El OBDII Completo/Introduccion/Arquitectura de un Automovil
El automóvil es una de las invenciones de uso masivo que ha acompañado a la humanidad a través de los últimos poco más de 100 años. Hoy en día se ha convertido en parte indispensable de la sociedad civilizada junto a otras invenciones como el teléfono y la televisión. Es difícil imaginar actualmente una sociedad urbana sin el mismo. Sin embargo, a pesar de su gran impacto y de haber estado presente por más de un siglo, no es sino hasta las últimas dos décadas que ha tenido un gran avance tecnológico en los modelos comercialmente disponibles.
Por décadas, los sistemas de control interno de los automóviles fueron mayormente mecánicos. Se puede hacer memoria y recordar las viejas camionetas del abuelo, con nada más que el motor adentro. Cuando ocupaba reparación, el abuelo se sentaba en el guardafangos con los pies adentro y sobraba espacio. En esos entonces, alrededor de los 70’s los controles avanzados eran por medio de mangueras de vacío y válvulas. En especial los motores Chrysler se volvieron complejos, para su época tecnología avanzada pero delicada en cuanto a si se salía una manguera estaba en problemas siendo una pesadilla el poder encontrar la causa. Hoy en día apenas cabe una mano dentro del motor con todos los sistemas que trae.
Los primeros sistemas automatizados de control aparecieron en los 80’s junto con las iniciativas globales Ecológicas. Los primeros sistemas electrónicos se dieron buscando controlar las emisiones contaminantes de los vehículos. Dichos primeros sistemas se colocaron en el motor y sistemas de emisiones. Esta entonces nueva plataforma de sistema en el motor dio paso a la siguiente gran iniciativa, la eficiencia y por ende la reducción de consumo de combustible. Para esto, se incorporaron más sistemas ya no solo en la emisión del combustible utilizado sino también en la manera que entra y se utiliza. De este punto en delante fueron incorporándose sistemas cada vez más diversos al vehículo. Dichos sistemas no podrían ser posibles sin la automatización digital iniciada por estas iniciativas.
Entre estos nuevos sistemas está el control de contaminación ambiental por medio de algoritmos complejos, nuevos conceptos de motor como los híbridos o de reducción de potencia dinámico, y sistemas de tracción y estabilidad avanzados que involucran motor, transmisión, frenos, dirección y otros en coordinación. Se estima que gracias a los sistemas digitales, el valor agregado en un automóvil esta alrededor del 80% (Leen & Heffernan, 2002) [1]. Así también, la incursión de los sistemas digitales en los vehículos hizo permisible otros sistemas no relacionados con el tren motriz como lo son los sistemas de entretenimiento digital, guías de navegación, controles eléctricos de asientos y ventanas, entre otros.
Todos estos sistemas diferentes se pueden agrupar en dominios dentro del automóvil. De acuerdo a la definición de la Real Academia Española, un dominio es un ámbito de una actividad, o dentro de la informática su significado es la denominación que identifica a un sitio en la red y que indica su pertenencia a una categoría determinada. Así pues, se puede utilizar el término de dominio para diferenciar grupos de sistemas mecánicos o eléctricos dentro del automóvil.
Históricamente se han identificado 5 dominios (Navet & Simonot-Lion, 2009)[2]: Tren motriz, chasis, sistemas auxiliares de seguridad y confort (en inglés “body”), interfaces de usuario, y telemática. El tren motriz está relacionado con los sistemas que participan en la propulsión longitudinal del vehículo, incluyendo el motor, la transmisión y sus componentes subsidiarios. El chasis se refiere a las cuatro ruedas y su relativa posición y movimiento. En este dominio, los sistemas son principalmente la dirección y los frenos. Los sistemas auxiliares de seguridad y confort agrupan los sistemas que no están relacionados a la dinámica de movimiento del vehículo, sino al soporte al conductor como lo son la bolsa de aire, los limpiadores de parabrisas, luces, ventanas eléctricas, aire acondicionado entre otros. La interface de usuario incluye el equipo que permite el intercambio de información entre los sistemas y el conductor como lo es interruptores y paneles de información. Finalmente, el dominio de la telemática está relacionado con componentes que permiten el intercambio de información del vehículo con el mundo exterior, como lo son el radio, sistemas de navegación, internet, pago remoto de casetas, entre otros.
De un dominio a otro, los sistemas electrónicos difieren en sus características. Por ejemplo, el tren motriz y el chasis tienen requerimientos muy estrictos de datos en tiempo real y elevados niveles de poder de computación. Sin embargo, la arquitectura del hardware del dominio del chasis está completamente distribuida a través de todo el vehículo, cubriendo los sistemas dispersos a través de todo el vehículo. El dominio de la telemática, en contraste presenta requerimientos de alto manejo de datos contenidos usualmente en un solo equipo físico. Para estos dos sistemas, las soluciones tecnológicas difieren tanto en los sistemas embebidos requeridos como sus necesidades de interconexión y manejo de datos.
De acuerdo a Navet & Simonot-Lion, (2009)[2] el dominio del tren motriz, como se mencionaba anteriormente, representa los sistemas que controlan el motor de acuerdo a los requerimientos del conductor, por decir acelerar o reducir velocidad de acuerdo a la posición del pedal del acelerador, o conforme a otros requerimientos de otros sistemas como lo son el aire acondicionado. El controlador también reacciona a otros factores naturales como son temperatura del aire y nivel de oxígeno, así como otros factores ambientales como son contaminación y ruido. Por otro lado, también está diseñado para optimizar otros parámetros como son facilidad de manejo y confort para el conductor, así como economía de combustible. Esto último puede ser controlado por medio de cuanto combustible es inyectado en cada cilindro en cada ocasión dependiendo de las revoluciones del motor (RPM) y la posición del acelerador. Por otro lado esto lo balancea con otros factores como posición de las válvulas admisión escape, potencia requerida, emisiones, y la lista continua. Parte de esta información es enviada a otros dominios, como lo son las revoluciones al domino de interfaces para desplegar en el tacómetro del tablero.
Desde el punto de vista funcional, el dominio del tren motriz toma en cuenta los diferentes modos de funcionamiento del motor como son baja velocidad, poca o mucha carga. Esto corresponde a velocidades de muestreo de la información en el orden de los milisegundos. Desde el punto de vista del hardware esta velocidad de muestreo requiere sensores y microcontroladores que sean capaces de satisfacer esta demanda de resolución y velocidad, a la vez de poder balancearse con el costo.
En este dominio se encuentran sistemas continuos, muestreados y discretos todos al mismo tiempo. Las reglas que los controlan tienen hasta 2000 parámetros de calibración. Esto conlleva a grandes complejidades en el control, como lo es el manejo de punto flotante con suficiente resolución para captar los cambios demandados. Además, la necesidad de manejar simultáneamente y en tiempo real muchos de estos sistemas
De acuerdo a Navet & Simonot-Lion, (2009)[2] el dominio de chasis está compuesto de sistemas cuyo objetivo es el control de la interacción del vehículo con el camino, como lo son las ruedas y la suspensión. Los controladores toman en cuenta los requerimientos emitidos por el conductor, como lo es la posición del volante, frenado y aceleración, las condiciones del camino y ambientales.
Estos deben asegurar la seguridad y confort de los viajeros. En el dominio del chasis recaen en primera instancia condiciones de seguridad para los pasajeros y el vehículo en sí. Los requerimientos de estos sistemas son similares a los del tren motriz en cuanto a la velocidad a la que hay que procesar los datos en el orden de los milisegundos, así como manejar diferentes sistemas en tiempo real al mismo tiempo. La diferencia con el dominio del tren motriz está en que los sistemas del chasis están distribuidos a todo lo largo del automóvil, en vez de estar concentrados en el motor y transmisión. Así por ejemplo, se encuentran sistemas de frenado en cada rueda, los cuales junto al sistema de dirección son capaces de frenar independientemente cada una para evitar descontrolar el vehículo ante una situación inesperada por parte del conductor.
De acuerdo a Navet & Simonot-Lion, (2009)[2] el dominio de los sistemas auxiliares de seguridad y confort controlan funciones embebidas en un vehículo que no están relacionados al control de su dinámica. Hoy en día, los limpiadores, luces, puertas, ventanas, asientos y espejos están controlados cada vez más por sistemas automatizados. En general no están sujetos a situaciones tan rigurosas como en el dominio del tren motriz y el chasis, por lo que no representan sistemas críticos. Sin embargo, hay sistemas como el de alarma de seguridad para el acceso al interior que tiene que respetar reglas de tiempo real.
Estos sistemas por lo general por estar distribuidos en todo el vehículo involucran una red de comunicación entre todos ellos haciendo más compleja su estructura. Es en este dominio donde emerge la noción de subsistemas basados en redes locales de sensores y actuadores de bajo costo, por ejemplo en red LIN (del acrónimo en inglés Local Interconnect Network o red local interconectada), la cual conecta los módulos construidos como sistemas mecatrónicas integrados. Por ejemplo, diversas funciones pueden estar presentes en una puerta: poner o quitar seguros de acuerdo a una señal transmitida por una red inalámbrica, control de ventanas de acuerdo a señales del conductor o pasajero, así como la posición de los espejos. Una posible aplicación de estas funciones puede ser un solo control central ECU (del inglés Electronic Control Unit, unidad de control electrónico) el cual centraliza la recepción de los sistemas que requieran la acción, mientras que los controles para los motores que realizan las acciones en el dispositivo físicamente como el espejo o la ventana son soportados por otros tres ECUs. Estos cuatro ECUs están conectados en una LIN. Como algunos requerimientos involucran varias puertas como lo es el quitar los seguros, el ECU principal de cada puerta está conectado a una red CAN de baja velocidad. Finalmente para presentar el estatus de las puertas al conductor, la información es transmitida por el ECU principal al ECU del tablero por medio de CAN-BUS.
Por otro lado, este dominio también contiene un subsistema central, cuya funcionalidad principal es asegurar la transmisión de mensajes entre diferentes sistemas o dominios. Este sistema es reconocido como una entidad central crítica. Las funciones de este dominio están relacionadas mayormente a aplicaciones con eventos discretos por lo que su diseño y validación dependen en máquinas de estado y modelos síncronos. La implementación como se mencionaba implica una arquitectura distribuida. Para este sistema central se requiere alto poder de cómputo, así como tolerancia a fallas y alta confiabilidad.
Aunque no se requieren niveles de tiempo real tan estrictos como en el dominio del tren motriz, si se deben de tener en cuenta tiempos de respuesta y desempeño de diversos componentes de hardware, tiempos de acceso y llamada de cada uno y el protocolo de red entre ellos. Todos estos se deben de balancear de manera adecuada para poder tener la flexibilidad de poder acomodar múltiples plataformas y sistemas, sin perder de vista el desempeño y confiabilidad requeridos.
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