Uso del GPS en la adquisición de datos: todo lo que conviene tener en cuenta

Este artículo describe la tecnología GPS de forma general y cómo utilizarla para registrar datos móviles. También detalla los distintos tipos de sensores que se pueden conectar a QuantumX, el modo de configurar sus parámetros y cómo llevar a cabo el análisis de los datos con posterioridad al proceso en función de la posición. 

Adquisición y análisis de datos con geolocalización

Los datos de geolocalización (basados en posición o en mapas) son muy útiles a la hora de analizar datos adquiridos en vehículos en movimiento, ya que permiten elaborar informes con resultados trazables. El vídeo es otra importante ventaja, puesto que proporciona una visión perfecta de los datos a partir de grabaciones no atendidas por un operario.

El registrador de datos QuantumX es la herramienta perfecta para adquirir datos tanto en el laboratorio como sobre el terreno. La posibilidad de leer sensores GPS y de registrar señales acompañándolas de información precisa sobre su posición (en combinación con entradas analógicas de alta calidad) es una baza importante en la medición de magnitudes mecánicas, térmicas y eléctricas; por ejemplo, extensión, presión, aceleración, par, fuerza, temperatura, desplazamiento y otras señales que se puedan adquirir a través de un bus CAN.

La adquisición de datos GPS permite a los ingenieros correlacionar de forma sencilla los resultados de medición con la posición y el comportamiento de un vehículo en un momento dado. La información sobre la posición también facilita la extracción de datos adquiridos en un determinado tramo de una pista de ensayo o de un recorrido, y correlacionarlos con trabajos anteriores.

¿Qué es un GPS?

Las siglas GPS quieren decir Global Positioning System y hacen referencia a un sistema de posicionamiento global originalmente basado en el programa de satélites estadounidense NAVSTAR. También existe un sistema ruso denominado GLONASS. El sistema de la Unión Europea se llama GALILEO; su lanzamiento está previsto para 2014 y se completará en 2019. China está trabajando en un sistema llamado COMPASS (sistema de navegación BeiDu-2, con lanzamiento previsto para 2015 y finalización en 2020).

Los sensores GPS reciben la información de los satélites que orbitan alrededor de la Tierra:

  • Posición en los ejes x, y, z (longitud, latitud y altitud).
  • Hora (también como señal PPS directa codificada).
  • Número de satélites visibles.

Algunos sensores GPS ofrecen información adicional que obtienen mediante cálculos; por ejemplo, velocidad. Obviamente, el desarrollo de la tecnología de silicio hará que los sensores GPS proporcionen cada vez más información en el futuro. Las unidades de medición inercial modernas (IMU) “ajustan” o interpolan la información GPS con la de sensores locales adicionales —por ejemplo, de aceleración, sensores giroscópicos y de temperatura— para proporcionar datos angulares adicionales (cabeceo, deslizamiento, guiñada) y proporcionan un flujo de información más rico.

En la actualidad, los sensores GPS necesitan una visión clara del cielo. Deben instalarse, por ejemplo, en la parte superior del techo de un vehículo con una vista de 360° del cielo, para detectar el mayor número de satélites posible.

El software de registro puede entonces calcular la distancia recorrida, la dirección, la aceleración y otras magnitudes en función de los datos de posición.

El GPS se emplea para calcular con precisión la latitud y la longitud de una posición específica. El sistema GPS se basa en una red formada por múltiples satélites que dan dos vueltas a la Tierra cada 24 horas. La órbita exacta de los satélites y el uso que hacen de relojes muy precisos permiten hacer triangulaciones de alta precisión de la posición de vehículos o de usuarios. Cada satélite transmite su posición exacta y una lectura de la hora muy precisa. Los relojes atómicos del Observatorio Naval de Estados Unidos suministran a la constelación de satélites la hora requerida para el sistema GPS. Eso permite una sincronización completa del conjunto del sistema.

¿Quién utiliza el GPS?

El GPS se encuentra disponible, en distintas modalidades, para la navegación de cualquier tipo de vehículo y para actividades de ocio como el senderismo o la bicicleta de montaña. Cada vez hay más smartphones y cámaras digitales con sensores GPS internos. Los meteorólogos utilizan el GPS para hacer pronósticos de tiempo. Los geólogos lo utilizan como un método altamente preciso para monitorizar o medir movimientos tectónicos en estudios sísmicos.

Cuando se utiliza en combinación con el QuantumX data recorder, el GPS permite analizar el movimiento de vehículos tales como coches, camiones, autobuses, motocicletas, equipos manipuladores, cosechadoras, trenes, aviones, etc.

Existen sensores inerciales altamente dinámicos con GPS y sensores internos aptos para aplicaciones más específicas; por ejemplo, estudios cinemáticos o validación de vehículos según ensayos normalizados como ISO4138, ISO7401, ISO7975 o ISO3888-2 (la famosa “prueba del alce”).

QuantumX es una herramienta técnica que se utiliza con fines de pruebas y medición. Adquiere todo tipo de datos analógicos y digitales, además de señales de bus a través de CAN, CCP o XCP-on-CAN; por ejemplo, la “velocidad de la rueda delantera izquierda” de un vehículo. El sistema obtiene esta información de forma paralela y correlacionada con la posición del vehículo (GPS) y con datos de vídeo.

¿Cómo funciona el GPS?

El GPS es un sistema de navegación por satélite que utiliza una constelación de 29 satélites (de los cuales un mínimo de 24 deben encontrarse activos). El nombre completo del sistema es "Navigational Satellite Timing and Ranging – Global Positioning System (NAVSTAR-GPS)". Originalmente, este sistema fue desarrollado por el Departamento de Defensa estadounidense. El sistema se lanzó oficialmente en 1995. Todos los satélites describen una órbita perfectamente definida, de modo que es posible recibir señales de 6-10 satélites desde cualquier punto en el mundo, con un mínimo de 4 al mismo tiempo. Cada satélite GPS envía datos codificados C/A a 1575.42 MHz en la banda de frecuencia civil L1. Además de la posición y la hora, también se envía un código de satélite específico, que diferencia claramente cada satélite de los demás. El receptor de GPS descodifica estas señales (CDMA). El código P/Y militar, altamente preciso, no es de uso público.

Si el sensor GPS recibe señales de un mínimo de 3 satélites, entonces puede analizar la posición con precisión y calcular la latitud y la longitud. Con 4 satélites se puede calcular también la altitud (= altura sobre l nivel del mar). En aviación, la “altura” se utiliza por lo general para medir la distancia entre el sensor y el suelo. Cuanto mayor sea el número de satélites, mayor es la precisión. Cuando el sistema QuantumX y el sensor GPS se activan por primera vez, lo primero que hacen es buscar satélites. Este proceso puede durar hasta 5 minutos. Una vez que el GPS se ha inicializado, tarda menos de un minuto en recibir todas las señales. El software lleva a cabo una comprobación.

¿Qué precisión tiene el GPS?

La exactitud de la posición depende de muchos factores. Normalmente la señal es tanto mejor cuanto mayor es el número de señales de satélite que adquiere el receptor GPS. La posición de los satélites y, en consecuencia, la potencia de la señal recibida también son factores que incluyen en la precisión. Los objetos situados entre el satélite y el sensor, como puede ser un edificio alto, pueden ser causa de imprecisiones, debido a la imposibilidad de recibir las señales o a fenómenos de reflexión. En general, la calidad de un sensor GPS estándar permite lograr precisiones de 10 metros o mejores.

Conexión de un sensor GPS a QuantumX

Se pueden utilizar dos tipos de interfaces para conectar un sensor GPS a QuantumX.

  • RS232 / DSub-9
  • CAN bus
    • Interfaz QuantumX: MX840 / MX840A (canal nº 1) o MX471 (canal nº 1-4)
    • Transmisión de datos a través de bus CAN
    • Velocidad de actualización: 20 – 200 Hz

Sensores GPS basados en RS232 (protocolo NMEA 0183)

Posibilidades:

  • NAVILOCK NL-403P con base magnética    
  • GARMIN GPS18-5 Hz
  • GARMIN GPS35 tracpak
  • VBSS 5/10/20/100 Hz

Los sensores GPS de este tipo llevan una antena integrada y ofrecen una velocidad de actualización de 1-5 Hz y un bajo consumo energético. La interfaz RS232 (hembra) con conexión DSub de 9 polos se puede conectar directamente al registrador de datos QuantumX. El receptor puede rastrear hasta 12 satélites. Este tipo de sensor resulta ideal para vehículos menos ágiles o que se mueven con mayor lentitud, como trenes o barcos.

Es posible conectar un cable eléctrico adicional a la toma de un encendedor (6 … 40 V CC).
El sensor se presenta en una carcasa resistente al agua y puede trabajar en un intervalo de temperatura de entre -30 °C y 80 °C.

NOTA: EGPS-5HZ de HBM Somat se suministra con un conector macho M8.

Cableado de salida RS232 / NMEA (DSub-9)

 

 

DSub-9

Racelogic

VBSS

GARMIN
GPS18-5 Hz

GARMIN

GPS35 tracpak

Polo / Señal

Señal

Señal

Señal

1

-

rojo

rojo

2 / RX

8 / TX

blanco

blanco

3 / TX

1 / RX

verde

azul

4

-

-

-

5

9

-

-

6, 7, 8, 9

-

-

-

Sensor GPS con USB

También existe un sensor USB compatible con catmanEASY (debe especificarse en el pedido).

Configuración paso a paso de un GPS con RS232

  1. Conecte el sensor GPS al RS232 de su CX22 / CX22B-W.
  2. Inicie el software en el registrador de datos y abra el cuadro de diálogo “Configure device scan”.

  1. Active la pestaña “Manual devices” y seleccione “New device”.

  1. Configure el puerto siguiendo los pasos que se indiquen a continuación, salvo que la ficha técnica del GPS diga otra cosa.

  1. Marque “Consider manual devices".

  1. Inicie un “New DAQ project”.
  1. Todos los dispositivos se detectan automáticamente. La siguiente captura de pantalla muestra la lista de canales de un módulo QuantumX y la latitud, longitud, altitud, velocidad y hora de las señales GPS procedentes del sensor GPS con RS232.

NOTA: Se necesita al menos un módulo QuantumX para suministrar la señal horaria. Todas las señales GPS se asocian a este grupo horario.

Sensores GPS con conexión CAN

QuantumX puede conectarse a prácticamente cualquier sensor GPS con este estándar de bus. 

Los módulos MX840, MX840A y MX471 ofrecen conexión bus CAN de alta velocidad según ISO 11898. La velocidad del bus se puede ajustar en función de las especificaciones técnicas. El formato de los datos puede ser Motorola o Intel. Con MX47a, la terminación de bus se puede conmutar a través del software. Cuando se utilicen MX840 o MX840A, la conexión debe soldarse a la toma.

Este tipo de sensor se puede utilizar en pruebas de automóviles vehículos, deportivos o motocicletas con exigencias máximas de velocidad y precisión. Las mediciones dinámicas generales en vehículos (en vertical u horizontal) son aplicaciones típicas.

Configuración paso a paso de un GPS con CAN

  1. Conecte el sensor GPS a un nodo bus CAN privado de
    MX471: canal 1-4 o
    MX840 / MX840A canal 1
    Nota: Tenga en cuenta que puede que tenga que cerrar el bus CAN por el lado del módulo QuantumX (MX840A en la toma, MX471 mediante software).
  2. Abra la base de datos de sensores e importe el archivo dbc del sensor GPS.
  3. Abra la vista de canales: arrastre y suelte el archivo dbc en el canal en cuestión y configure el nodo CAN: velocidad de transmisión de datos: 500 kBit; la terminación en ON.
  4. De manera opcional, las señales pueden visualizarse  con ayuda de un indicador numérico que muestre la posición en formato geográfico: grado.min.seg.

NOTA: Se necesita al menos un módulo QuantumX para suministrar la señal horaria. Todas las señales GPS se asocian a este grupo horario.

Adquisición y análisis de datos con geolocalización

Resolución de problemas con el sensor GPS-CAN de Racelogic

Si no se detectan los datos del GPS, analice el sensor GPS con el software VBSS

  1. Conecte el sensor GPS a su PC a través de la toma RS232 y compruebe si funciona correctamente.

  1. Abra la pestaña CAN, compruebe los siguientes parámetros y modifíquelos si es preciso:
    Velocidad de transmisión: 500 kbits (predefinida)
    Terminación de bus CAN: Terminación activa = ON, lado del sensor con una resistencia de 120 ohmios
    Identificador CAN: 0x301 … 0x307
    Formato del mensaje de identificación CAN: estándar 11 bits
    Después de cualquier cambio, anótelo y haga clic en “Write Settings” para que sea permanente.

  1. Configure la tensión de la salida analógica directa del sensor (toma BNC)
    para la velocidad del vehículo (como se indica), la aceleración lateral, la aceleración longitudinal o el girofaro (impulso digital al rebasar una línea de salida/meta “virtual”, en función de los datos de GPS, para el cálculo del tiempo invertido en dar una vuelta en una carrera).

Posprocesamiento con posicionamiento o geolocalización

La potente herramienta de posprocesamiento gráfico GlyphWorks de HBM nCode le permite visualizar y analizar automática y matemáticamente todos los datos.

El paquete Synchronized Displays le proporciona un conjunto de herramientas para ver los datos GPS en Microsoft MapPoint o mediante la función de exportación a Google Earth.

Es posible mostrar cualquier entrada procedente de sensores o datos de bus, la posición exacta e incluso un vídeo de forma sincronizada.

Con solo pulsar en Analysis Reports, es posible editar en PDF centenares de ensayos prácticos; en definitiva, una herramienta perfecta para los ingenieros de medición.

Imagen: GlyphWorks. Para visualizar y analizar datos de medición, acerque la vista a su conjunto de datos y analícelos en el dominio temporal o de frecuencia

Imagen: GlyphWorks. Análisis de datos en un flujo gráfico con tareas matemáticas. De izquierda a derecha: conjunto de datos, cálculo de la velocidad, tiempo de aceleración y velocidad, cálculo de TRF, mapa

Imagen: GlyphWorks. Informe generado de forma totalmente automática (ejemplo), con todos los aspectos de un ensayo: metadatos, datos, GPS y posición, análisis, etc.

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