Proposta e desenvolvimento de um hardware embarcado com suporte à computação de borda para aquisição, análise e processamento avançado de dados veiculares

Abstract

O processo de desenvolvimento de veículos realizado pela indústria automotiva vem, ao longo dos anos, sofrendo diversas modificações no que diz respeito a fatores como implementação de novas tecnologias, atendimento a demandas específicas dos consumidores e a criação e alteração de normas regulamentadoras, tanto no sentido de padronização de processos industriais como de restrições relacionadas à emissão de gases provenientes de motores a combustão. Por consequência desses fatores, as fases de testes de protótipos veiculares têm se tornado cada vez mais importantes no processo de produção. As Unidades de Controle Eletrônicas (ECU) veiculares são parte essencial desses testes, pois são responsáveis por monitorar e controlar todos os dispositivos elétricos e eletrônicos presentes nos veículos. Nesse sentido, para que seja possível realizar adequadamente os processos de testagem dos protótipos, o uso de ferramentas capazes de adquirir dados e realizar a calibração de parâmetros dessas ECUs é indispensável. Apesar da existência de diversas soluções comerciais para esse fim, em geral, esses equipamentos se limitam a funcionalidades essenciais do processo de testagem e calibração. A fim de propor uma alternativa a esses equipamentos, o Sistema Inteligente de Aquisição e Análise de Dados de ECUs (IASE) foi concebido. O presente trabalho descreve o desenvolvimento do hardware de aquisição, análise e processamento avançado de dados veiculares, visando a implementação do IASE e outros sistemas. Esse hardware pretende habilitar a execução de aplicações que envolvam computação de borda, computação em nuvem, inteligência artificial, fusão de dados, e outras tecnologias de processamento de dados capazes de aprimorar a fase de testes, calibração e validação de protótipos veiculares. Dentre as principais características desse equipamento, destacam-se a capacidade de comunicação via barramento CAN com ECUs veiculares, a aquisição de dados de sensores integrados ou não aos veículos, o uso de redes Bluetooth para a comunicação com dispositivos móveis e o uso de tecnologia 4G para transferência de dados utilizando IoT. Ao longo do texto, são apresentados o desenvolvimento do hardware, com base nas especificações do IASE, a implementação de um sistema de detecção de knock noise para validar suas funcionalidades e os testes de desempenho do equipamento desenvolvido. Os testes realizados demonstraram que o hardware desenvolvido é capaz de atender a todas as funcionalidades do processo de testes e validação de veículos, com desempenho similar aos equipamentos comerciais. Além disso, possibilita a implementação de novas tecnologias (e.g. 4G, GPS e Bluetooth) e apresenta um custo de produção até 8 vezes menor do que o custo dos sistemas comerciais mais utilizados pelos fabricantes. Adicionalmente, o sistema apresenta os recursos necessários para o desenvolvimento de aplicações que envolvam computação de borda e computação em nuvem.

Abstract: The vehicle development process carried out by the automotive industry has undergone several modifications over the years regarding factors such as the implementation of new technologies, meeting specific consumer demands, and the creation and alteration of regulatory standards, both in terms of industrial process standardization and restrictions related to emissions from combustion engines. As a consequence of these factors, the phases of vehicle prototype testing have become increasingly important in the production process. Vehicle Electronic Control Units (ECUs) are an essential part of these tests, as they are responsible for monitoring and controlling all electrical and electronic devices present in the vehicles. Therefore, in order to adequately perform prototype testing processes, the use of tools capable of acquiring data and calibrating parameters of these ECUs is indispensable. Despite the existence of many commercial solutions for this purpose, these equipment generally limit themselves to essential functionalities of the testing and calibration process. In order to propose an alternative to these equipment, the Intelligent Acquisition and Analysis System for ECUs (IASE) was conceived. This work describes the development of the hardware for acquisition, analysis, and advanced processing of vehicular data, aiming at the implementation of IASE and other systems. This hardware aims to enable the execution of applications involving edge computing, cloud computing, artificial intelligence, data fusion, and other data processing technologies capable of enhancing the testing, calibration, and validation phase of vehicle prototypes. Among the main features of this equipment, the ability to communicate via the CAN bus with vehicle ECUs, the acquisition of data from sensors integrated or not into the vehicles, the use of Bluetooth networks for communication with mobile devices, and the use of 4G technology for data transfer using IoT stand out. Throughout the text, the development of the hardware based on IASE specifications, the implementation of a knock noise detection system to validate its functionalities, and the performance tests of the developed equipment are presented. The conducted tests demonstrated that the developed hardware is capable of meeting all the functionalities of the vehicle testing and validation process, with performance similar to commercial equipment. Furthermore, it enables the implementation of new technologies (e.g. 4G, GPS, and Bluetooth) and has a production cost up to 8 times lower than the cost of the most widely used commercial systems by manufacturers. Additionally, the system provides the necessary resources for the development of applications involving edge computing and cloud computing.