizadas mais tarde na criação de novos materiais, cujas propriedades podem ser parametrizadas. O P2V também oferece uma descrição dos diferentes tipos de fontes de luz e a sua posição. Finalmente, acções básicas como a movimentação de partes, mudança de equipamentos, etc., podem ser descritas e realizadas durante a visualização 3D do automóvel. Tudo isto é realizado pelo software P2V, para que todos os parâmetros adicionados pelo utilizador sejam usados da melhor maneira [7]. Disponível num ambiente SGI/Irix e num ambiente PC, quer seja numa plataforma Linux/Unix ou Windows, o P2V pode interagir com diferentes dispositivos como a power wall, conjunto de realidade virtual para a cabeça, centro de realidade, sistema force feedback, luvas ou sensores de posição, etc. Estes sistemas ajudam os técnicos a estarem submergidos pelo veículo virtual. Tudo isto possibilita aos técnicos terem uma visualização interactiva e em tempo real do automóvel, através de imagens fixas ou vídeos de alta definição. O sistema faz com que os técnicos possam sentir o automóvel como se estivessem realmente dentro dele, isto através de um capacete de realidade virtual que faz com que o operador fique isolado do mundo real. O capacete tem 1 ecrã para cada olho e cada ecrã passa uma imagem diferente, para que assim o operador possa ter uma excelente percepção do mundo virtual. 15

26 Figura 6 Sistema de capacete virtual Durante a fase de pesquisa, o P2Vé a ferramenta ideal para as revisões do projecto. A imersão de um modelo 3D em tempo real é o resultado da alta qualidade do sistema, tornando a percepção do estudo do modelo mais simplificada. As suas grandes vantagens são a permissão da utilização de uma grande diversidade de modelos, ser de fácil utilização e permitir que os modelos numéricos possam ser usados para testes e validar variados parâmetros. P2V faz com que seja mais fácil melhorar o design do produto antes de este ser realizado DMU O desenvolvimento de maquetas digitais começou com a introdução da modelação 3D. As primeiras maquetas eram desenvolvidas utilizando um número muito grande de modelos e com todas as partes integradas, o que tornava o desenvolvimento fraco. O aparecimento de maquetas virtuais permite que variados modelos em 3D possam ser posicionados num mesmo espaço, em 3D também, para que seja representado a forma final do automóvel. Estes vários modelos podem estar guardados numa base de dados. Nem todos os tipos de representações são usados nas maquetas digitais. O principal modelo 3D é o modelo que vai ser usado para a construção da maqueta 3D, pois este representa a principal parte 3D do modelo Para se construir a maqueta digital é seguida uma metodologia constituída pelos seguintes passos: 1. Criação das diferentes partes do modelo 16

27 2. Criação da uma conta de materiais necessários para a construção da estrutura 3. Unir os diferentes modelos 4. Posicionar os modelos nos seus sítios correctos, para a criação da maqueta digital No passo 1, a criação das diferentes partes deve ser feita dentro dos seus contextos e na sua posição final RAMSIS Nos nossos dias o uso de manequins computorizados são muitas vezes usados para o desenvolvimento dos interiores dos automóveis, cockpits dos aviões, compartimentos de passageiros e sítios de trabalho. Para além da redução do tempo e custos de desenvolvimento os manequins digitais contribuem para o aumento da qualidade do ambiente de trabalho e para um uso mais amigável do produto. RAMSIS é a principal ferramenta ergonómica computorizada e já foi usada durante muitos anos para o desenvolvimento da habitabilidade dos passageiros em automóveis, camiões, aviões e veículos de construção [5]. O RAMSIS automóvel é um sistema CAD especialista em manequins e desenvolvido para a análise ergonómica do automóvel. As suas diferentes aplicações vão desde o design ergonómico das áreas do condutor e passageiros ao design por completo do automóvel, para que possa haver um trabalho de manutenção eficiente, preventivo e correcto. RAMSIS não está apenas disponível para utilizadores puros de aplicações CAD, mas este sistema ergonómico também pode ser utilizado para testes de tempo real nos laboratórios de realidade virtual dos construtores automóveis. Conhecimento estatístico detalhado sobre as medidas e comportamento do corpo das pessoas é essencial para se criar uma representação exacta de um espaço que vai servir de habitáculo para uma pessoa. Extensos projectos de pesquisa com pessoas reais permitiram a reprodução de variados comportamentos de grupos de pessoas num automóvel. Estes resultados foram integrados nas bases de dados dos sistemas RAMSIS. Por isso um sistema RAMSIS tem um grande espectro de dados antropomórficos das regiões globais mais importantes, como por exemplo Ásia, América do Norte e Europa. Estatísticas fáceis de operar permitiram a geração de imagens digitais de grupos de clientes e a sua integração no design global e no processo de desenvolvimento do automóvel. Durante a realização de extensas experiências, os institutos de pesquisa analisaram a postura e o comportamento de pessoas num automóvel. Graças à possibilidade de se poder guardar a informação obtida nas bases de dados dos sistemas RAMSIS, pode-se simular a 17

28 postura do condutor, pode-se realizar previsões realistas do futuro ambiente do local do condutor e pode-se também prever condições de habitabilidade. Modelos adicionais de postura, como por exemplo o modelo da postura erecta ou o modelo da postura do passageiro, estão ambos disponíveis e podem ser usadas de acordo com o processo de design das aplicações necessárias. Depois de se posicionar o manequim RAMSIS no seu ambiente de habitabilidade o utilizador tem variadas funções de análise à sua escolha, como o cálculo do espaço e suas necessidades, a vista directa e indirecta do manequim e a simulação da força máxima disponível da postura do manequim. Estas funções analíticas providenciam ao utilizador uma extensa informação sobre a qualidade ergonómica do produto e possíveis aspectos críticos do design. O sistema RAMSIS pode operar em várias plataformas e o software pode ser facilmente e eficientemente integrado na cadeia do processo de desenvolvimento. RAMSIS está disponível em versão Unix e Windows e como uma ferramenta que pode ser totalmente integrada no software CATIA V4 e V5. Os aspectos técnicos do RAMSIS são: Estruturação dos modelos: Visualização da pele do manequim em modo de wireframe, shaded ou 3D. Representação física das junções correctas, com 53 junções e 104 graus de liberdade Base de dados antropomórfica: Dados de diferentes grupos de idades de crianças Topologia baseada no peso do corpo, proporção e corpulência Dados antropomórficos focalizados por mercados alvo (Europa, América do Norte, México, América do Sul, Japão/Coreia) Manipulação geométrica Geração directa de geometrias básicas Possibilidade de realizar rotações e translações Importação e exportação directa com interfaces CAD (IGES, VDA, SAT) Pacote de desenho paramétrico Geração e análise do pacote de desenho, baseado nas especificações de design Estudo rápido de parâmetros em fases muito iniciais do design 18

29 Capacidade de adicionar componentes do utilizador para uma análise de design precoce Simulação da postura orientada à tarefa Optimização automática da postura Detecção de auto colisões Definição de tarefas interactivas e do tipo independentes, pelo utilizador Simulação e análise de simulações Animação numérica e interactiva das junções Rotações e translações numéricas e interactivas Animações automáticas com objectos alvo para o utilizador definir cadeias de junções Análise de saúde e conforto Análise de conforto para as várias partes do corpo Avaliação ortopédica da curvatura da coluna Análise da visão e da visualização através dos espelhos Visão interna do olho esquerdo e direito Análise da visualização dos espelhos interiores e exteriores Actualização em tempo real da visualização do manequim, mesmo durante a reprodução da animação Análise do cinto de segurança Calculo e visualização das rotinas do cinto, incluindo os pontos de contacto com o manequim Análise para cintos de 2 e 3 apoios Análise da força Indicação da força máxima e recomendada para os típicos elementos do interior do automóvel 19

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