TELEMETRY SYSTEM FOR A COMPETITION CAR Autor: Pineda Alfaro, Eduardo. Director: Roos, Fredrik. Entidad Colaboradora: KTH - Royal Institute of Technology, Stockholm. RESUMEN DEL PROYECTO El presente proyecto contempla el desarrollo de un sistema de telemetría aplicado a vehículos de competición. El sistema diseñado establece, básicamente, la comunicación en tiempo real entre el vehículo y una estación receptora. De este modo, proporciona toda la información que los desarrolladores y técnicos necesitan para mejorar las características del mismo, por ejemplo, la velocidad óptima al consumo de combustible. Actualmente, los sistemas de telemetría juegan un importante papel en diversos entornos y, en particular, en los deportes del motor. Dichos sistemas, proporcionan a ingenieros y mecánicos la información necesaria para determinar los valores idóneos del vehículo para cada carrera, así como para detectar posibles fallos, antes de que éstos ocurran. En tal sentido, el sistema de telemetría juega un importante papel durante las sesiones de pruebas, cuando el vehículo se somete a situaciones de esfuerzo, de las que se obtienen datos que son analizados en profundidad, para mejora de diseño y componentes. El diseño que aquí se presenta, está compuesto por una serie de elementos, frecuentes en este tipo de comunicaciones. Es decir, la unidad de medidas, constituida por sensores analógicos; una conexión inalámbrica entre el vehículo y la estación receptora, a través de la que se envía la información a un punto central; y una aplicación informática, creada al efecto, para información a los diseñadores y técnicos, así como para almacenamiento y posterior análisis. El proyecto que ahora se presenta, es una parte integrante de otro de mayor envergadura. El objetivo de este segundo proyecto, que aquí solo se cita, es el completo diseño, desarrollo y construcción de un vehículo de competición (denominado Agilis Eco Car), que participará en la competición académica “Shell Eco Marathon”, que se celebra anualmente en el circuito de Nogaro, Francia. Dicha competición tiene como fin “Llegar tan lejos como sea posible, usando la mínima cantidad de energía”. Para ello se pueden usar tanto combustibles convencionales (gasolina, diesel), como combustibles alternativos (energía solar, ente otros). El proyecto Agilis Eco Car ha venido desarrollándose durante la primera mitad del presente año 2006, con objeto de participar inicialmente en la competición que se celebró a finales de Mayo, si bien tiene por delante un largo trabajo de mejoras a introducir en los próximos años. El sistema de telemetría que ahora se presenta, será integrado en el vehículo durante la temporada 2006-2007, lo que contribuirá a la mejora general del proyecto y, por tanto, a los resultados del vehículo en competición. El presente proyecto de telemetría, ha sido realizado y dirigido desde el laboratorio de mecatrónica del departamento de diseños de máquinas del “Royal Institute of Technology” (KTH), ubicado en Estocolmo, Suecia. Para llevarlo a cabo, ha sido necesario profundizar y adquirir, previamente, extensos conocimientos en sistemas de comunicaciones, protocolos de comunicaciones, diseño de hardware y programación. También ha requerido una prolongada e intensa labor de investigación, para elegir entre la amplia gama de productos y soluciones tecnológicas, la solución técnica óptima que cada aspecto del proyecto exigía. Las dos áreas en las que ha sido necesaria una mayor labor de estudio y análisis son: 1. Sistemas de comunicaciones inalámbricas existentes hoy día en el mercado. 2. Sistemas de comunicación asíncronos, en concreto se ha estudiado el protocolo RS-232 y diversos sistemas de comunicación asíncronos para comunicaciones inalámbricas. Pequeñas labores de investigación fueron igualmente necesarias para la elección de las antenas a utilizar y para su programación. Dos tarjetas electrónicas fueros expresamente diseñadas para este proyecto. Cada una de ellas tenía integrado un microcontrolador, puertos para comunicación con el exterior y sistemas de protección. La primera tarjeta electrónica, a la que denominamos tarjeta emisora, tiene como misión medir los valores de distintos sensores analógicos y digitales, distribuidos por distintas partes del vehículo, almacenar dicha información en el microcontrolador y enviarla vía inalámbrica al receptor. La segunda tarjeta electrónica se utiliza como puente entre los datos recibidos y el ordenador. Su función es decodificar los datos recibidos desde el transmisor y acondicionarlos al formato adecuado para poder ser recibidos y procesados en el PC. Finalmente, se ha creado una aplicación informática con el fin de hacer el manejo de los datos para el usuario, tan sencillo como sea posible. Este programa incluye la representación por pantalla de las medidas de los distintos sensores del vehículo y la grabación de los datos en el disco duro del ordenador, bajo formato de hoja de Excel, para su posterior análisis, más detallado que el que se puede hacer en tiempo real. Una de las directrices del proyecto es intentar que el producto creado pueda ser usado desde cualquier ordenador, por ello se evitó el uso de programas específicos como Matlab, aunque con ello se aumentara el trabajo de programación. Para completar las actividades del proyecto, se realizaron distintas pruebas que proporcionasen una medida real de la calidad del sistema de telemetría construido. Uno de los aspectos más importantes y determinantes es la distancia que el sistema abarca, ya que ello determinará si puede ser utilizado durante la carrera o sólo en las pruebas previas. Otros parámetros de calidad son el ancho de banda del sistema y el peso del hardware utilizado. El sistema está preparado para ser integrado en el “Agilis Eco Car” en el otoño de 2006. ENGLISH ABSTRACT This Master Thesis describes the development of a telemetry system that is meant to be used in racing cars. The designed system basically creates a real-time communication link between a car and a receiving station. This link provides all the information that cars’ developers need to enhance car specifications such as optimum working speed. Nowadays, telemetry systems play an important role in motor competitions. Those systems provide the necessary information that the engineers need to adjust the car and detect failures before they occur. It is also used during the testing phases where the car is deeply analyzed in the aim of enhancing its components. The system is composed of the most common telemetry elements such as analog sensors for measuring, a wireless link between the car and the receiving station, a PC interface to display the data to the users and all the needed software to save the data into an information system. The designed system is part of a larger project. The project aims to design and construct a competition car (Agilis Eco Car). This car will participate in the Shell Eco Marathon academic competition that takes place in Nogaro Circuit, France. The aim of the competition is “To drive as far as possible using the least amount of energy”. Traditional or alternative energies can be used to reach this goal. The Agilis Eco Car project has been developed during the first 6 months of 2006 to participate in a competition that took place last May. However, the project still requires a lot of work in the coming years. The telemetry system developed in this master thesis will be integrated in the car during the 2006-2007 season to improve the car parameters. The project has been organized and planned in the Mechatronics Laboratory of the Machine Design Department of the Royal Institute of Technology (KTH), Stockholm, Sweden. It requires deep knowledge in communication systems, communication protocols, hardware design and programming. It also requires research work to find and select from the different products and technological solutions available for each aspect of the project. The most important research realized during this project was in wireless communication systems and asynchronous communication protocols, specifically in RS232 protocol and wireless asynchronous protocols. A brief research on aerial antennas and programming environments was necessary as well. Two electronic boards have been created during the hardware design stage. Each one has an embedded microcontroller, different ports to communicate with the outside world and protection systems. The first electronic board, called transmitter board, has to measure the analog and digital sensors distributed in the car, save the information and send it through a wireless link to the receiver station. The second electronic board, called receiver board, is used as a bridge between the received data and the computer. It has to transform the received data from the transmitter board into a suitable format using a different protocol so that it can be sent to the computer. Finally, a computer interface was created to make the management of user data as easy as possible. This management includes a real time graphical representation of the sensors’ measurements. It also allows saving the data into an excel spreadsheet. This gives the car designers an extreme ease in using the data at a later stage. They can easily collect statistics or draw graphs. The objective of this stage was to create a program that could be used in any computer. Consequently, programs such as Matlab were avoided even if that includes an additional work in programming. To complete the project, different tests to measure the quality of the telemetry system were done. The most important value is the distance range. This parameter determines if the telemetry system can be implemented for the race or only for testing phases. Other parameters such as bandwidth and weight were measured too. Both of them had high impact on the telemetry system as well. The system will be ready to be embedded in the Agilis Eco Car during autumn 2006.