Nesta última parte da introdução à análise de dados, serão discutidas as verificações dos sensores e a memória do sistema. Existem procedimentos importantes para garantir o bom funcionamento do sistema de aquisição de dados. Este artigo propõe uma breve revisão desses procedimentos.

Verificações dos Sensores

Existem algumas verificações que devem ser feitas em relação aos sensores. São elas: os procedimentos de instalação, a quantidade de peças de reposição e as condições de acquisição. Em termos de instalação, deve-se verificar se o invólucro do sensor está muito exposto a vibrações, interferências, atrito, ângulos e temperaturas. Normalmente, os sensores são projetados para lidar com algumas vibrações, mas suas fixações devem ser selecionadas corretamente. A fiação do sensor deve ser bem fixada para evitar atrito e interferências. Em termos de temperaturas, os sensores são muito sensíveis. Normalmente, os fornecedores disponibilizam uma planilha de dados com a correção adequada de acordo com a temperatura. As atividades na pista são muito intensas, por isso é importante ter sensores de reposição disponíveis e já calibrados. Por exemplo, os sensores de velocidade são os mais vulneráveis.

Compensação do sensor de velocidade

O sensor de velocidade requer algumas compensações. Neste caso, é para levar em conta o deslizamento longitudinal, como visto na Figura 1. O ponto principal é que a circunferência do pneu muda de acordo com as cargas aplicadas. Isso afeta a resistência ao rolamento. Como essencialmente a velocidade do veículo é uma conversão da velocidade de rotação da roda, isso requer o raio da roda. O raio carregado é uma função da carga aplicada, do ângulo de cambagem e da pressão de inflação. Para compensar o raio é variável, deve-se definir o raio carregado como uma função da carga aplicada, para que um fator de teste possa ser obtido.

Influência das cargas verticais

O efeito das cargas provém de Gx e Gy. Portanto, é possível estimar a carga nas quatro rodas por essas duas acelerações. Um canal matemático pode ser construído para contabilizar as cargas das rodas. Além disso, com os dados do túnel de vento, é possível estimar os efeitos aerodinâmicos em função da velocidade. Resumindo, a partir do G longitudinal e lateral, pode-se contabilizar a transferência de carga e os efeitos aerodinâmicos. Assim, é possível prever a carga vertical em cada pneu. Na garagem, é possível testar diferentes cargas verticais, o que permite medir o raio de carga. Este teste é repetido para 2 ou 3 pressões de enchimento diferentes para contabilizar o quanto pneu se deforma com a rotaçao (centrífuge). Assim, um mapa com pressão, carga e raio pode ser construído. Finalmente, o raio de carga é aplicado pelas equações abaixo:

\[ S=\frac{u-Rw}{u} \rightarrow u > Rw \]

\[ S=\frac{Rw-u}{Rw}\rightarrow u < Rw \]

Estes valores descrevem o deslizamento longitudinal, que pode ser aplicado para compensar o sinal de velocidade em manobras de aceleração e frenagem.

Verificações preliminares dos sensores

As verificações preliminares começam com o motor desligado. Todos os sensores são verificados antes da primeira partida e devem estar ok nessas condições. Por exemplo, na oficina, é possível verificar o funcionamento do acelerômetro. Nesse caso, o sensor é girado para verificar se mede 1 G em todas as direções. Depois disso, o motor é ligado, mas mantido em marcha lenta. Essa condição é útil para verificar o funcionamento do sensor sob algum ruído e vibrações significativas. Em seguida, o motor é mantido em baixas rotações e os sensores são verificados novamente.

A mesma verificação é realizada em altas rotações do motor. O objetivo é sempre o mesmo: verificar o funcionamento do sensor sob ruído e vibração. Outra verificação importante é a interferência de rádio no sinal do sensor. Como o rádio é muito comum no automobilismo, é importante verificar se há algum nível de interferência. Nesse caso, o ponto principal é verificar se o isolamento do sensor está funcionando corretamente. Em relação ao funcionamento do sensor em condições de piso molhado, esta é uma verificação importante para o isolamento do conector. É por isso que é importante verificar a instalação do sensor e seu funcionamento com o motor em funcionamento. Estes são os testes do sensor com o motor funcionando em marcha lenta, baixa e alta rotação.

Memória do sistema

A memória do sistema é uma característica importante que afeta o número de canais, a frequência de registro e o conversor analógico-digital (A/D), que é o número de bits. Esses aspectos são relativos à capacidade do sistema. Por exemplo, considerando um kit de ferramentas básico com capacidade máxima de registro de 400 dados/s, é possível definir uma frequência adequada para cada sensor. Primeiro, o tempo deve ser registrado. Se um sensor for registrado a 100 Hz, o tempo deve ser registrado a 100 Hz. A distância é um parâmetro importante, mas é calculada em vez de registrada. Após um passeio, os dados gerados são submetidos a uma análise de Fourier para verificar o conteúdo de frequência em cada sinal.

Por exemplo, o acelerador, a direção, a velocidade e a aceleração longitudinal podem ter cerca de 3, 2,5, 2 e 1,5 Hz, respectivamente. Nesse caso, pode-se notar que as frequências são bastante baixas. Além disso, entre elas, o acelerador e a direção são as mais amplas. O motivo é que essas são entradas do motorista. Como o carro responde às frequências mais baixas, há uma espécie de feedback das saídas. A resposta do carro tem algum atraso, portanto, as frequências são ainda mais baixas em relação às entradas. Com base nessas informações, uma frequência de registro sugerida para o acelerador poderia ser de 10 Hz. O motivo é que, para detectar a variação de um canal e, posteriormente, realizar sua derivada, a frequência de registro deve ser o dobro da encontrada na análise de Fourier.

Considerando agora a decisão sobre o registro longitudinal G. Este parâmetro apresenta alguns picos. Isso é consequência de dados brutos que normalmente são filtrados. Geralmente, após a filtragem, não há diferença significativa entre os dados de 50 Hz e 5 Hz. O gráfico longitudinal G também permite verificar as trocas de marcha. Portanto, é necessária uma alta frequência para detectar essas trocas. No entanto, isso também destaca irregularidades gerais e locais da pista. Outro ponto interessante sobre dados brutos e filtrados é que este último é capaz de indicar a manobra de frenagem. Isso significa que a manobra de frenagem é de baixa frequência. Por outro lado, os dados filtrados geralmente ocultam as trocas de marcha. O conteúdo de frequência da aceleração longitudinal varia de acordo com o carro. Isso ocorre porque cada carro possui características diferentes, que afetam a frequência das mesmas.

O conteúdo de frequência é obtido aplicando a transformada de Fourier, como visto na Figura 3. Essa técnica permite entrar no domínio da frequência, selecionar o filtro passa-baixa de Fourier e reconstruir o sinal no domínio do tempo. Isso é feito pela transformada reversa de Fourier. Por exemplo, um sinal de Gy registrado a 200 Hz após aplicar o filtro passa-baixa, permite reconstrui-lo. Pode-se notar que quanto maior a banda, maiores as oscilações no sinal. Quanto menor a banda, menores as oscilações. A compensação é a compreensão do significado das oscilações de cada canal. Então, o filtro passa-baixa deve ser selecionado corretamente. Portanto, a análise de Fourier indica a frequência para uma taxa de amostragem adequada. O procedimento consiste em realizar uma saída para verificação (saída de instalação), a análise de Fourier é executada e, em seguida, a amostragem é selecionada. Isso deve considerar a relevância do sinal para a análise do comportamento do veículo e a permissão da derivação do sinal. Por exemplo, Gx geralmente é registrado em 50 Hz com base na análise de Fourier.

Ângulo de guinada (Yaw Angle) versus ângulo de proa (Heading Angle)

O acelerômetro é uma pequena caixa com alguns fios. Portanto, o sensor de força G lateral é fixado ao carro e não é normal à trajetória. Isso significa que mesmo uma simples medição da força G lateral não é precisa por definição devido ao ângulo de guinada. Nesse ponto, existem duas definições importantes: a guinada e o ângulo de proa. A diferença entre elas é que a primeira tem o carro como referência, enquanto o ângulo de proa é o ângulo entre a referência fixa no carro e a referência fixa no sistema (solo). O ângulo de proa é importante se o vento estiver muito forte, o que não é uma condição comum em corridas. Portanto, a guinada é mais importante para a dinâmica do veículo. O ângulo de guinada é para o carro o que o ângulo de deslizamento é para os pneus em relação ao desempenho.

Curvas inclinadas

Outra situação importante em relação ao sensor de força G lateral é a curva de inclinação encontrada em pistas ovais. Em inclinações e declives, o sensor de força G lateral mede o ângulo de inclinação, pois é fixado no carro. Portanto, se houver inclinação ou declive, o sensor medirá apenas esses pontos. No caso de uma curva de inclinação de 90°, o sensor de força lateral mediria o peso do carro, visto que ele está totalmente vertical. Portanto, é necessário ajustar a leitura do sensor com o ângulo de inclinação. Na verdade, é possível corrigir o sinal do sensor para a curva de inclinação, a instalação e os ângulos de rolagem. Também é possível corrigir a inclinação e a rolagem do sinal.

Medição do ângulo de rolagem

Para medir o ângulo de rolagem, é necessário outro sensor. No entanto, existem alguns procedimentos para estimar o ângulo de rolagem com boa precisão. Considerando um kit básico de aquisição de dados e que o carro esteja na garagem, é necessário medir a rigidez à rolagem do carro. Na garagem, o carro deve ser puxado lateralmente sobre o ponto do centro de gravidade conforme mostra a Figure.

\[ G_y=\frac{G{ymeasured}+sin\theta}{cos\theta} \]

Subsequentemente, a quantidade de força aplicada é dividida pela massa do veículo, medindo-se assim a força lateral que seria obtida na pista. Da mesma forma, o ângulo de rolagem é medido. Com o sistema de aquisição de dados é possivel também aplicar a equação acima.

Medição do ângulo de inclinação da pista

O ângulo de rolagem geralmente é fornecido pelo proprietário da pista de corrida. Geralmente, a elevação da inclinação é obtida em função da distância. Por exemplo, é possível programar um canal que, a partir do sinal Gy, identifique uma curva. Segue abaixo a equação necessária:

\[ G_y=\frac{G_{ymeasured}sin\alpha}{cos\alpha} \]

Além desse forma, é possível criar a inclinação pela distância da volta. Esta última pode ser obtida com a velocidade do carro e o tempo decorrido. Em seguida, é possível compensar a inclinação de acordo com a distância.

Subidas e descidas

Essas considerações para a inclinação são aplicadas de forma semelhante para declives. Neste caso, há duas situações possíveis: subida e descida. Em vez de inclinação na pista, é no carro que ocorre a oscilação mais representativa. O procedimento para corrigir a medição do sensor é o mesmo usado para ângulos de inclinação.

\[ G=\frac{G_{measured}\pm sin\theta}{con\theta} \]

Em uma subida, o sensor G longitudinal mede mais aceleração, enquanto na descida, mede menos aceleração. Isso ocorre porque o sensor é sensível ao peso. Nesses casos, é possível aplicar uma equação similar a do angulo de rolagem.

Qualidade do sensor

Como mencionado nos artigos anteriores, existem seis sensores básicos em sistemas de aquisição de dados comuns. Estes são o sensor de entrada do motorista e o sensor de velocidade, que são bastante limpos. Isso significa que esses sinais não costumavam ter interferência de sinal. O nível de perturbação é baixo. Em termos das saídas do carro, estas são RPM, Gx e Gy, e estes são sinais com ruído. A rotação do motor geralmente é ruidosa devido às vibrações do motor. No caso do G longitudinal e lateral, o ruído advém do fato de este sensor ser bastante sensível a pequenas variações. Além disso, quando se registra a segunda terceira casa decimal das acelerações, isso significa milhares de G. No caso da velocidade, 280, 280,5 e 281 km/h são bastante comparáveis, mas não tão ruidosas quanto as acelerações em G.

Referências

• Este artigo foi escrito com base nas notas de aula escritas durante as aulas de Dinâmica Veicular Aplicada na Academia Dallara;
• Segers. J. Analisys Téquiniques for Racecar Data Acquisition, 1ª Edição. Warrendale, PA. SAE International. 2008.