Utilização de GPS em aquisição de dados: Isto é o que você deve ter em mente

Este artigo descreve a tecnologia GPS, em geral, e como usá-lo na gravação de dados móveis. Ele especifica os diferentes tipos de sensores que podem ser conectados ao QuantumX, como parametriza-los e como realizar a análise de dados baseado em posição.

Aquisição de dados e análise baseados em posição ou mapa

Dados baseados em posição ou mapa estão claramente trazendo um benefício para a análise de dados adquiridos em um veículo em movimento. Desde que você obtenha relatórios de teste com resultados rastreáveis. O vídeo é outra grande vantagem, permitindo uma visão perfeita dos dados de trabalhos de gravação desacompanhada.

sistema de condicionamento e aquisiçaõ de dados QuantumX é a ferramenta perfeita tanto para a aquisição de dados móvel quanto para a aquisição em laboratório. A capacidade de leitura de sensores GPS e a gravação de sinais de informação de posição com grandeprecisão é perfeitamente obtido através de entradas analógicas de alta qualidade adquirindo grandezas mecânicas, térmicas e elétricas como deformação, pressão, aceleração, torque, força, temperatura, deslocamento e ainda mais informações baseadas na aquisição CAN bus.

A Aquisição de dados com GPS permite facilmente que os engenheiros correlacionem resultados medidos com a posição e o comportamento do veículo no tempo. Também torna mais simples, extrair dados adquiridos baseados em posição em uma determinada seção da pista de ensaio ou curso de estrada para correlacionar com os trabalhos antigos.

O que é GPS?

GPS significa Sistema de Posicionamento Global (Global Positioning System) e é originalmente baseado no sistema de satélite NAVSTAR dos EUA. Existe também um sistema da Rússia chamado GLONASS. O sistema da União Europeia é chamado GALILEO (prevista para 2014, a conclusão total em 2019). A China está trabalhando em um sistema chamado COMPASS (Sistema de Navegação Beidu-2, prevista para 2015, a conclusão total em 2020).

Um sensor de GPS recebe a seguintes informações a partir de satélites em órbita da Terra:

  • Posição nos eixos x, y e z (longitude, latitude and altitude)
  • Tempo (também com sinal diretamente codificado PPS)
  • Números de satélites visíveis

Alguns sensores GPS oferecem informações adicionais calculadas como velocidade. Devido ao desenvolvimento da tecnologia de silício, é óbvio que os sensores de GPS vão entregar cada vez mais informações no futuro. Modernas Medidas Inerciais (IMU) "ajuste fino" ou informações de GPS interpoladas com sensores locais adicionais, como aceleração, giroscópio e temperatura, fornecendo dados angulares adicionais (pitch, slip, yaw), com taxas de dados maiores que as atuais.

No momento, os sensores GPS precisam ter uma visão clara do céu, por exemplo, montados em cima do teto de um veículo com uma vista de 360° do céu para obter o número máximo de satélites.

O software Logger pode então calcular a distância percorrida, direção, aceleração e assim por diante com base em dados de posição.

O GPS é usado para calcular com precisão a latitude e a longitude de uma posição específica. O sistema GPS está baseado numa rede de vários satélites que orbitam a terra duas vezes a cada 24 horas. A órbita exata dos satélites e uso de relógios ultra-precisos permitem a triangulação precisa da posição do veículos ou usuários. Cada satélite transmite a sua posição exata e um tempo muito preciso. O tempo exato necessário para o GPS é fornecido para o sistema de satélites por relógios atômicos do Observatório Naval dos EUA, permitindo, assim, que o sistema completo trabalhe totalmente sincronizado.

Quem usa o GPS?

O GPS está disponível em muitas formas para a navegação de qualquer tipo de veículo e para atividades recreativas como caminhadas e mountain bike. Modernos smartphones e câmeras digitais estão cada vez mais completo com sensores GPS internos.

Meteorologistas o usam para previsão do tempo. Geólogos o utilizam como um método altamente preciso de agrimensura ou para medir movimentos tectônicos em estudos do terremoto.

Quando usado em conjunto com o sistema de Aquisição de dados QuantumX, o GPS tem seu foco na análise de movimento de veículos como carros, caminhões, ônibus , motocicletas, manuseio de materiais, máquinas para colheita, trens, aviões, etc.

Existem sensores inerciais altamente dinâmicos com GPS e sensores internos disponíveis que abordam aplicações mais específicas, como levantamento cinemático ou validação de veículos de acordo com testes padronizados, como ISO4138, ISO7401, ISO7975 ou ISO3888-2 - também conhecido como "teste do alce”.

O QuantumX é uma ferramenta de engenharia para fins de teste e medição, adquirindo todos os tipos de dados analógicos e digitais, assim como sinais de barramento via CAN, CCP ou XCP-on-CAN, por exemplo, "a velocidade da roda dianteira esquerda" e em paralelo correlacionando com a posição do veículos (GPS) e dados de vídeo.

Como o GPS funciona?

O GPS é um sistema de navegação baseado em satélite utilizando 29 satélites (mínimo de 24 satélites ativos). O nome completo do sistema é "Navigational Satellite Timing and Ranging – Global Positioning System - NAVSTAR-GPS". Originalmente, este sistema foi desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos EUA. O sistema foi lançado oficialmente em 1995. Todos os satélites movem numa órbita exata, de modo a receber sinais de 6-10 satélites de cada posição no mundo e um mínimo de 4 ao mesmo tempo. Cada satélite GPS envia dados C/A codificados com 1575,42 MHz na faixa de freqüência civil L1. Além de posição e tempo, um código especial por satélite também é enviado para diferenciar claramente de outros satélites. O receptor GPS decodifica esses sinais (CDMA). O código militar P/Y de alta precisão não é público.

Se o sensor de GPS recebe sinais a partir de um mínimo de três satélites, a posição pode ser precisamente analisada pelo sensor pra obter latitude e longitude. Quatro satélites permitem o cálculo da altitude também (= altura acima do nível do mar). Em aviação,a  “altura” é geralmente usado para medir a distância entre o sensor e o solo. Quanto mais satélites, maior é a precisão. Ao ligar o sistema QuantumX e o sensor de GPS pela primeira vez, ele vai começar a procurar por satélites. Este processo pode durar até 5 minutos. Depois que o GPS foi inicializado, geralmente leva menos de um minuto para obter todos os sinais. E tudo issoé verificado pelo software.

Qual é a precisão do GPS?

A precisão da posição depende de muitos fatores. Quanto mais sinais de satélite o receptor do GPS adquire, melhor é o sinal normalmente. A posição dos satélites e, por conseguinte, o nível de energia do sinal recebido também é um fator determinante em termos de precisão. Um objeto que está localizado entre o satélite e o sensor, tal como um edifício alto pode causar imprecisões devido ao não recebimento ou reflexão dos sinais. A qualidade de um sensor GPS padrão, em geral, pode alcançar precisões de menos de 10 m.

Conectando um sensor GPS em um QuantumX

Dois tipos de interface podem ser utilizados para ligar um sensor GPS em um QuantumX.

  •  RS232 / DSub-9
    • Interface QuantumX: RS232 diretamente no gravador de dados CX22 / CX22B-W
    • Transmissão de dados do sensor de acordo com o padrão NMEA 0183
    • Taxa de atualizaão: 1…5 Hz
  • CAN bus
    • Interface QuantumX: MX840 / MX840A  (canal nº. 1) ou MX471 (canal nº. 1-4)
    • Sensor de transmissão de dados através da rede CAN
    • Taxa de atualizaão: 20 – 200 Hz

Sensores GPS baseados em RS232 (protocolo NMEA 0183)

Seleção:

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

Sensores GPS desse tipo vêm com uma antena embutida e oferecem taxa de atualização de 1-5 Hz e baixo consumo de energia. A interface RS232 (fêmea) de conexão serial com pinos DSub 9 pode ser conectado diretamente ao gravador de dados QuantumX. O receptor pode rastrear até 12 satélites. Este tipo de sensor de movimento é ideal para veículos mais lentos ou menos ágeis como trens ou navios.

Um cabo de energia extra pode ser acoplado no acendedor de cigarro (6 ... 40 V DC).
O sensor vem em uma caixa resistente à água e funciona em uma faixa de temperaturas entre -30...80° C

NOTA: o EGPS-5HZ da HBM Somat vem com um conector macho M8.

RS232 / NMEA pinagem de saída (DSub-9)

 


 

 

DSub-9

Racelogic

VBSS

GARMIN
GPS18-5 Hz

GARMIN

GPS35 tracpak

Pin / Sinal

Sinal

Sinal

Sinal

1

-

vermelho

vermelho

2 / RX

8 / TX

branco

branco

3 / TX

1 / RX

verde

azul

4

-

-

-

5

9

-

-

6, 7, 8, 9

-

-

-

Há também um sensor baseado em USB suportado pelo Catman EASY.

Passo-a-Passo da parametrização do sensor GPS baseado em RS232

  1. Conecte o sensor GPS no RS232 de seu CX22 / CX22B-W
  2. Inicie o software Catman do gravador de dados e abra a caixa de diálogo “Configure device scan”

  1. Ative a aba "Manual devices” e clique em “New device”

  1. Configure a porta como abaixo, caso não seja indicado de outra forma no datasheet do GPS

  1. Ressalte “Consider manual devices"

  1. Inicie um “New DAQ project”
  1. Todos os dispositivos são verificados automaticamente. A figura abaixo mostra a lista de canais com um módulo QuantumX e os sinais do GPS de latitude, longitude, altitude, velocidade e tempo vindo do sensor GPS baseado em RS232.

NOTA: Pelo menos um módulo QuantumX é necessário para fornecer o sinal de tempo. Todos os sinais de GPS são, então, relacionados com este grupo de tempo.

Sensores GPS baseados em CAN

Basicamente, qualquer sensor GPS oferecendo este padrão de barramento pode ser conectado ao QuantumX.

Os módulos MX840, MX840A e MX471 oferecem conexão de alta-velocidade CAN bus ISO 11898. As taxas de barramemto podem ser ajustadas de acordo com a folha de dados. O formato de dados pode ser da Motorola ou da Intel. Com o MX471, a terminação da rede pode ser alterada via software. Deve-se solda-lo no Plug quando se utiliza o MX840 ou o MX840A.

Este tipo de sensor pode ser usado para testes veiculares de carros, veículos esportivos ou motocicletas com maior demanda em velocidade e precisão. Aplicação típica: dinâmica veicular em geral (vertical ou horizontal).

Passo-a-Passo da configuração do sensor GPS baseado em CAN

  1. Ligue o sensor GPS em um canal adequado “ CAN bus” no:
    MX471: canal 1-4 ou
    MX840 / MX840A canal 1
    Observação: Tenha em mente que você pode ter que terminar o barramento CAN do lado do QuantumX (MX840A no plugue, MX471 através do comando no software)
  2. Vá para o banco de dados do sensor: importe o arquivo dbc do sensor GPS
  3. Vá para a lista de canais: arraste o arquivo dbc para o canal e configure o terminal CAN
    taxa de dados: 500 kBit, terminação é ON
  4. Opcionalmente, é possível visualizar sinais com um indicador numérico que mostra a posição em formato geográfico: grau, minuto e segundo.

NOTA: Pelo menos um módulo QuantumX é necessário para fornecer o sinal de tempo. Todos os sinais de GPS são, então, relacionados com este grupo de tempo.

Solução de problemas com o sensor GPS baseado em CAN da Racelogic

Se os dados de GPS não esta visivel, analise o sensor de GPS usando o software VBSS

  1. Ligue o sensor GPS em seu PC através da RS232 e verifique se ele está funcionando corretamente.

  1. Abra a aba CAN, verifique e modifique os seguintes parâmetros se necessário:
    Taxa de Transmissão: 500 kBit (padrão)
    Terminação da rede CAN bus: Terminação Ativa = ON, lado do sensor com 120 ohms
    Identificador CAN: 0x301 … 0x307
    Formato identificador de mensagem CAN: padrão 11 Bit
    Depois de todas as mudanças, anote e clique em "Write Settings" para torná-las permanentes.

  1. Configure a tensão de saída analógica direta do sensor (plug BNC) para a velocidade do veículo (como mostrado), aceleração lateral, aceleração longitudinal ou contador de volta (pulso digital ao passar uma linha "virtual" de Largada/Chegada, com base nos dados de GPS para o cálculo do tempo de volta em uma corrida).

Análise pós procesamento baseado em posição ou mapa

Você pode visualizar e analisar matematicamente e automaticamente todos os seus dados usando as poderosas ferramentas de pós-processamento nCode GlyphWorks da HBM.

O pacote Displays Sincronizado fornece um conjunto de ferramentas para a exibição de dados do GPS globalmente mapeados para o Microsoft MapPoint ou utilizando a funcionalidade de exportação para o Google Earth.

Vários tipos de indicadores podem exibir qualquer entrada de sensores ou de barramento de dados, a posição exata e até mesmo vídeo de forma sincronizada.

Um único clique em Relatórios de Análise para ver centenas de testes de campo em formato PDF, o que torna uma ferramenta de engenharia de suporte perfeita.

Figura: GlyphWorks - Para visualizar e analisar dados de medição ampliados em seu conjunto de dados e analisá-los no tempo ou domínio da frequência

Figura: GlyphWorks – Análise dos dados em gráficos com tarefas matemáticas. Da esquerda para a direita: conjunto de dados, cálculo de velocidade, tempo de nível de aceleração e velocidade, cálculo de FFT, mapa

Figura: GlyphWorks –Relatório global gerado automaticamente (exemplo) escolhe todos os aspectos do seu teste:  dados, GPS e posição, análise, etc

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