Cómo funcionan lo aceleradores electrónicos

¿Qué magia está ocurriendo cuando tomas la carretera? Mucha magia, Harry. En este post veremos la relacionada con la aceleración electrónica.

Después de los Picapiedra, a partir del modelo T de Ford y hasta finales de los 80's el acelerador de los coches funcionaba con un cable conectado directamente a la válvula de mariposa; la posición de esta válvula controla cuánto aire se suministra a los cilindros, y la cantidad de combustible con la que se mezclará para generar la combustión; esto controla la velocidad del motor.

Simple y efectivo, aunque propenso a desgaste. Confirmo de primera mano, como copiloto, que en una ocasión este cable se quedó atascado en la posición menos conveniente: a fondo. Fue una mañana interesante de camino a la preparatoria. ¿Por qué en principio el pedal iba a fondo? Ese es tema para otro post.

En 1988 apareció el primer sistema electrónico de control de aceleración "drive-by-wire". El BMW serie 7 fue el primero en incluir un cuerpo electrónico de aceleración en el motor 1. Actualmente, la mayoría de los automóviles tienen Control de aceleración electrónica, que funciona con señales eléctricas en lugar del cable.

El sistema de Control Electrónico del Aceleración (ETC, Electronic Throttle Control) se compone básicamente de dos subsistemas. En el motor, la válvula de mariposa con un sensor de posición y un motor eléctrico para controlar la misma; dentro del coche, el pedal con un sensor de posición.

Control Electrónico de Aceleración (Electronic Throttle Control)

El ETC usa datos del sensor de posición de la válvula de mariposa (TPS, por Throttle Position Sensor),

del sensor de la posición del pedal (APP, por Accelerator Pedal Position Sensor), la velocidad del vehículo, entre otros, para determinar cómo ajustar la posición de la válvula de mariposa mediante un motor eléctrico 2.

En principio parecen estarse agregando pasos innecesarios al control de la aceleración, sin embargo, de esta forma puede ligarse fácilmente a otros sistemas como el control de la tracción, el control electrónico de estabilidad o el control crucero, que permiten aumentar la seguridad del auto y el rendimiento de combustible, entre otras.

Al igual que todos los sistemas electrónicos que controlan funciones de seguridad críticas, el control electrónico del acelerador está diseñado con ciertas características a prueba de fallas, incluyendo sensores redundantes y capacidad de auto-diagnóstico.

Sensor de la Posición del Pedal del Acelerador (APP, por Accelerator Pedal Position sensor)

El sensor de posición del acelerador está instalado en el pedal (indicado en rojo en la imagen) y generalmente tiene sensores redundantes, esto es, dos o más sensores que se comparan para detectar si alguno está fallando y evitar enviar cualquier señal errática a la Unidad de Control del Motor (ECU, por Engine Control Unit) que conocemos habitualmente como "la computadora" del auto.

Hay básicamente dos tipos de sensores de posición; potenciómetros usualmente utilizados en funciones de baja seguridad, como controlar el volumen del radio; y sensores de efecto hall, para funciones críticas como el acelerador. Estos últimos funcionan midiendo un campo magnético 3, por lo que no hay terminales en contacto como en el caso de los potenciómetros, y son mucho más duraderos.

Aquí un video con una explicación más a fondo y una traducción automática bastante precisa.

La interfaz está bien documentada en muchos modelos lo que facilita la revisión ante fallas y permite diseñar interfaces que interactúen con estos sistemas.

A grandes rasgos los dos sensores del APP funcionan de la siguiente manera. Ambos tienen una referencia de 5V, sin embargo al presionar el pedal, el voltaje en uno aumenta mientras que en el otro disminuye; por lo cual, si no se está presionando el pedal, uno medirá un valor cercano a 0V y el otro uno cercano a 5V. Si ambos sensores tuvieran una lectura semejante indicaría que el sistema está desconectado o hay algún problema con alguno de los sensores de efecto hall, la señal no se envía a la ECU y se genera un código de error.

Simple e ingenioso, ¿cierto?

La relativa simplicidad del método nos ha motivado a implementarla en el joystick del Isiukak, y agregar otra capa de seguridad, pues actualmente podemos detectar desconexión pero sin usar sensores redundantes, que explicaremos a fondo en otro post. Además, la prueba de concepto funcionaría con potenciómetros y habría que evaluar si podemos modificar el joystick actual para tener 4 pots (dos por cada eje) en lugar de 2 o si deberíamos rediseñar el joystick desde cero.

Ventajas del acelerador electrónico para la Conducción Adaptada

La ventaja del control electrónico del acelerador para los carros autónomos y los carros adaptados es la relativa sencillez para hacer interfaces que emulen la señal del pedal del acelerador sin hacer cambios mayores al vehículo y utilizando las medidas de seguridad integradas por el fabricante.

Pasar de controlar la marcha con pedales a controlarla con un joystick es bastante más sencillo en autos que soporten Drive-by-Wire. Por lo que esperamos que en algunos años se reduzca la diferencia entre el precio de los autos comerciales y sus versiones adaptadas para personas con retos físicos.

Un gadget interesante que también aprovecha el acelerador electrónico son los controladores de respuesta del acelerador, que permiten ajustar la misma según el perfil de manejo deseado del conductor, por ejemplo, eco, sport o racing; estos dispositivos tienen la estructura general de la imagen y simplemente leen la información del APP, la procesan y envían la versión procesada a la ECU.

Imagen de 4.

El Drive-by-wire también ha hecho posible que empresas como Comma.ai y su sistema de conducción Openpilot, conviertan cualquier Toyota o Honda de modelo reciente, que soporte drive-by-wire en ambos pedales y el volante, en un carro autónomo de nivel 2.

Implicaciones para el Sistema Isiukak

"La mejor pieza es que no haya pieza. El mejor proceso es que no haya proceso. No pesa. No cuesta. No puede fallar" Elon Musk.

El auto que utilizamos para las pruebas del sistema Isiukak, una Sienna 2008, tiene acelerador electrónico, por lo cual está en los planes a mediano plazo, eliminar el actuador del pedal del acelerador y comunicarnos directamente con la Unidad de Control del Motor (ECU), reduciendo el tamaño y el costo del sistema.

El módulo de control del Isiukak leerá la posición del pedal y decidirá si aplicar esa señal o la generada por el joystick, según el modo de funcionamiento seleccionado.

Esta adición se implementará cuando podamos garantizar que mantenemos la seguridad integrada por el fabricante, esto es que el joystick tenga sensores redundantes y que bajo ninguna circunstancia el Isiukak envíe una señal indeseada a la ECU. Por lo anterior no es un objetivo de corto plazo y sabemos que habrá que dedicar bastante tiempo al diseño de pruebas.

Antes de esta etapa queremos evaluar un acercamiento más sencillo, si en caso de un paro de emergencia es seguro desconectar el sensor APP como parte de las rutinas de seguridad.

Referencias

ETC1: https://jalopnik.com/how-electronic-throttle-control-works-499966101 "How Electronic Throttle Control Works"

ETC2: https://www.liveabout.com/how-electronic-throttle-control-works-4158200 "How Electronic Throttle Control (ETC) Works"

ETC3: https://cecas.clemson.edu/cvel/auto/systems/throttle_control.html "Electronic Throttle Control"

ETC4: https://en.wikipedia.org/wiki/Electronic_throttle_control "Electronic throttle control"

TRC: https://issautomotive.com/blogs/throttle-response-controller/electronic-throttle-control-crash-course-101 "Electronic Throttle Control - Crash Course 101. May 16, 2021"

APP1: https://www.youtube.com/watch?v=gK9xXz_Iac4 "Inside a Throttle Pedal (How a Solid State Throttle Pedal Position Sensor Works)• Cars Simplified"

APP2: https://www.tsienna.net/throttle_pedal_position_sensor-576.html "Toyota Sienna Service Manual: Throttle / Pedal Position Sensor"

TRC: https://shiftpowerusa.com/search/sp09/?make=7&model=443&year_search=17 "SHIFTPOWER 4.0+ THROTTLE RESPONSE CONTROLLER MODEL SP09"

Musk: https://uxdesign.cc/design-like-elon-musk-using-6-fundamental-principles-4aaab08d5e41 "Design like Elon Musk using 6 fundamental principles"