La evolución de la mecatrónica moderna se puede ilustrar con el ejemplo del automóvil. Hásra los 60s, el radio era el único componente con funcionamiento electrónico en el carro. Todas las demás funciones eran enteramente mecánicas o eléctricas. Hoy en día un automóvil convencional tiene de 30-60 microcontroladores, hasta 100 motores eléctricos y 100 kilogramos de cables, una multitud de sensores y miles de líneas de software. Vamos a ver como el carro se convirtió poco a poco en un sistema mecatrónico integral.
La evolución de la mecatrónica moderna se puede ilustrar con el ejemplo del automóvil. Hásra los 60s, el radio era el único componente con funcionamiento electrónico en el carro. Todas las demás funciones eran enteramente mecánicas o eléctricas, como el arrancador del motor y los sistemas de recarga de las baterías. No habían “sistemas inteligentes de seguridad”, en vez de eso se tendía a aumentar el tamaño del parachoques y los elementos estructurales para proteger al conductor y los ocupantes. Los cinturones de seguridad, que se introdujeron a principios de los 1960s eran actuados mecánicamente por completo.
Todos los sistemas de propulsión eran controlados por el conductor u otros sistemas mecánicos. Por ejemplo antes de la introducción de sensores y microcontroladores, se usaba un distribuidor mecánico para seleccionar la bujía específica a encender cuando la mezcla de aire-combustible estaba comprimida. La variable de control era en ese caso el cronometraje del encendido, pero el proceso de combustión controlada mecánicamente no era óptima en términos de eficiencia de consumo de combustible. Un modelamiento del proceso de combustión mostró que para incrementar la eficiencia de consumo, había un tiempo óptimo en el que se debía encender el combustible. El tiempo en específico dependía de la carga, la velocidad y otras cantidades medíbles. El sistema de encendido electrónico fue uno de los primeros sistemas mecatrónicos en introducirse en los carros a finales de los 70s. El sistema de encendido electrónico consiste en un sensor de posición del cigüeñal, un sensor de posición del eje de levas , del flujo de aire, del acelerador, de la tasa de cambio de aceleración, así como un microcontrolador determinando los tiempos de encendido de las bujías. Implementaciones tempranas únicamente involucraban un sensor de efecto Hall para censar la posición del rotor en el distribuidor de forma precisa, aunque posteriormente se suprimió completamente el distribuidor y se controlaban los encendidos directamente usando un microprocesador.
Los sistemas de freno amtibloqueo (ABS) también se introdujeron en los automóviles a finales de los 1970s. El freno ABS funciona censando el posible bloqueo de cualquiera de las ruedas para modular la presión hidraulica necesaria para minimizar o eliminar el deslizamiento de la rueda. El sistema de control de tracción (TCS) se introdujo a mediados de los 90s, funciona sensando el deslizamiento producido durante la aceleración para luego modular la potencia de la rueda que se desliza. Esto hace que el vehiculo se acelere en la mayor cantidad posible dada una superficie o unas condiciones de conducción específicos. El control de estabilidad (ESP o VDC) se introdujo hasta finales de los 90s; funciona de manera similar al TCS con la adición de un sensor de cabeceo y un acelerometro lateral. Se determina la intención del conductor comparando la posición de la rueda dada por la dirección con la dirección real de movimiento. El sistema ESP se activa para controlar la potencia de las ruedas así como también la velocidad del vehículo para minimizar la diferencia entre la dirección de la rueda y la dirección del movimiento del vehículo. En algunos casos el ABS el usado para desacelerar el vehículo para alcanzar el control deseado.
El los carros de hoy en día se usan CPUs de 8, 16 o 32 bits para la implementación de de varios sistemas de control. El microcontrolador tiene memoria integrada (EEPROM/EPROM), entradas análogas y digitales, conversores A/D, PWM (modulación de ancho de pulso), funciones de reloj, contador de eventos, medición de ancho de banda, entradas priorizadas y en algunos casos procesamiento de señales. El procesador de 32 bits se usa para la administración del motor, el control de la transmisión y los airbags; el procesador de 16 bits se usa para los asientos, el control de los espejos y los eleva-vidrios eléctricos. Hoy en día hay entre 30 y 60 microcontroladores en un auto, y se espera que se incremente con el desarrollo de sistemas modulares para poner/quitar de los subsistemas mecatrónicos.
La mecatrónica se ha convertido en una necesidad para la diferenciación de producto en los automóviles. Dado que las bases de los motores de combustión interna ya se trabajaron hace cerca de un siglo, las diferencias en el diseño del motor entre varios carros, ya no son un diferenciador de producto útil. En los 70s, los fabricantes japoneses de carros tuvieron exito al afianzarse en el mercado norteamericano ofreciendo calidad y autos pequeños de consumo eficiente insuperables para la época. La calidad del vehículo fue el diferenciador de producto durante los años 80s. En los 90s los consumidores llegaron a esperar calidad y confiabilidad en los autos de todos los fabricantes. Hoy en día las características mecatrónicas se han convertido en el diferenciador de producto en esos sistemas que tradicionalmente eran solo mecánicos. Estos avances que se han acelerado gracias a la disminución del costo de los componentes electrónicos, han hecho que el mercado demande de productos innovadores simples y pequeños, a la vez que las empresas buscan reducir los costos de manufactura de los productos existentes por medio de la incorporación de elementos mecatrónicos. Con ratas de crecimiento cercanas al 5%, los fabricantes de autos seguirán buscando características de alta tecnología que diferencien sus vehículos de otros. En el mundo el mercado de partes automotrices electrónicas en el 2005 fue de 36 mil millones de dolares y se espera que para el 2010 sea de 50 mil millones de dolares.
Nuevas aplicaciones de sistemas mecatrónicos en el mundo automotriz, incluyen autos autónomos o semi-autónomos, mejoras de la seguridad, reducción de emisiones y otras características como conducción asistida inteligente, así como frenos cableados que eliminen la hidráulica. Otra área de crecimiento significativo que se podría beneficiar de la aproximación de diseño mecatrónico son las redes inalambricas de vehículo a vehículo y del vehículo a estaciones en tierra. Tal vez la mayor área de crecimiento potencial de la mecatrónica en los automoviles se encuentre en telemática que combine audio, comunicación celular, navegación, conectividad a Internet, e-mail, reconocimiento de voz.
Los sistemas microelectromecánicos (MEMS) son una tecnología que permite el desarrollo de sensores y actuadores eficientes y económicos para aplicaciones mecatrónicas. En la actualidad varios dispositivos MEMS se usan en los autos, incluyendo sensores y actuadores para el despliege de los airbags y sensores de presión para varias mediciones de presión. Integrando los dispositivos MEMS con circuitos acondicionadores de señal CMOS en el mismo chip de silicona es otro ejemplo del desarrollo de tecnologías que mejoran los productos mecatrónicos, como el carro.
Las escáneres de onda milimétrica (cómo los que usan en los Aeropuertos) también han encontrado aplicaciones en los autos en tiempos recientes. El radar de ondas milimétricas (o de frecuencias extremadamente altas) detecta la posición de objetos (otros vehículos) en el ambiente, la distancia al obstáculo y la velocidad del mismo en tiempo real. Esta tecnología provee la capacidad de controlar la distancia entre el vehículo y el obstáculo (que puede ser otro carro) integrando el control con el control de velocidad y los sistemas ABS. El conductor es capaz en ese escenario de establecer la velocidad y la distancia deseada entre los carros adelante de el.
Una extensión lógica de la capacidad de evasión de obstáculos es la conducción semi-autónoma a bajas velocidades en las cuales el vehículo mantiene una distancia constante del vehículo que le precede en trancones y embotellamientos. Muy probablemente dentro de 20 años los autos completamente autónomos serán el centro de las innovaciones mecatrónicas (desde ya podemos ver el DARPA Grand Challenge), de hecho ya hay investigaciones en curso en muchos centros de investigación referentes a carros semi-autónomos con planeación de ruta predictiva usando actualizaciones de modelos de trafico basados en GPS. Un sistema de sensado y control propuesto para esos vehículos involucra sistemas de posicionamiento global diferencial (DGPS), procesamiento de imágenes en tiempo real y planeación de ruta dinámica.
Los sistemas mecatrónicos futuros en los autos probablemente incluirán parabrisas que no se empañen que se basen en sensado de humedad y temperatura y control de ambiente, auto parqueo paralelo y ayudas para parqueo en transversal, asistencia de cambio de carril, frenos electrónicos que no necesiten fluidos, remplazo de los sistemas hidráulicos por servo sistemas, etc. A medida que la cantidad de automóviles en el mundo aumenta, es inevitable que los estándares de emisión se vuelvan mas estrictos; los productos mecatrónicos ayudarán con toda probabilidad a alcanzar los desafíos en control de emisiones, reduciendo las emisiones de CO, NO y HC e incrementando la eficiencia del carro.
Claramente un automobil con 30-60 microcontroladores, hasta 100 motores eléctricos, aproximadamente 100 Kg de cableado, una multitud de sensores, y miles de líneas de código no puede clasificarse como un sistema estrictamente mecánico. El auto se está transformando en un sistema mecatrónico rotundo!
Texto basado en la traducción de What is Mechatronics? de Mechatronics Handbook de Robert Bishop y M. K. Ramasubramanian
Imágenes de Martien@Arnhem y martyz
buenas noches.
deseo saber lo que mas se pueda sobre los sensores de proximidad que utilizan los carros
gracias