sistema embarcado para monitoramento do conforto em transporte público

Universidade Estadual de Campinas

Faculdade de Engenharia Eltrica e de Computao

Departamento de Semicondutores, Instrumentos e Fotnica

Sistema embarcado para monitoramento doconforto em transporte pblico.

Candidato: Juan Camilo Castellanos RodriguezOrientador: Prof. Dr. Fabiano Fruett

Dissertao de Mestrado apresentada Faculdade deEngenharia Eltrica e de Computao como parte dosrequisitos para obteno do ttulo de Mestre em En-genharia Eltrica. rea de concentrao: Eletrnica,Microeletrnica e Optoeletrnica.

Comisso Examinadora:

Prof. Dr. Fabiano FruettDSIF Departamento de Semicondutores, Instrumentos e FotnicaFaculdade de Engenharia Eltrica e de Computao - UNICAMP

Prof. Dr. Antonio Celso Fonseca de ArrudaDEP Departamento de Engenharia de PetrleoFaculdade de Engenharia Mecnica - UNICAMP

Prof. Dr. Yaro Burian JuniorDMCSI Departamento de Mquinas, Componentes e Sistemas InteligentesFaculdade de Engenharia Eltrica e de Computao - UNICAMP

Campinas, SP2011

FICHA CATALOGRFICA ELABORADA PELABIBLIOTECA DA REA DE ENGENHARIA E ARQUITETURA - BAE - UNICAMP

Castellanos Rodriguez, Juan CamiloC274s Sistema embarcado para monitoramento do conforto

em transporte pblico. / Juan Camilo CastellanosRodriguez. --Campinas, SP: [s.n.], 2011.

Orientador: Fabiano Fruett.Dissertao de Mestrado - Universidade Estadual de

Campinas, Faculdade de Engenharia Eltrica e deComputao.

1. Acelerao (Mecnica). 2. Conforto humano. 3.Sistema de Posicionamento Global. 4. Transporteurbano. I. Fruett, Fabiano. II. Universidade Estadual deCampinas. Faculdade de Engenharia Eltrica e deComputao. III. Ttulo.

Ttulo em Ingls: Embedded system to monitoring the comfort in public transportationPalavras-chave em Ingls: Acceleration (Mechanical), Human comfort, Global

Positioning System, Urban transportationrea de concentrao: Eletrnica, Microeletrnica e OptoeletrnicaTitulao: Mestre em Engenharia EltricaBanca examinadora: Antonio Celso Fonseca de Arruda, Yaro Burian JuniorData da defesa: 23-11-2011Programa de Ps Graduao: Engenharia Eltrica

Resumo

Este trabalho descreve o desenvolvimento, projeto e aplicao de um sistema de medio embar-cado destinado avaliao de conforto do usurio do transporte pblico. O hardware deste sistema dotado de acelermetro triaxial e sistema de posicionamento global (GPS). Trs algoritmos, desen-volvidos especialmente para este sistema, foram utilizados para a avaliao do conforto. O primeiroalgoritmo est baseado na deteo de picos de acelerao que ultrapassam um limiar definido, es-tes eventos podem ser produzidos pela forma inadequada de dirigir do motorista e por estruturas oudefeitos no pavimento que possam gerar desconforto ao usurio. O segundo algoritmo adiciona adeteo de mudanas de acelerao (Jerk) acima de um limiar de 0,4m/s3. Enquanto, o terceiro algo-ritmo acrescenta o clculo de um ndice de conforto baseado no valor RMS da acelerao ponderadade acordo com a norma internacional ISO2631-1. Assim, o sistema permite reportar a amplitude,a posio geogrfica e temporal dos eventos de acelerao, Jerk ou ndice de conforto, atravs deum enlace sem fio ou pela leitura de um carto de memria SD. Alm de gerar um relatrio, esteseventos so mostrados em um mapa por meio de um instrumento virtual desenvolvido na plataformaLabVIEW. A anlise das informaes geradas permite identificar espacialmente a distribuio doseventos, facilitando a tomada de aes preventivas ou corretivas, por parte das empresas de transportee/ou prefeituras, que melhorem o conforto do usurio deste meio de transporte.

Palavras-chave: Sistema de Transporte, GPS, Acelerao, Conforto.

Abstract

This work describes the development and the implementation of an embedded measurement sys-tem, which aim is the comfort assessment in public transportation vehicles. The hardware is based ontri-axial accelerometers and a global positioning systems (GPS). Also, for this system were speciallydeveloped three algorithms, which were implemented to evaluate the comfort. The first algorithm isbased on the detection of accelerations peaks over threshold values produced by reckless driving, ho-les, speed bumps or others defects. The second one adds the detection of acceleration changes (Jerk)peaks over 0.4m/s3; whereas, the third one adds the RMS measurement from frequency-weightedaccelerations according to the international standard ISO2631-1. Using a wireless link or an SD card,the system can report the magnitude, time, type and geographic position of the acceleration and jerkevents and the comfort index. Beyond to generate a report, these events are shown through a vir-tual instrument, developed in the LabVIEW platform. The analysis of those information allows toidentify, geographically, the events distribution. Hence, it is easier to make preventive or correctiveactions to improve the comfort.

Keywords: Transportation System, GPS, Acceleration, Comfort.

v

Agradecimentos

Ao meu orientador, Prof. Fabiano Fruett, pela orientao e apoio.

Ao Sr. Carlo Giuliano pelo suporte tcnico prestado no desenvolvimento da dissertao.

Aos colegas do LSM pelas criticas, sugestes e ajuda neste projeto.

CAPES, pelo apoio financeiro.

vii

ix

Aos meus pais, irm, av eminha namorada pelo apoio

incondicional

Sumrio

Lista de Figuras xv

Lista de Tabelas xix

Glossrio xxi

Lista de Smbolos xxiii

Trabalhos Publicados Pelo Autor xxvii

Introduo 1Objetivo Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

Objetivos especficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1 Reviso bibliogrfica 51.1 Definies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.1.1 Conforto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.1.2 Sistema Embarcado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.1.3 Jerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.1.4 nibus de trnsito rpido (BRT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.2 Parmetros de qualidade no transporte pblico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.3 Sistema de transporte pblico no Brasil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.4 Vibraes em nibus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.5 Avaliao do conforto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.5.1 Indicadores de conforto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.5.2 ISO 2631-1 [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.6 Sistemas para a medio de conforto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.6.1 Monitor de solavancos para transporte de mercadorias baseado na medio

da acelerao e da posio atravs do uso de GPS . . . . . . . . . . . . . . . 201.6.2 Sistema baseado em rede de sensores para o monitoramento das condies da

via no transporte pblico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.6.3 Detector portvel de conduo imprudente . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231.6.4 Avaliao de risco nos veculos utilizando o aparelho celular Nokia N95 . 25

xi

xii SUMRIO

2 Estudo dos sinais envolvidos 292.1 Caractersticas do sinal de acelerao em veculos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.1.1 Descrio do Hardware, firmware e resultados do primeiro prottipo . . . . . 292.1.2 Descrio do Hardware, firmware e resultados do segundo prottipo . . . . . 36

2.2 Caractersticas do sinal de Jerk em veculos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.2.1 Filtro passa-baixas para o clculo do Jerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442.2.2 Algoritmo para calcular o Jerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3 Hardware do Sistema 473.1 Componentes de Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.1.1 Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.1.2 Mdulo de posicionamento global (GPS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.1.3 Mdulo de comunicao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543.1.4 Memria SD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.1.5 Microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603.1.6 Regulador de tenso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.2 SEMC-TP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623.2.1 SEMC-TP Transmissor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623.2.2 SEMC-TP Receptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4 Firmware e Instrumento virtual do sistema 654.1 Algoritmos para avaliar o conforto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.1.1 Algoritmo para o DEL-A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.1.2 Algoritmo para o DEL-AJ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734.1.3 Algoritmo para o DEL-AIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.2 Interface grfica do Instrumento Virtual do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

5 Resultados experimentais 815.1 Resultados utilizando o algoritmo DEL-A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

5.1.1 Primeiro teste do DEL-A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 815.1.2 Segundo teste do DEL-A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

5.2 Resultados utilizando o algoritmo DEL-AJ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 845.2.1 Primeiro teste do DEL-AJ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 845.2.2 Segundo teste do DEL-AJ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

5.3 Resultados utilizando o algoritmo DEL-AIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 855.3.1 Primeiro teste do DEL-AIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 855.3.2 Segundo teste do DEL-AIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 875.3.3 Terceiro teste do DEL-AIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

5.4 Comparao dos resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 875.5 Medida do consumo de corrente e temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

6 Concluses 916.1 Concluses sobre as caractersticas dos sinais de interesse . . . . . . . . . . . . . . . 916.2 Concluses sobre o Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

SUMRIO xiii

6.3 Concluses sobre os algoritmos e resultados experimentais . . . . . . . . . . . . . . 936.4 Sugestes para trabalhos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

Referncias bibliogrficas 96

A Caractersticas desejadas no sistema de transporte pblico. 101

B Desenho do filtro FIR com FC de 0,3Hz e decimao. 103

C Protocolo NMEA. 105C.1 GGA - Dados do sistema de posicionamento global. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106C.2 RMC - Especificaes GPS mnimas recomendadas e dados de trnsito. . . . . . . . 107

D Interfaces de comunicao serial 109D.1 Serial Peripheral Interface (SPI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

D.1.1 Operao de Leitura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110D.1.2 Operao de Escrita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

D.2 Interface Inter-Integrated Circuit (I2C) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110D.2.1 Operao de leitura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112D.2.2 Operao de escrita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

D.3 Interface universal asynchronous receiver/transmitter (UART) . . . . . . . . . . . . 113D.4 Secure Digital and Multimedia Card Interface (MCI) . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

D.4.1 Operao de leitura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116D.4.2 Operao de escrita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

E Circuito impresso e diagrama de conexo do n transmissor 117

F Firmware do microcontrolador 119F.1 Rotina Principal, rotinas de inicializao e rotinas especficas do DEL-AIC . . . . . 119F.2 Rotina de interrupo do Timer do DEL-AIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130F.3 Rotina do filtro, decimao e derivao do DEL-AJ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

G Interface grfica do SEMC-TP 139

xiv SUMRIO

Lista de Figuras

1.1 Interao do conforto e qualidade do trajeto no transporte [2]. . . . . . . . . . . . . 61.2 Sistema de transporte coletivo em Curitiba no Brasil [3] . . . . . . . . . . . . . . . . 91.3 Eventos de acelerao usando o gravador AMP e o GPS do MMS. . . . . . . . . . . 211.4 Arquitetura do sistema BusNet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231.5 Prottipo de medio com o MICAz e a placa do sensor. . . . . . . . . . . . . . . . 231.6 Diagrama de blocos do detector portvel de conduo imprudente. [4] . . . . . . . . 241.7 Diagrama de blocos do processamento para o sinal de acelerao. [4] . . . . . . . . 241.8 Resultados dos testes feitos em Bangkok com o sistema desenvolvido por Boonmee

e Tangamchit e para a pontuao dada pelos usurios para arranques e freadas doveculo [4]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

1.9 Marco de referencia para o veculo e o telefone Nokia N95. . . . . . . . . . . . . 261.10 Exemplo do sinal de acelerao (Cinza) e sua reconstruo baseada na Wavelet de

quinto nvel (preto). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.11 Diagrama de blocos do procesamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271.12 Representao tri-dimensional da acelerao da rotatria. . . . . . . . . . . . . . . . 271.13 Comparao usando o N95. (a) Parada em uma interseco. (b) Comparao da

velocidade de dois motoristas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.1 Modulo de aquisio baseado em um microcontrolador de 8 bits. . . . . . . . . . . . 302.2 Esquemtico do modulo de aquisio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.3 Orientao dos eixos cartesianos do acelermetro no assoalho do carro. . . . . . . . 312.4 Anlise carro No. 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.5 FFT da acelerao do teste no carro No. 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.6 Sinais de acelerao do carro No. 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.7 Anlise carro No. 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.8 Mxima acelerao no eixo vertical, no anlise do carro No. 2. . . . . . . . . . . . . 342.9 Sistema BRT, nomeado Transmilenio em Bogot. Colmbia. . . . . . . . . . . . . . 342.10 Acelerao no sistema BRT com acelermetro na faixa de 2G. . . . . . . . . . . . . 352.11 Orientao dos eixos cartesianos do acelermetro no assoalho do nibus BRT. . . . . 352.12 Acelerao no sistema BRT com acelermetro na faixa de 4G. . . . . . . . . . . . . 352.13 Segundo prottipo baseado na placa de desenvolvimento do LPC2478. . . . . . . . . 372.14 Acelerao no nibus circular da UNICAMP ao longo do tempo. . . . . . . . . . . . 372.15 Acelerao do maior evento no nibus circular da UNICAMP. . . . . . . . . . . . . 382.16 Anlise espectral usando FFT da acelerao no nibus circular da UNICAMP. . . . . 39

xv

xvi LISTA DE FIGURAS

2.17 Algoritmo para obter a DWT. A-Aproximao e D-Detalhes. . . . . . . . . . . . . . 402.18 Anlise espectral usando DWT da acelerao no nibus circular da UNICAMP, com

resoluo de 0,33Hz e janelas de 1s. Eixo Z. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402.19 Anlise espectral usando DWT da vibrao produzida pelo motor, com resoluo de

0,33Hz e janelas de 0,1s. Eixo Z. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412.20 Anlise espectral usando DWT da acelerao vertical produzida por uma lombada,

com resoluo de 0,33Hz e janelas de 0,01s. Eixo Z. . . . . . . . . . . . . . . . . . 412.21 Anlise espectral usando DWT da acelerao transversal, com resoluo de 0,33Hz e

janela de 0,01s(Esquerda). Amplificao de 0Hz a 5Hz(Direita). Eixo X. . . . . . . . 422.22 Anlise espectral usando DWT da acelerao longitudinal, com resoluo de 0,33Hz

e janela de 0,1s(Esquerda). Amplificao de 0Hz a 5Hz(Direita). Eixo Y. . . . . . . 422.23 Acelerao e Jerk no sistema BRT na faixa de 2G. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.24 Desconforto dos usurios de trens em funo do Jerk lateral. [5] . . . . . . . . . . . 442.25 Diagrama de blocos do algoritmo para calcular o Jerk destacando o filtro implementado. 452.26 Resposta ao impulso do filtro passa-baixa com FC de 0,3Hz e FS a 10Hz. . . . . . . 452.27 Acelerao longitudinal e Jerk longitudinal do nibus circular da UNICAMP usando

o algoritmo proposto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.1 Modelo e estrutura simplificada do comb-drive. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.2 Diagrama de blocos do acelermetro ADXL345 [6]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.3 Diagrama esquemtico da conexo do acelermetro ADXL345 com comunicao I2C. 503.4 Diagrama de blocos do sensor de temperatura TMP100 [7]. . . . . . . . . . . . . . . 523.5 Diagrama esquemtico do circuito de polarizao do sensor de temperatura TMP100 [7]. 523.6 Mdulo GPS. ME-1000RW. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.7 Diagrama de blocos do ME-1000RW e informao dos pinos. . . . . . . . . . . . . . 543.8 Terminal Rodovirio Tite. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.9 Ns da rede ZigBee. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573.10 Rede Digimesh. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.11 Mdulo XBee-Pro Digimesh 900. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.12 Memria SD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.13 Diagrama de conexo da memria SD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603.14 Circuito perifrico do regulador de tenso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623.15 Diagrama de blocos do SEMC-TP transmissor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633.16 Montagem de teste para o SEMC-TP transmissor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633.17 SEMC-TP Receptor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.1 Fluxograma da rotina principal do algoritmo DEL-A, DEL-AJ e DEL-AIC. . . . . . 674.2 Fluxograma do algoritmo para a inicializao da memria SD [8]. . . . . . . . . . . 684.3 Fluxograma do algoritmo de interrupo do timer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704.4 Fluxograma do algoritmo de interrupo da UART1 (GPS). . . . . . . . . . . . . . . 704.5 Fluxograma do algoritmo de interrupo da UART2 (Mdulo de comunicao). . . . 714.6 Estrutura do vetor de ocorrncia de eventos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724.7 Fluxograma para algoritmos com funes especficas . . . . . . . . . . . . . . . . . 744.8 Fluxograma do algoritmo para a deteco de eventos devidos ao Jerk (DEL-AJ). . . . 75

LISTA DE FIGURAS xvii

4.9 Fluxograma do algoritmo para o clculo do ndice de conforto (DEL-AIC). . . . . . 764.10 Fluxograma do algoritmo para o clculo do valor de acelerao RMS ponderado. . . 764.11 Curvas de ponderao, WK e Wd, com 512 pontos baseadas na norma ISO2631-1. . . 774.12 Tela do software do SEMC-TP para a visualizao dos eventos. . . . . . . . . . . . . 794.13 Tela do software do SEMC-TP para a configurao dos ns e descarga de eventos. . . 80

5.1 Percurso escolhido para o primeiro teste do SEMC-TP com algoritmo DEL-A. . . . . 825.2 Eventos gerados para o primeiro teste do DEL-A com o motorista dirigindo de ma-

neira rpida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 835.3 Eventos gerados para o primeiro teste do DEL-A com o motorista dirigindo normal-

mente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 835.4 Eventos gerados para o segundo teste do DEL-A no nibus circular da UNICAMP. . 845.5 Eventos gerados para o teste do DEL-AJ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 855.6 Eventos gerados para o primeiro teste do DEL-AIC no nibus da moradia da UNICAMP. 865.7 Eventos gerados para o primeiro teste do DEL-AIC em um carro. . . . . . . . . . . . 865.8 Eventos gerados para o segundo teste do DEL-AIC em um carro. . . . . . . . . . . . 875.9 Eventos gerados para o terceiro teste do DEL-AIC em um nibus de transporte coletivo. 885.10 Corrente consumida pelo SEMC-TP transmissor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 895.11 Leitura do sensor de temperatura desde a memria SD. . . . . . . . . . . . . . . . . 90

B.1 Diagrama de blocos na plataforma LabVIEW para o projeto do filtro utilizado nocalculo do Jerk. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

D.1 Interface SPI com 4 linhas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110D.2 Diagrama de tempo para a operao de leitura do SPI com 4 linhas [6]. . . . . . . . . 111D.3 Diagrama de tempo para a operao de escrita do SPI com 4 linhas [6]. . . . . . . . . 111D.4 Interface Inter-Integrated Circuit (I2C). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111D.5 Diagrama de tempo para as condies de inicio e fim de transmisso com a interface

I2C [6]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112D.6 Diagrama de tempo para a operao de leitura na interface I2C [9]. . . . . . . . . . . 113D.7 Diagrama de tempo para a operao de escrita na interface I2C [9]. . . . . . . . . . . 113D.8 Interface UART. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114D.9 Mensagem da interface UART. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114D.10 Interface MCI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115D.11 Operaes de no resposta e no dados da interface MCI [8]. . . . . . . . . . . . . . 115D.12 Operao de leitura da interface MCI [8]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116D.13 Operao de escrita da interface MCI [8]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

E.1 Camada superior (top) do circuito impresso do SEMC-TP Transmissor. . . . . . . . 117E.2 Camada inferior (bottom) do circuito impresso do SEMC-TP Transmissor. . . . . . . 117E.3 Diagrama esquematico do SEMC-TP Transmissor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

G.1 Fluxograma da interface grfica do SEMC-TP no Software LabView. Aba de visu-alizao de eventos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

xviii LISTA DE FIGURAS

G.2 Fluxograma da interface grfica do SEMC-TP no Software LabView. Aba de con-figurao de ns. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

G.3 Fluxograma para o envio dos comandos de configurao dos ns no software Lab-View. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

Lista de Tabelas

1.1 Desempenho do transporte pblico na cidade de So Carlos . . . . . . . . . . . . . . 101.2 Frequncias recorrentes da acelerao em nibus [10] . . . . . . . . . . . . . . . . 111.3 Grandezas com possvel influncia no conforto em trens [2] . . . . . . . . . . . . . . 121.4 Indicadores de conforto em trens [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.5 Conceito de conforto para WZ [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.6 Conceito de conforto para RI [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.7 Conceito de conforto para a norma CEN 1999 [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.8 Parmetros das funes de transferncia utilizados pela norma ISO 2631-1 [1] . . . 181.9 Valores multiplicativos, K, para pessoas sentadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.10 ndices recomendados pela norma ISO 2631-1 para a avaliao do conforto no trans-

porte pblico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.11 Especificaes do gravador AMP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211.12 Regras para determinar a fonte do evento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.1 Acelerao pico a pico medido em carros e nibus do sistema BRT. . . . . . . . . . 36

3.1 Comparao entre acelermetros tri-axiais digitais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.2 Taxa de dados, largura de banda e cdigo do registro BW_RATE disponveis para o

ADXL345 [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.3 Especificaes do mdulo GPS ME-1000RW [11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543.4 Caractersticas dos padres de comunicao sem fio [12] . . . . . . . . . . . . . . . 563.5 Comparao entre ZigBee e Digimesh [13] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.6 Consumo de corrente dos dispositivos do SEMC-TP . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623.7 Custo do prottipo do SEMC-TP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.1 Tipo do evento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.2 ndice de conforto conforme acelerao RMS ponderada para o DEL-AIC . . . . . . 78

5.1 Amplitude mxima dos eventos detectados pelo SEMC-TP . . . . . . . . . . . . . . 88

6.1 Resumo das especificaes tcnicas do n transmissor do SEMC-TP . . . . . . . . . 93

C.1 Campos da mensagem NMEA tipo GGA [11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106C.2 Campos da mensagem NMEA tipo RMC [11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

xix

xx LISTA DE TABELAS

Glossrio

ABS Anti-lock Braking System ou Sistema de freio antitravamento.

Acelermetro Sensor utilizado para medir acelerao.

ADC Conversor analgico digital.

API Application Programming Interface. um conjunto de instrues de programao para fazeruso de um software, geralmente baseado em uma ferramenta de Web.

ARM Arquitetura de processadores de 32 bits (Advanced RISC Machines).

Broadcast Transmisso de informao sem destinatario especfico.

BRT Bus Rapid Transit ou Rede Integrada de Transporte(RIT).

CISC Complex Instruction Set Computer ou Conjunto Complexo de Instrues.

Decimao Diminuio da frequncia de amostragem.

DEL-A Algoritmo para a deteco de eventos de desconforto utilizando o limiar de acelerao.

DEL-AIC Algoritmo para a deteco de eventos de desconforto utilizando o limiar de acelerao eo clculo de um ndice de conforto.

DEL-AJ Algoritmo para a deteco de eventos de desconforto utilizando o limiar de acelerao eJerk.

DFT Discrete Fourier Transform ou Transformada Discreta de Fourier.

DigiMesh Protocolo de comunicaes sem fio ponto a ponto da companhia Digi International.

Dropout Diferena mnima entre a tenso de entrada e sada de um regulador de tenso para garantira regulao da tenso de sada.

DWT Transformada Discreta de Wavelet.

FFT Transformada Rpida de Fourier.

xxi

xxii Glossrio

Filtro antialiasing Filtro utilizando antes de amostrar um sinal para limitar a largura de banda egarantir o teorema de Nyquist.

Filtro FIR Filtro digital de resposta ao impulso finita, o qual caracterizado por depender somentede valores prvios da entrada, fornecer uma resposta ao impulso nula aps um tempo finito esua boa estabilidade.

Firmware Conjunto de instrues programadas em um Hardware.

Frequncia de amostragem Nmero de amostras por segundo coletadas de um sinal continuo.

GPIO General Purpose Input/Output ou portas programveis de entrada e sada de dados.

GPS Global Positioning System.

I2C Interface Inter-Integrated Circuit.

IFT Inverse Fourier Transform ou Transformada Inversa de Fourier.

ISO International Organization for Standardization ou Organizao Internacional para Padroniza-o.

ITS Intelligent Transportation Systems ou Sistemas Inteligentes de Transporte.

Jerk Taxa de variao da acelelerao, tambm conhecido como Tranco.

KML Keyhole Markup Language. Formato de arquivo que contm a notao adequada para a visu-alizao de coordenadas geogrficas em mapas online.

LabView O Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench uma linguagem e plataformade programao criada pela National Instruments.

Latncia da rede a diferena de tempos entre o inicio da transmisso no remetente e a recepodo pacote de dados no destinatrio.

LSB Least Significant Bit ou Bit menos significativo.

MCI Secure Digital and Multimedia Card Interface.

MEMS Micro-Electro-Mechanical Systems ou Sistemas Micro-Eletro-Mecnicos.

Mesh Topologia de rede composto por varios ns, na qual estes podem se intercomunicar.

Microcontrolador Circuito integrado programvel que inclui uma unidade de processamento, me-mria e perifricos de entrada e sada.

MSB Most Significant Bit ou Bit mais significativo.

LISTA DE SMBOLOS xxiii

NMEA National Marine Electronics Association. Associao que estabelece especificaes para acomunicao de dispositivos eletrnicos de navegao.

Offset Sada de um sensor com sinal de entrada nula.

Percentil Em estatistica, o valor divide uma populao, N, em partes proporcionais. O percentil0,5 chamado mediana.

PLL phase-locked loop um sistema eletrnico que gera um sinal de sada que est relacionadacom a fase do sinal de referncia, est formado por um oscilador controlado por tenso e umdetetor de fase. O PLL utilizado para gerar sinais de clock de maior frequncia dentre outrasaplicaes.

Pull-up Resistor utilizado em eletrnica digital para garantir um nvel lgico alto se o circuito estiverem condies de circuito aberto ou alta impedncia.

RISC Reduced Instruction Set Computer ou Computador com um Conjunto Reduzido de Instrues.

RMS Root Mean Square ou valor quadrtico mdio.

Roll o movimento angular no plano horizontal e em torno ao eixo longitudinal.

SCL Linha de clock do protocolo de comunicao I2C.

SDA Linha de dados do protocolo de comunicao I2C.

SEMC-TP Sistema embarcado para o monitoramento do conforto no transporte publico.

SPI Serial Peripheral Interface.

Teorema de Nyquist Teorema que garante a reconstruo de um sinal amostrado atravs da amos-tragem a uma frequncia maior do que o dobro da mxima frequncia do sinal.

Timer Temporizador utilizado pelo microcontrolador para gerar interrupes em um intervalo detempo determinado.

UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter ou comunicao assncrona.

Wavelet Transformada discreta capaz de decompor um sinal no domnio da frequncia usando oescalamento e translaes de um sinal semente, chamada Wavelet me.

ZigBee Protocolo de comunicaes sem fio que utiliza o padro IEEE 802.15.4.

xxiv LISTA DE SMBOLOS

Lista de Smbolos

aRMS - Acelerao RMS (m/s2).auri - Acelerao de X ou Y corrigida devido a possveis inclinaes no eixo Z. (m/s2).av - Acelerao vetorial dos eixos X, Y, Z.aw(t) - Acelerao ponderada.aw - Valor RMS da acelerao ponderada. (m/s2 ou rad/s2)aX,Y,Z - Acelerao medida no eixo X, Y ou Z (m/s2 ou G).aXGPS - Acelerao no eixo X calculada a partir da velocidade medida pelo GPS.BL,V (f) - Pesos empricos para o indicador WZ no eixo lateral ou vertical.CF - Fator de Cresta.f - Frequncia (Hz).f0 - Frequncia central para o calculo do Ride Index (Hz).fC - Frequncia de corte(Hz).fS - Frequncia de amostragem(Hz).H(p) - Funo de transferncia de um filtro.J - Jerk. (m/s3)MTV V - Valor mximo da vibrao transitria.NMV - Indicador de conforto da norma europeia (CEN) usando o mtodo padro.NV A - Indicador de conforto da norma europeia (CEN) para passageiros sentados.NV D - Indicador de conforto da norma europeia (CEN) para passageiros de p.p - j2pif Frequncia angular imaginaria.PCT - Indicador de distrbios do conforto para transies de curvas em trens.PDE - Indicador de distrbios do conforto para eventos discretos.RIX,Y,Z - Indicador de conforto Ride Index para o eixo Z, Y e X.T - Tempo de durao do percurso (segundos).V DV - Indicador do mtodo de dose de vibrao quarta potncia.Wb - Filtro ponderado usado no calculo de NMV ,NV A e NV D para o eixo Z.Wc - Filtro ponderado usado no calculo de NMV ,NV A e NV D para o eixo X medido no

espaldar da cadeira.Wd - Filtro ponderado usado no calculo de NMV ,NV A e NV D para os eixos X e Y.Wk - Ponderao de frequncia, sendo k as superfcies de medio.

xxv

xxvi LISTA DE SMBOLOS

WZ - Indicador de conforto definido por Sperling.X, Y, Z - Eixos translacionais.y - Acelerao lateral absoluta (m/s2).ym - Valor pico a pico da acelerao lateral.yp - Valor absoluto da mdia da acelerao lateral. - Mxima velocidade angular absoluta, roll, em uma curva de transio.

Trabalhos Publicados Pelo Autor

1. Castellanos Juan; Fruett Fabiano; , Embedded system for monitoring the comfort in public transpor-

tation, Circuits and Systems (ISCAS), 2011 IEEE International Symposium on , pp.2809-2812, 15-18

May 2011

2. Castellanos, Juan C.; Susin, Altamiro A.; Fruett, Fabiano; , "Embedded sensor system and techniques

to evaluate the comfort in public transportation,"Intelligent Transportation Systems (ITSC), 2011 14th

International IEEE Conference on ,pp.1858-1863, 5-7 Oct. 2011.

xxvii

xxviii

Introduo

A qualidade e segurana dos meios de transporte influenciam significativamente em fatores so-ciais importantes, relacionados ao trabalho, educao, e lazer. Assim, na busca de uma melhoria nodesempenho escolar e laboral necessrio desenvolver medidas que no s diminuam a taxa de aci-dentes, seno tambm melhorem a qualidade do transporte pblico. Um dos principais problemas dasgrandes cidades a frota crescente de carros, deste modo, favorecer a utilizao do transporte pblico fundamental. Convencer a populao a deixar seus carros ou motocicletas em casa ou em um lo-cal perto da estao de nibus, diminuir o trafego e consequentemente outros problemas tais como:poluio ambiental e sonora. Em eventos que atraem a grande multido, tais como a copa do mundoe os jogos olmpicos, vital garantir a qualidade do transporte pblico para o transporte das grandesmassas. Alguns estudos tm indicado a importncia do monitoramento da acelerao no transportepblico, por exemplo: pesquisa feita na regio de Bavria na Alemanha [14] demonstrou que 50%dos ferimentos em nibus so causados por acidentes sem coliso do veculo e que a principal causadestes foram as freadas de emergncia. A mesma pesquisa identificou resultados similares na ustriae na Gr-Bretanha, onde os acidentes sem coliso causaram uma grande quantidade de leses espe-cialmente em idosos. A maior parte das leses produzidas no transporte pblico so principalmenteoriginadas por grandes variaes na acelerao do veculo, que ocasionaram leses nos membros,cabea, coluna, peito, plvis, abdmen e pele [15]. Para obter uma melhor noo do problema, ospacientes com leses produzidas no transporte pblico que no estiveram associados a choques detrnsito foram monitorados em seis departamentos de emergncia de diferentes centros de sade, aconcluso foi que: 63% das pessoas lesionadas tiveram associado, como causa do ferimento, umavariao brusca na acelerao do veculo. Alm disso, Halpern, [15], concluiu que a conservao doequilbrio no nibus um fator influente, pois a maior parte dos feridos viajava de p; tambm con-cluiu que a populao mais vulnervel so idosos e que a acelerao mdia dos nibus superior aovalor que o corpo de alguns deles pode suportar sem perder o equilbrio. Baseando-se nos resultadosobtidos por DeGraaf e Van Weaper [16], nos quais se mostrou que a acelerao mdia nos nibus emAmsterdam de 1 a 2 m/s2, enquanto que uma acelerao segura deve ser de at 1,6m/s2. Entretanto omesmo trabalho ressalta que a habilidade para conservar o equilbrio cai linearmente com a idade. De

1

2 Introduo

acordo com esses estudos, a acelerao um componente crtico na avaliao do conforto e da segu-rana dos passageiros do transporte pblico. Portanto, consideramos importante o desenvolvimentode um sistema que monitore o conforto do usurio de nibus, que permita supervisionar o veculodurante todo seu percurso e que permita identificar quando o motorista ou as condies da estradapossam causar algum acidente, ocasionar uma leso ao passageiro ou simplesmente desconforto. En-to, um sistema embarcado para o monitoramento do conforto no transporte pblico (SEMC-TP)pode ser implementado atravs de um sistema de aquisio e processamento baseado em acelerme-tro, sensor de temperatura e GPS, fornecendo informao das maiores amplitudes da acelerao edas variaes desta (Jerk) durante um dado percurso. Alm disso, informaes tais como: amplitudeda acelerao, localizao geogrfica e localizao temporal podero ser transmitidas atravs de umenlace sem fio ou carto de memria. Um fator importante no desenvolvimento deste sistema embar-cado reside na vantagem competitiva do baixo custo dos sensores microeletrnicos utilizados e da suafcil instalao nos veculos de transporte sob monitorao. Atualmente o sistema de transporte fazuso de um tacgrafo analgico, os quais so instrumentos de controle de velocidade obrigatrios notransporte pblico de passageiros superior a dez pessoas, segundo o Cdigo de Trnsito Brasileiro.Este sistema mede somente velocidade, no considerando uma anlise das aceleraes, que podemafetar negativamente o conforto e a segurana dos usurios. Alm disso, estudos do conforto solimitados s pesquisas de opinio ou mediante o registro das reclamaes dos usurios do sistema detransporte pblico. Embora o SEMC-TP no seja o suficientemente exato na medio de velocidadepara substituir o tacgrafo, prov um critrio mais objetivo para avaliar a qualidade do transporte eprincipalmente da localizao das fontes de desconforto.

Objetivo Geral

Desenvolver um sistema para o monitoramento do conforto no transporte pblico atravs da me-dio direita da acelerao, posio geogrfica e temperatura; e o processamento destas informaes,resultando no clculo do Jerk e de um indicador de conforto conforme Norma Internacional [1].

Objetivos especficos:

Desenvolver um mdulo de aquisio da acelerao e temperatura.

Desenvolver o algoritmo para calculo do Jerk e indicador de conforto.

Desenvolver um prottipo de baixo custo, fcil instalao e manuteno.

Introduo 3

Projetar e programar uma interface de usurio intuitiva, de fcil uso e com o processamento dedados adequado para destacar rapidamente os eventos mais crticos a um determinado supervi-sor.

4 Introduo

Captulo 1

Reviso bibliogrfica

Nesse captulo so apresentadas algumas definies relacionadas com o conforto e com algunsdos principais parmetros utilizados para avaliar a qualidade do transporte pblico. Alm disso, umabreve ideia do estado de transporte na cidade de So Carlos, Brasil ser discutida. Posteriormente, serapresentada uma pesquisa sobre as vibraes percebidas em nibus e citar-se-o alguns indicadores deconforto usados para avaliar o transporte pblico sob a perspectiva da interao de fatores dinmicosdo veculo sobre o passageiro. Finalmente, algumas pesquisas abordando a avaliao do conforto nosistema de transportes, em particular utilizando a medio de acelerao e posio nesses veculos,so brevemente expostas.

1.1 Definies

O significado de alguns dos termos utilizados nesta dissertao so apresentados e discutidos aseguir.

1.1.1 Conforto

Segundo o diccionario Websters, conforto definido como: um estado de tranquilidade, livre dedor, desejo, ou ansiedade; tambm, o que contribui para essa condio. Assim, o conforto tem doiscomponentes: fisiolgico e psicolgico. Segundo Frstberg, nas pesquisas da rea de transporte, oconforto tipicamente definido como bem-estar subjetivo (nvel de seu atual estado de felicidade); noentanto, conforto uma das variveis que podem contribuir ao bem-estar e no uma parte necessriadesta [2]. A seguir se descrevem alguns dos principais termos utilizados na definio do conforto notransporte pblico.

5

6 Reviso bibliogrfica

1.1.1.1 Qualidade do trajeto

Qualidade do trajeto um conjunto de fatores no ambiente do veculo que contribuem ou influ-enciam no bem-estar de um indivduo, e podem ser classificados como: fatores humanos, dinmicos,ambientais e espaciais [2], como mostrado na Figura 1.1.

Entre os fatores humanos esto: a idade, o gnero, a experincia, atividade, entre outras caracters-ticas do passageiro. Os fatores dinmicos esto relacionados interao do nibus com o passageirorefletidos em grandezas tais como: acelerao, mudanas de acelerao, movimentaes angularese eventos sbitos como choques. Os fatores ambientais incluem grandezas tais como: temperatura,presso, qualidade do ar, ventilao e rudo. Enquanto que os fatores espaciais esto relacionadoscom as condies das cadeiras e a ergonomia do espao do passageiro, por exemplo: o espaamentoentre cadeiras, o espao lateral, o espao para colocar as pernas, etc [2].

Figura 1.1: Interao do conforto e qualidade do trajeto no transporte [2].

1.1.1.2 Conforto do trajeto

Conforto do trajeto, conforto do passageiro ou conforto mdio do percurso so termos tipicamenteusados para fazer referncia ao desconforto provocado ao passageiro devido s condies dinmicas(relacionadas ao movimento do veculo). A avaliao tcnica do conforto do trajeto pode ser divididaem diferentes categorias, tais como [2]:

1.1 Definies 7

Conforto/desconforto mdio do trajeto (ndice da viagem): medio das aceleraes longitudi-nais, laterais e verticais no intervalo de frequncias de 0,5Hz a 80Hz. Normas internacionais eoutros ndices usam o conceito de desconforto do trajeto, ou seja, uma viagem com um valoralto indica menor conforto.

Conforto do trajeto estimado: avaliao da viagem dada pelos usurios em uma escala de 1 a 5,sendo que 1 indica um conforto baixo e 5 um conforto alto.

Distrbios no conforto: distrbios causados por movimentos sbitos do veculo (eventos dis-cretos) ou causados por altas aceleraes laterais e/ou Jerk lateral.

Enjoo: o enjoo no passageiro causado por movimentos lineares prolongados, abaixo de 0,5Hzou movimentaes angulares.

Efeitos das vibraes verticais em atividades especificas: Vibraes na faixa de 0,5Hz a 10Hzcausam dificuldades, por exemplo quando o passageiro deseja escrever ou beber.

1.1.2 Sistema Embarcado

Sistemas embarcados so sistemas de hardware e software baseados em dispositivos que no sonecessariamente computadorizados, mas que contam no mnimo com um chip programvel (tipica-mente na forma de micro-controlador, micro-processador ou processador digital de sinais). Exemplostpicos de aplicaes embarcadas incluem: Controles de ABS nos freios e em motor de veculos au-tomotores, piloto automtico de uma aeronave, marca-passos, circuitos no interior de equipamentosde comutao utilizados em telecomunicao, dispositivos ambientais, gravadores de vdeo, fornosde microondas, geladeiras, unidades de controle em robs, dentre outros.

O uso de sistemas embarcados est crescendo exponencialmente. Atualmente 90% de dispositi-vos computacionais se encontram em sistemas embarcados e no em computadores pessoais (PCs). Ataxa de crescimento dos sistemas embarcados superior a 10% ao ano e se estima que haver aproxi-madamente 40 bilhes de dispositivos no planeta em 2020 [17]. Assim, enquanto o mercado de PCsest orientado pela necessidade de prover mais desempenho, o mercado embarcado tem necessidadesdiferentes, por exemplo, economia, atendimento a requisitos legais, tecnolgicos dentre outros [17].

1.1.3 Jerk

Define-se Jerk (J) como: a terceira derivada da posio ou a taxa de mudana da acelerao notempo, tambm conhecido como Tranco no Brasil e Jolt no Reino Unido. Na norma internacional


ISO 2041 (1990), Vibration and shock - Vocabulary, o Jerk definido como "O vetor resultante daderivada da acelerao no tempo".

O Jerk tem grande importncia na medio dos efeitos destrutivos de um movimento em mecanis-mos ou instrumentos. O Jerk tambm usado na medio do conforto de passageiros em veculos. Porexemplo, os projetistas de elevadores limitam que o Jerk vertical do sistema a 2m/s3 [18]; enquantoque os projetistas de trens cuidam que o Jerk lateral seja menor do que 0,4m/s3 [2]. Finalmente, parao transporte terrestre em geral, Hoberock recomenda utilizar 0,3G/s como limite aceitvel do Jerklongitudinal [19].

1.1.4 nibus de trnsito rpido (BRT)

O sistema de nibus de trnsito rpido ou Bus Rapid Transit (BRT) definido como um sistemade transporte coletivo rpido, de alto desempenho e flexvel que combina um arranjo de elementosem um sistema integrado permanentemente [20]. O BRT um sistema de transporte baseado emnibus com as seguintes caractersticas principais: vias ordinrias ou com faixas exclusivas, estaesconfortveis e seguras no meio das vias ou afastadas delas, veculos de grande capacidade de passa-geiros e em alguns casos hbridos, arrecadao de diversas maneiras (dinheiro, cartes inteligentes,de credito ou debito) e sistemas de transporte Inteligente, dentre outros. Alguns exemplos de sistemasde transporte inteligentes ou ITS so: sistemas para alterar o tempo dos sinais priorizando o passo dosveculos do BRT, dispositivos para prever colises ou indicar o local adequado para estacionar nasestaes, sistemas de informao aos usurios, sistemas de gesto automtica do sistema (despacho eagendamento das linhas, contagem de passageiros), etc.

O BRT um sistema muito utilizado nos Estados Unidos em cidades tais como: Boston, LosAngeles, Miami, Las Vegas, dentre outras; e tambm em cidades de outros pases, tais como: SanJuan de Puerto Rico, Adelaide na Australia, Auckland na Nova Zelanda, Bogot na Colmbia eCurtiba no Brasil, o qual mostrado na Figura 1.2.

1.2 Parmetros de qualidade no transporte pblico

Peter Kelly foi motorista de nibus no Reino Unido e tambm trabalhou com o planejamento egesto das operaes do transporte pblico; ele identificou os usurios do transporte pblico e suasnecessidades [21]. Uma das principais modificaes que ele descreveu foi a evaso de alguns gruposde usurios tais como estudantes e mes com filhos. Assim, com a reduo dos usurios no setorestudantil devido ao incremento do uso de carros na jornada escolar e a reduo do uso de nibus porparte das mes com filhos, causada pelas dificuldades encontradas no transporte pblico; as classes

1.2 Parmetros de qualidade no transporte pblico 9

Figura 1.2: Sistema de transporte coletivo em Curitiba no Brasil [3] .

socialmente desfavorecidas se converteram no principal alvo do mercado da indstria de nibus. Kellydestaca que os donos de automvel so um mercado potencial para o desenvolvimento do setor denibus e que prover as condies que eles necessitam para estimul-los ao uso de nibus, no lugar doautomvel, deve ser uma prioridade para a melhoria do transporte pblico.

As necessidades e anseios dos usurios do transporte pblico foram estudados por muitos anose os aspectos mais relevantes a serem considerados so: confiabilidade, frequncia, informao aousurio, tempo de viagem ou velocidade, acessibilidade, lotao, caractersticas dos veculos, com-portamento dos operadores, estado das vias, dentre outros. Descritos no apndice A.

Considerando todos os requisitos do usurio de transporte pblico, pode-se melhorar considera-velmente a qualidade do servio. No entanto, o objetivo desta dissertao est direcionado a avaliar oconforto percebido somente no interior do nibus visto sob uma perspectiva dos fatores dinmicos doveculo; ou seja, s caractersticas do objeto onde o usurio permanece 40% do tempo total desde queele(a) decide a rota que vai tomar at chegar ao local de destino, como mencionado por Kelly [21].

Ento, alm de um sistema de informao para o usurio, caminhos e pontos de nibus mais con-fortveis, tempos de espera mais curtos e localidades da cidade onde o sistema pblico tenha acessoexclusivo. preciso garantir que o tempo da viagem seja o mais curto possvel, sem comprometer oconforto nem a segurana do usurio.

Sistemas de transporte com melhorias na qualidade do servio tm mostrado sucesso atravs doincremento do nmero de usurios em torno de 50% dos quais 25% eram antigos usurios de auto-mveis; esse incremento se deu pela utilizao de sistemas de informao em tempo real, passagenseletrnicas, faixas exclusivas e forte publicidade; tais sistemas so: o projeto de nibus SMART em


Liverpool, City Express em Belfast, o sistema de transporte em Adelaide ou Superoute 66 em Ipswichdentre outros. [21].

Lima [22] aponta que os custos da falta de qualidade so elevados para a cidade devido aoscongestionamentos, acidentes, avarias e mortes que a sociedade deve custear. Por exemplo, os custosanuais devidos aos acidentes de transito foram de R$ 28 bilhes, segundo a ltima pesquisa feita peloInstituto de Pesquisa Econmica e Aplicada (IPEA) do Brasil.

1.3 Sistema de transporte pblico no Brasil

Uma pesquisa feita na cidade de So Carlos, [23], permitiu avaliar o desempenho do transportecoletivo no Brasil. Na Tabela 1.1 so apresentados os resultados da pesquisa levando em conta osfatores de qualidade vistos na seo anterior. A pesquisa foi baseada na entrevista de 1050 pessoasentre estudantes, trabalhadores, idosos e deficientes. Dos resultados possvel identificar que osfatores mais crticos so: o estado das vias, a lotao e os locais de parada.

Tabela 1.1: Desempenho do transporte pblico na cidade de So CarlosFatores de Qualidade Importncia Desempenho

Acessibilidade 4,3 3,7Frequncia 4,2 3,3

Tempo da viagem 3,5 3,4Lotao 4,1 2,7

Confiabilidade 4,1 3,2Segurana 4,3 3,6Veculos 4,2 3,5

Locais de parada 4,2 2,6Sistema de informao 3,6 2,5

Conectividade 4,1 3,5Operadores 4,1 3,9

Vias 4,2 2,2

A atual metodologia de avaliao da qualidade do servio no Brasil est fundamentada no moni-toramento de indicadores. Os indicadores utilizados na cidade de So Carlos so: grau de variaodos intervalos da viagem nos pontos de controle, grau de falhas dos veculos em operao, grau decumprimento das viagens, grau de aprovao da frota em vistorias programadas, grau de aprovaoda frota em vistorias de campo, grau de reclamao dos usurios sobre o servio, grau de ocorrnciade acidentes e grau de ocorrncia de irregularidades de trnsito [23]. O grau de falhas de veculo emoperao, grau de irregularidades na atuao dos operadores, grau de reclamao dos usurios sobreo servio e grau de ocorrncia de acidentes so indicadores de grande interesse para esta dissertao,

1.4 Vibraes em nibus 11

pois os atuais mtodos de coleta de informaes so subjetivos (por exemplo, atravs das reclamaesfeitas pelos usurios) ou no so preventivos (por exemplo, indicadores tais como a mdia de quebrade veculos no percurso, taxa de acidentes com ou sem vitima).

1.4 Vibraes em nibus

Segundo uma pesquisa feita pelo departamento de transporte dos Estados Unidos de America,[10], a vibrao percebida pelos usurios de nibus, sob condies normais, atingiram nveis de at2G pico a pico; tambm foram atingidas vibraes superiores, perto de 4G, sob condies de operaono usuais (por exemplo, circulao do nibus a 56 Km/h sobre uma serie de redutores de velocidade).O relatrio descreve a vibrao medida em dois nibus, de iguais caractersticas excetuando-se a sus-penso (o nibus A tem amortecimento de ar enquanto o nibus B tem amortecimento mecnico). Noteste utilizaram-se rotas diferentes, desde rotas com vias suaves na cidade at rotas com vias esburaca-das, incluindo vias com lombadas, tartarugas e pavimentos feitos de tijolo. Destes testes se observouque a diferena entre as suspenses tem pouca influncia na amplitude dos sinais de acelerao; almdisso, a amplitude da vibrao uma funo da entrada de energia, a qual controlada pela veloci-dade do nibus e o tamanho da rugosidade ou altura da superfcie irregular. Assim, a amplitude dosinal da acelerao varia proporcionalmente com o tamanho da rugosidade, defeito ou obstculo e avelocidade do nibus.

Trs intervalos distintos de frequncia so observados nos dados que foram coletados nos doisnibus. As frequncias mais baixas so observadas quando o veculo transita sobre uma serie de so-lavancos e o autor acredita que esse intervalo devido frequncia natural do sistema de suspenso.O segundo e terceiro intervalo esto relacionados com a velocidade e as rugosidades e tambm seacredita que se devam s frequncias naturais do corpo do veculo e do ponto de ligao do aceler-metro. Na Tabela 1.2 so dadas as frequncias devidas suspenso, o corpo do veculo e a fixaodo acelermetro. Os mximos obtidos das medies foram tabulados e traados em um diagrama de

Tabela 1.2: Frequncias recorrentes da acelerao em nibus [10]nibus Amortecimento Corpo do veculo Componente de fixao

nibus A 1,5Hz 16-18 Hz 60-70 Hznibus B 2,0Hz 11-13 Hz 40-70 Hz

barras, mostrado por Thomas [10], onde so classificados os mximos segundo o posicionamentodo sensor para diferentes estradas e condies de velocidade. Embora a parada de emergncia estejaassociada com uma acelerao prxima a 2G, esse no foi a maior medida obtida; nesse grfico possvel observar que a acelerao maior para vias com redutores de velocidade (tartarugas) ou


lombadas e so percebidas com maior intensidade no painel de controle para uma velocidade entre40-56 Km/h.

1.5 Avaliao do conforto

1.5.1 Indicadores de conforto

Para avaliar o desconforto no transporte necessrio identificar os parmetros que influem noconforto do passageiro e classificar sua fonte, com isto possvel estabelecer indicadores e faixas declassificao. Os fatores so ajustados atravs de experimentos que usam a pesquisa direta com ousurio como metodologia de medio. Segundo Frstberg [2], as grandezas fsicas citadas na Ta-bela 1.3 influem no conforto em trens dependendo da caracterstica do percurso e do tipo de avaliaotcnica utilizada, abordados no conforto do trajeto no numeral 1.1.1.

Tabela 1.3: Grandezas com possvel influncia no conforto em trens [2]Tipo de avaliao Grandeza fsica

Conforto/desconforto mdio do trajeto Acelerao lateralAcelerao verticalAcelerao longitudinalAcelerao nas cadeiras

Distrbios no confortoPercurso reto Acelerao lateral

Curva de transio Acelerao lateral(max, pico a pico)JerkVelocidade de giro (Row, Yaw)

Curva circular Acelerao lateral(mdia, pico a pico)Eventos discretos Acelerao lateral(mdia, pico a pico)

Enjoo Acelerao lateralAcelerao vertical

Para os sistemas de transporte sem trilhos, os graus de liberdade so incrementados, assim paraconsiderar os fatores que influenciam no conforto nos nibus se deve incluir a acelerao longitudinale vertical devido s mudanas na acelerao no trafego, s imperfeies no asfalto, obstculos taiscomo lombadas dentre outros. Assim, possvel realizar medies de perturbao de conforto.

Desta forma, para avaliar o conforto no sistema de transporte foram criados diferentes indica-dores por parte de organismos internacionais, tais como a Unio Internacional de Ferrovias (UIC),o Instituto de Pesquisa Ferrovirio Europeu (ERRI), o Comit Europeu de Normalizao (CEN) ea Organizao Internacional para Padronizao (ISO), assim como outros indicadores sugeridos por

1.5 Avaliao do conforto 13

pesquisadores da rea de conforto como o indicador alemo, WZ , usado no sistema de transporte daSua. Os indicadores sugeridos por Frstberg [2] para o monitoramento de conforto em trens somostrados na Tabela 1.4.

Tabela 1.4: Indicadores de conforto em trens [2]Tipo de medio IndicadoresConforto mdio NMV , NV A, NV D

ISO 2631, WZ , Ride indexPerturbaes do conforto

Percurso reto PDECurva de transio PCT

Curva circular PDEEnjoo MSDVZ

A seguir so descritos sucintamente alguns dos indicadores usados em trens, baseados no resumodos indicadores feito por Frstberg [2]; a norma tcnica ISO2631-1 ser descrita em mais detalhe naseo seguinte devido a sua importncia neste trabalho e a seu amplo espectro de uso, no limitado atrens.

1.5.1.1 Indicador WZ

O indicador WZ definido por Sperling como [2]:

WZ =

[1

T

T0

(B(f)a(t))2dt

]0,15(1.1)

sendo que B(f) so pesos empricos para diferentes componentes de frequncia, a(t) so amplitudesmximas medidas no cho em cm/s2 e T o tempo de avaliao. A funo para determinar os pesoscomo funo da frequncia depende do eixo de medio, onde o eixo lateral BL(f) = 1, 25BV (f)e o eixo vertical :

BV (f) = 0, 0588

[1, 911f 2 + (0, 25f 2)2

(1 0, 2777f 2)2 + (1, 563f 0, 0368f 3)2]0,5

(1.2)

A Tabela 1.5 mostra o conceito para o conforto no percurso determinado pelo valor de WZ .

1.5.1.2 Indicador RI ou Ride Index

A verso inglesa do WZ chamada Ride Index a qual definida para o eixo vertical como:RIZ = 7, 5a

0,3RMS(f0/5, 9)

(1/3) para f0 5, 9HzRIZ = 7, 5a

0,3RMS(5, 9/f0) para f0 > 5, 9Hz


Tabela 1.5: Conceito de conforto para WZ [2]WZ Conceito para o percurso1 Muito Bom2 Bom3 Satisfatrio4 Aceitvel

4,5 No aceitvel5 Perigoso

e para o eixo lateral definida como:RIY = 8, 1a

0,3RMS(f0/5, 9)

(1/3) para f0 5, 9HzRIY = 8, 1a

0,3RMS(5, 9/f0) para f0 > 5, 9Hz

sendo que aRMS a acelerao RMS medida em G e dentro de uma faixa de frequncias de umaoitava em torno de f0 a qual a frequncia central dessa faixa. Segundo o valor do RI o conceito parao conforto no percurso mostrado na Tabela 1.6.

Tabela 1.6: Conceito de conforto para RI [2]RI Conceito para o percurso1 Muito Bom

1,5 Quase muito Bom2 Bom

2,5 Quase Bom3 Satisfatrio

3,5 Apenas satisfatrio4 Tolervel

4,5 Intolervel5 Perigoso

1.5.1.3 CEN ENV 12299:1999

Segundo o pre-padro europeu, o conforto pode ser avaliado mediante um mtodo estatsticolevando em conta a distribuio dos valores de acelerao RMS ponderados. Assim, trs indicadoresde medio so definidos: mtodo padro(NMV ), passageiros sentados (NV A) e passageiros de p(NV D), os quais so mostrados nas equaes 1.3, 1.4 e 1.5, respectivamente.

NMV = 6

(aWdXP95

)2+(aWdY P95

)2+(aWbZP95

)2 (1.3)NV A = 4

(aWbZP95

)+ 2

(aWdY P95

)2+(aWbZP95

)2+ 4

(aWcXP95

)(1.4)


NV D = 3

16(aWdXP55

)2+(aWdY P50

)2+(aWbZP50

)2+ 5

(aWdY P95

)(1.5)

sendo que a a acelerao medida no eixo X,Y ou Z; Wi indica o filtro ponderado usado, no qual ipode ser o filtro vertical medido no eixo Z (b), horizontal medido nos eixos X e Y (d) ou horizontalmedido no encosto da cadeira no eixo X (c). Os subscritos X,Y ou Z indicam o eixo do acelermetro,enquanto que P ,A ou D indicam o local de medio os quais so o cho, o assento ou o encostoda cadeira, respectivamente. Finalmente, o subscrito 50 ou 95 indica o percentil da distribuio dosvalores RMS ponderados e amostrados a cada cinco segundos durante um teste de cinco minutos.Segundo o valor do indicador usado (NMV , NV A ou NV D), o conceito para o conforto no percurso mostrado na Tabela 1.7.

Tabela 1.7: Conceito de conforto para a norma CEN 1999 [2]Critrio Conceito para o percursoN < 1 Muito confortvel

1 N < 2 Confortvel2 N < 4 Intermdio4 N < 5 Desconfortvel

5 N Muito desconfortvel

1.5.1.4 Indicadores de distrbio do conforto para deslocamentos de baixa frequncia (PCT ,PDE)

Resultados de pesquisas britnicas realizadas em trens de alta velocidade para avaliar a perdade conforto devido a distrbios no movimento utilizaram dispositivos com um boto acionado pelousurio, para detectar o distrbio no conforto. Desenvolveram-se dois indicadores, PCT e PDE , paramodelar os resultados obtidos nas transies das curvas e em eventos discretos, respectivamente.

O ndice de conforto nas transies de curvas , PCT foi definido como [2]:

PCT = MAX(Ay BJ C; 0)D (1.6)

sendo que y a mxima acelerao lateral absoluta desde que comea a curva at 1,6 segundosaps da finalizao dela. Enquanto que J o Jerk mximo absoluto da curva, filtrado utilizando umfiltro passa-baixas com frequncia de corte (fC) de 2Hz e a mxima velocidade angular absolutaRoll na curva de transio. Os valores das constantes A, B, C e D so os mesmos utilizados porFrstberg, para pessoas de p ou sentadas [2].

A definio do ndice de conforto para eventos discretos PDE obtida atravs da equao mostradaa seguir:

PDE = ayp + bym c (1.7)


sendo que yp o valor absoluto da mdia da acelerao lateral, medido em uma janela de dois segun-dos e filtrado com um filtro passa-baixas com fC de 2Hz. Enquanto que ym o valor pico a pico daacelerao lateral nas mesmas condies que yp. Alm disso, os valores das constantes a,b e c so osmesmos descritos por Frstberg [2], para pessoas de p ou sentadas.

1.5.2 ISO 2631-1 [1]

O principal propsito da norma ISO 2631-1 definir os mtodos para quantificar a vibrao emtodo o corpo com relao sade humana, o conforto, a probabilidade de percepo da vibrao e agerao de nuseas nos usurios.

Segundo varias pesquisas, a vibrao em todo o corpo pode causar sensaes (por exemplo, mal-estar), influir no desenvolvimento das atividades dirias ou produzir alto risco sade e segurana(dano patolgico ou alterao fisiolgica). Desta forma, a aplicao desta norma constitui um im-portante critrio para avaliar um meio de transporte, um equipamento ou uma edificao. Assim, anorma ISO 2631 pode ser aplicada a movimentos transmitidos ao corpo atravs de uma superfcie deapoio; contudo no pode ser aplicada na avaliao de choques de grandes amplitudes, tais como osobservados em acidentes.

Para a medio de vibrao deve-se usar como grandeza primaria a acelerao, a qual precisa sermedida no ponto no qual a vibrao se propaga no corpo, assim os sensores devem ser localizados nainterface entre o corpo e a fonte de vibrao. A frequncia da fonte de vibrao determina o tipo deefeito que se quer medir; ento para frequncias entre 0,1Hz e 0,5Hz se mede o enjoo e entre 0,5Hze 80Hz se mede o efeito na sade, no conforto e o nvel de percepo da vibrao. Os sensores eos sistemas de processamento do sinal devem responder adequadamente nessa faixa de frequnciase na faixa de intensidade da vibrao. Um parmetro importante o tempo de medio o qual sedeve reportar e deve ser como mnimo, para filtros passa-baixas com fC de 1Hz, de 108s ou 227spara filtros passa-baixas com fC de 0,5Hz; este tempo garante um erro inferior a 3dB e um nvel deconfiabilidade de 90%.

1.5.2.1 Mtodos para a avaliao da vibrao

O mtodo bsico para a avaliao da vibrao est baseado no clculo da acelerao mdia qua-drtica (RMS) ponderada, cuja equao descrita a seguir:

aw = [1/T

T0

a2w (t) dt]1/2 (1.8)

sendo que aw a acelerao ponderada (m/s2) e T a durao da medio (segundos).


O Fator de Cresta (CF ) est definido como:

CF = |Max {aw(t)} /aw| (1.9)

O CF serve para determinar se o mtodo de avaliao bsico adequado (CF


Filtro passa-baixas de segunda ordem:

|Hl(p)| = 11 +2p/2 + (p/2)2

=

f 42f 4 + f 42

(1.13)

Transio acelerao-velocidade (proporcionalidade para a acelerao em frequncias baixas eproporcionalidade para a velocidade em frequncias altas):

|Ht(p)| = 1 + p/31 + p/ (Q44) + (p/4)2

=f 2 + f 23f 23

f 44Q

24

f 4Q24 + f2f 24 (1 2Q24) + f 44Q24

(1.14)

Etapa ascendente (Inclinao de aproximadamente 6dB por oitava, proporcional ao diferencialde acelerao):

|Hs(p)| =1 + p/ (Q55) + (p/5)21 + p/ (Q66) + (p/6)2

(56

)2 = Q6Q5f 4Q25 + f

2f 25 (1 2Q25) + f 45Q25f 4Q26 + f

2f 26 (1 2Q26) + f 46Q26(1.15)

Assim, o produto entre Hh(p)Hl(p) representa a funo de transferncia de limitao de banda;enquanto que o produto Ht(p)Hs(p) representa a ponderao real. Os parmetro para essas funesde transferncia so dados na Tabela 1.8.

Tabela 1.8: Parmetros das funes de transferncia utilizados pela norma ISO 2631-1 [1]

PonderaoLimitao de banda Transio a-v Etapa ascendentef1(Hz) f2(Hz) f3(Hz) f4(Hz) Q4 f5(Hz) Q5 f6(Hz) Q6

wk 0,4 100 12,5 12,5 0,63 2,37 0,91 3,35 0,91wd 0,4 100 2,0 2,0 0,63 - -wf 0,08 0,63 0,25 0,86 0,0625 0,80 0,1 0,80wc 0,4 100 8,0 8,0 0,63 - -we 0,4 100 1,0 12,5 0,63 - -wj 0,4 100 - 3,75 0,91 5,325 0,91

Para wj a funo de transferncia Ht(p) = 1 e para wd,wc e we Hs(p) = 1. Concluindo-se afuno de ponderao total :

H(p) = Hh(p)Hl(p)Ht(p)Hs(p) (1.16)


1.5.2.3 Norma ISO 2631-1 aplicada ao conforto [1]

Em alguns casos as interferncias em algumas atividades tais como ler, escrever ou beber, devidass vibraes so consideradas causa de mal-estar. Entretanto estas interferncias dependem de muitosfatores tais como: grupo social, condies de sade, condies dinmicas e outros. Desta forma,alguns destes fatores no se encontram dentro do alcance da dissertao nem da norma ISO 2631-1.No entanto, em ambientes nos quais o fator de interesse so as propriedades mecnicas, possvelavaliar os efeitos da vibrao sobre o conforto usando a acelerao RMS de frequncia ponderadaem um perodo de tempo representativo. Esta avaliao deve ser feita em cada eixo, calculando ovalor RMS produzido pela combinao dos trs eixos em cada local de medio, segundo a seguinteequao:

av =K2xa

2wx +K

2ya

2wy +K

2za

2wz (1.17)

sendo que Kx, Ky e Kz so fatores multiplicativos dependentes do local de medio. Casso oconforto seja afetado por vibraes em mais de um local, o valor total pode ser calculado atravsdo valor quadrtico resultante dos valores totais para cada ponto. A medio precisa ser realizadapara todas as posturas possveis, ento para as pessoas que se encontrem sentadas deve-se utilizardoze eixos de medio (trs translacionais e trs rotacionais no apoio da cadeira, alm de trs eixostranslacionais no espaldar da cadeira e nos ps). Os valores para o fator multiplicador, K, so dadosna Tabela 1.9.

Tabela 1.9: Valores multiplicativos, K, para pessoas sentadas.local eixo k

Superficie da cadeira

wd(x) 1wd(y) 1wk 1

we(rx) 0, 63we(ry) 0, 4we(rz) 0, 2

No espaldar da cadeirawc(x) 0, 8wc(y) 0, 5wc(z) 0, 4

Nos pswk(x) 0, 25wk(y) 0, 25wk(z) 0, 4

Nas medies feitas com pessoas transportadas de p somente so consideradas as vibraes nocho. Assim, os fatores multiplicativos so:


wd(x), k = 1

wd(y), k = 1

wk, k = 1

A vibrao horizontal no encosto da cadeira em veculos pode afetar significativamente o conforto.Ento, se por razes tcnicas no for possvel medir a vibrao no encosto, pode-se aumentar ofator multiplicador para 1, 4 nos eixos X e Y na superfcie do suporte. Finalmente, a norma tcnicarecomenda os ndices mostrados na Tabela 1.10 para a avaliao do conforto no transporte pblico.

Tabela 1.10: ndices recomendados pela norma ISO 2631-1 para a avaliao do conforto no transportepblico

Acelerao RMS ConceitoMenos de 0,315m/s2 Sem mal-estar0,315m/s2 - 0,63m/s2 Mal-estar leve

0,5m/s2 - 1m/s2 Mal-estar moderado0,8m/s2 - 1,6m/s2 Mal-estar1,25m/s2 - 2,5m/s2 Mal-estar alto

Maior de 2 m/s2 Mal-estar muito alto

1.5.2.4 Norma ISO 2631-1 aplicada vertigem

O movimento em frequncias inferiores a 0,5Hz pode causar efeitos indesejveis, tais como enjoo.Com a acelerao RMS ponderada na faixa de frequncias entre 0,1 e 0,5Hz no eixo z possvel obterum indicador para a probabilidade de gerao de nuseas nos passageiros do veculo. A aceleraonos outros eixos desprezvel porque produzem pouco impacto neste efeito. Este conceito aplicvelprincipalmente em navios e embarcaes martimas [1].

1.6 Sistemas para a medio de conforto

1.6.1 Monitor de solavancos para transporte de mercadorias baseado na me-dio da acelerao e da posio atravs do uso de GPS

A pesquisa feita pelo Instituto Nacional para a Segurana Ocupacional e Sade dos Estados Uni-dos (NIOSH) [24], busca melhorias no ambiente de trabalho dos motoristas de caminhes de merca-dorias. Assim, com informaes obtidas do GPS e dados de acelerao possvel determinar a causa,quantidade e intensidade de solavancos que afetam negativamente a sade do motorista do caminho,

1.6 Sistemas para a medio de conforto 21

tambm como monitorar o estilo e habilidade do motorista para dirigir. Adicionalmente, a combina-o dos dados do GPS e acelerao pode ser usada como uma ferramenta de auxilio manutenodas estradas e dos veculos.

O hardware usado neste trabalho composto por dois mdulos, o primeiro produzido pela com-panhia Modular Mining Systems (MMS) chamado Vital Signs, o qual utilizado no monitoramentode fretes via GPS. O segundo equipamento um Acceleration Recorder da Aero-Marine products(AMP), o qual frequentemente utilizado no monitoramento da acelerao no transporte de merca-dorias, suas principais caractersticas tcnicas so apresentadas na Tabela 1.11. Os resultados obtidosem um percurso com durao de 10 horas e 20 minutos mostraram 899 solavancos acima do limiarde 2G, concentradas em regies diferentes do percurso e so mostrados espacialmente na Figura 1.3.Deste modo, com os dados obtidos possvel monitorar a existncia de buracos e obstculos aolongo da estrada. Alm disso, tambm possvel estabelecer faixas limite de velocidade devido scondies do asfalto ou a indicadores de alta probabilidade de acidentes.

Finalmente, os autores propem, como trabalho futuro, o desenvolvimento de um sistema comacelermetros tri-axiais de baixo range que permitam monitorar em tempo real as aceleraes forne-cendo uma realimentao ao motorista atravs de um alarme quando o limiar for atingido.

Tabela 1.11: Especificaes do gravador AMPModelo 1005083-1

Tipo de Sensor Acelermetro Piezeltrico tri-axialRange 2 a 200G em cada eixo

Resoluo 10 BitsPeriodo de amostragem 1 a 50mseg

Frequncia mnima 1.5HzFrequncia mxima 90Hz

Figura 1.3: Eventos de acelerao usando o gravador AMP e o GPS do MMS.


1.6.2 Sistema baseado em rede de sensores para o monitoramento das condi-es da via no transporte pblico

Zoysa et al. [25] desenvolveram um sistema para o monitoramento das condies da via base-ado em uma rede de sensores instalados no sistema de transporte pblico. O sistema permite criarmecanismos de alarme para realizar manuteno preventiva nas estradas que reduzir o custo total efornecer dados para pesquisadores que estudam o desgaste do asfalto das estradas.

Os pesquisadores propem usar a rede de transporte do Sri Lanka para monitorar as condiesdo asfalto, baseado em outro sistema desenvolvido para monitorar a poluo ambiental, chamadoBusNet. Deste modo, o sistema de transporte pblico pode ser usado como plataforma para umarede de sensores diminuindo os custos de desenvolvimento e de execuo, pois pesquisas prviasmostraram que necessria uma grande quantidade de sensores para cobrir uma rea suficiente paraobter medies ambientais bem sucedidas, por exemplo, para cobrir uma rea de 1200m por 600m seutilizam 110 sensores. Este tipo de rede apresenta os seguintes problemas:

Alto custo devido grande quantidade de sensores dedicados.

Dificuldade para o gerenciamento de grandes quantidades de ns, alm de problemas tais comoa substituio de baterias ou a manuteno dos ns.

A proteo dos ns de fatores como animais, chuvas e vndalos, pode ser tarefa complicada.

Assim, os sensores montados nos veculos de transporte pblico recolhem dados durante o per-curso e os transferem nas estaes atravs de uma comunicao sem fio. Tambm os dados recolhidosnas estaes so transferidos at uma estao central atravs dos nibus que viajam at a estao cen-tral, o qual fornece uma largura de banda grande sacrificando a latncia da rede. A arquitetura dosistema mostrada na Figura 1.4. O sistema de medio formado por um dispositivo chamadoMICAz mole da companhia Crossbow Technology (mostrado na Figura 1.5), um GPS e um sensor;sendo que o sensor pode ser de temperatura, CO2 ou um acelermetro. A energia de alimentao fornecida pela bateria do veculo e os dados so armazenados na memria do MICAz.

Alguns dos inconvenientes para a arquitetura do BusNEt mencionados pelos autores so:

As medies feitas em sensores em movimentao tm menor exatido espacial do que asmedies feitas com sensores estacionrios.

Alguns sensores requerem vrios segundos para prover uma medio com boa exatido, assimos eventos com posies pontuais no so possveis de se registrar.


Figura 1.4: Arquitetura do sistema BusNet.

Figura 1.5: Prottipo de medio com o MICAz e a placa do sensor.

1.6.3 Detector portvel de conduo imprudente

Boonmee e Tangamchit [4], desenvolveram um sistema para detectar comportamentos impru-dentes na conduo do motorista atravs de um acelermetro bi-axial. O sistema pode identificareventos tais como: fortes arranques, freadas repentinas, giros rpidos dentre outros, os quais causamdesconforto.

Este detector acondicionado no encosto da cadeira do motorista e permite monitorar o compor-tamento do motorista em situaes reais, o diagrama de blocos do hardware mostrado na Figura 1.6.O acelermetro analgico utilizado foi o ADXL202, o qual bi-axial, com range de 2G e uma largurade banda de 6kHz. Os eixo X e Y so utilizados para medir a acelerao longitudinal e transversal,respectivamente. O micro-controlador utilizado para realizar a interface entre o acelermetro e o PCfoi o PIC16F877 de 8 bits. Os sinais obtidos pelo PC so processados como mostrado na Figura 1.7.Um filtro passa altas de primeira ordem com frequncia de corte de 0,02Hz usado para eliminaro componente DC e um filtro passa baixas de primeira ordem com frequncia de corte de 2Hz


utilizado para eliminar os rudos causados pelos solavancos.

Figura 1.6: Diagrama de blocos do detector portvel de conduo imprudente. [4]

Figura 1.7: Diagrama de blocos do processamento para o sinal de acelerao. [4]

Os autores utilizaram um mtodo baseado em regras para identificar os eventos e utilizaram umalgica difusa para dar pontuao aos comportamentos. Ento, o uso da lgica difusa permite ajustaras regras e o range do dispositivo pontuao dada por voluntrios usados como referncia. Pri-meiramente a identificao da causa do evento foi feita usando os critrios de durao e amplitudemostrados na Tabela 1.12, sendo que td o tempo de durao e utilizado para diferenciar os tiposde eventos. Depois os resultados dos questionrios dos 11 voluntrios foram utilizados para ajustaras regras que estabelecem a relao entre a acelerao e a percepo do passageiro. As entradas dosistema difuso e as regras so mostradas na Tabela 1.12 [4].

Tabela 1.12: Regras para determinar a fonte do eventoFonte do evento Acelerao Tempo (td)

Arranque Ax maior do que 87.5mG menor que 275msFreada Ax menor do que -87.5mG menor que 320ms

Giro esquerda Ay maior do que 150mG menor que 275msGiro direita Ay menor do que -150mG menor que 275ms


A pontuao dada pelos 11 voluntrios no questionrio est dentro de um range de 1 a 10, onde 1 um evento muito suave e 10 um evento muito forte. Os resultados dos testes feitos em Bangkokso mostrados na Figura 1.8, na qual a media da pontuao, foi usada para comparar a avaliao feitapelos usurios com o conceito fornecido pela predio do sistema difuso. Os erros entre a predioe os dados dos usurios atingiram 11,96; 12,79; 11,12 e 15,6 para arrancadas, freadas, giros direitae giros esquerda, respectivamente; assim, o modelo da percepo dos usurios atingiu 80% deexatido.

Figura 1.8: Resultados dos testes feitos em Bangkok com o sistema desenvolvido por Boonmee eTangamchit e para a pontuao dada pelos usurios para arranques e freadas do veculo [4].

1.6.4 Avaliao de risco nos veculos utilizando o aparelho celular NokiaN95

Reveriego et al. [26] apresentaram um sistema de identificao de zonas perigosas nas vias ousituaes perigosas causadas por erros do motorista, baseados no uso do GPS e do acelermetro in-corporados ao celular NOKIA N95. Esta aplicao captura todos os dados necessrios no percursopara sua posterior anlise em uma interface de computador baseada em Google Earth.

Para obter a informao da posio do local com alto risco de acidente os dados do GPS socoletados utilizando rotinas no sistema operacional Symbian do N95. Dados tais como: hora,longitude, latitude e velocidade so registrados a uma taxa de 1Hz e so armazenados no carto dememria do aparelho. Posteriormente os dados da memria do aparelho so descarregados no PC eprocessados para gerar um arquivo Keyhole Markup Language (KML) capaz de visualizar os dadosem Google Earth.

Para medir a acelerao do veiculo utilizado o acelermetro embarcado no N95, cujos planosde referncia so mostrados na Figura 1.9. A medio da acelerao no feita com taxa constante,assim os autores chegaram a um sinal com uma frequncia de amostragem de 40Hz, usando umainterpolao linear. O nvel 5 da decomposio Wavelet, mostrada na Figura 1.10, foi reconstruda


para filtrar o rudo do sinal; porque a informao importante sobre a maneira de dirigir e freadas estnos componentes de frequncia mais baixa.

Figura 1.9: Marco de referencia para o veculo e o telefone Nokia N95.

Figura 1.10: Exemplo do sinal de acelerao (Cinza) e sua reconstruo baseada na Wavelet dequinto nvel (preto).

Outro problema que foi solucionado neste trabalho foi o ajuste dos eixos do aparelho aos eixos demovimentao do veculo, desta forma, o usurio pode colocar o telefone em qualquer posio semse preocupar do alinhamento dos eixos do celular com os eixos do aparelho. Devido a informaodos giros, freadas e arranques estarem contidas nos eixos X e Y, o eixo Z de acelerao pode serdesprezado; assim, reduzindo-se o analise a um problema bidimensional. O dado de velocidade,medido pelo GPS, utilizado para obter a acelerao longitudinal, pois a velocidade derivada paraobteno de acelerao longitudinal. Desta maneira, com a relao entre a acelerao calculada peloGPS e acelerao medida pelo acelermetro possvel calcular o ngulo de rotao dos eixos, ,como mostrado na equao 1.18.

= MaxaXGPS, auri (1.18)

sendo, axGPS a acelerao calculada atravs da leitura da velocidade dada pelo GPS e auri a acelera-o de um dos eixos com a correo devida a possveis inclinaes ao redor do eixo Z com ngulo ,definido como: auri = aurCos (i) aurSin (i). Estimando o ngulo , os eixos de movimentao


do carro podem ser conhecidos. O diagrama de blocos do processamento do sinal de acelerao mostrado na Figura 1.11.

Figura 1.11: Diagrama de blocos do procesamento.

O risco determinado pela acelerao do aparelho catalogado em trs faixas (baixa, media ealta) o qual determinado atravs do uso de limiares da acelerao transversal. O valor adequado doslimiares foi calculado atravs de avaliaes feitas junto a vrios voluntrios. Na Figura 1.12 se mostraum exemplo de aquisio da acelerao, onde a altura do polgono reflete a velocidade do veculo,enquanto que a largura e a cor mostram a acelerao transversal e o nvel de risco respectivamente.

Figura 1.12: Representao tri-dimensional da acelerao da rotatria.

Na Figura 1.13 so mostrados dois exemplos de analise feitos com o sistema desenvolvido porReveriego. O primeiro mostra quando o motorista se deteve na interseo para fazer uma virada direita; enquanto o segundo mostra a comparao de dois motoristas, no mesmo percurso e com omesmo veculo.

Trabalhos futuros so propostos pelo autor, tais como a gerao de alarmes para prevenir o mo-torista e a divulgao de dados pelas redes sociais para permitir a outros motoristas ter acesso informao sobre os locais com alto grau de risco na via.


Figura 1.13: Comparao usando o N95. (a) Parada em uma interseco. (b) Comparao da veloci-dade de dois motoristas.

Captulo 2

Estudo dos sinais envolvidos

Neste capitulo so analisadas as caractersticas dos sinais de acelerao de nibus nos trs eixoscartesianos, coletando dados tanto de linhas convencionais como de linhas BRT. Anlises no domniodo tempo permitiro estabelecer a faixa de acelerao observada nos veculos de transporte. Anlisesno domnio da frequncia sero usadas para estabelecer a largura de banda (BW) e frequncia deamostragem(FS), necessrias para medir satisfatoriamente o sinal da acelerao. Alm disso, algunscomponentes do sinal da acelerao so identificados e associados s caractersticas do veculo, ocomportamento do modo de dirigir do motorista ou diferentes tipos de fonte de desconforto. Final-mente, o sinal de acelerao ser analisado para obter o Jerk e desta maneira relacion-lo com o nvelde desconforto e conhecer os requisitos de processamento para seu clculo.

2.1 Caractersticas do sinal de acelerao em veculos

Com o objetivo de conhecer as caractersticas dos sinais de acelerao nos veculos de transporteforam desenvolvidos dois prottipo para obter amostras de sinais de acelerao nos trs eixos comuma alta taxa de amostragem (maior que 500Hz). As amostras coletadas em meios de transportedistintos foram processadas usando o software LabView.

2.1.1 Descrio do Hardware, firmware e resultados do primeiro prottipo

O hardware constitudo por um microcontrolador ATMEL de oito bits (ATMEGA8), cujafuno armazenar a informao proveniente do conversor analgico-digital (ADC) de oito bits efrequncia de amostragem FS de 1040Hz, em uma memria SD de 2GB. A Figura 2.1 mostra oprimeiro prottipo em detalhe, enquanto que o diagrama esquemtico mostrado na Figura 2.2.

Um acelermetro analgico capacitivo de baixo custo com fundo de escala ajustvel em1,5G/2G/4G

29

30 Estudo dos sinais envolvidos

Figura 2.1: Modulo de aquisio baseado em um microcontrolador de 8 bits.

Figura 2.2: Esquemtico do modulo de aquisio.

2.1 Caractersticas do sinal de acelerao em veculos 31

ou 6G (MMA7260Q) que possui modo sleep e tem um baixo consumo de potencia (500A). Nestecaso, utilizamos o microcontrolador para controlar o fundo de escala do acelermetro, o qual pode serselecionado entre 2G e 4G. Finalmente, para seu adequado funcionamento necessrio implementarum filtro RC de 1,6kHz nas suas sadas para minimizar o rudo de clock.

Devido facilidade de fixao do adaptador SD placa de circuito impresso do prottipo, optou-se pela utilizao de uma memria microSD. A sequncia de inicializao da memria e os coman-dos para armazenar ou ler a informao podem ser utilizados em uma memria SD ou microSD dequalquer tipo. A memria deve ser conectada s sadas do modulo SPI do microcontrolador. Umalimitao da memria SD restringe a escrita de blocos de dados de 512 posies fixas, no sendopossvel aumentar ou diminuir a quantidade de dados em cada bloco.

O firmware do microcontrolador permite aquisitar o sinal de acelerao com FS de 1040Hz, le-vando em conta que a limitao de banda do acelermetro de 300Hz para os eixos X e Y e de 150Hzpara o eixo Z, um filtro antialiasing no necessrio. Blocos de 512 dados, alternando a informaodo eixo X,Y,Z, so enviados ao carto de memria a travs do protocolo SPI a 125kHz. Para evitar aperda de dados, um buffer maior a 512 dados foi implementado no microcontrolador para armazenartanto o bloco de 512 dados como os dados de acelerao que so aquisitados enquanto a memriaest sendo escrita.

2.1.1.1 Resultado experimental obtido com o primeiro prottipo - Carro No. 1

O sistema foi testado no assoalho de dois carros diferentes e em percursos diferentes. Na Fi-gura 2.3 mostrada a disposio do prottipo colocado no assoalho do veculo.

Figura 2.3: Orientao dos eixos cartesianos do acelermetro no assoalho do carro.

A aquisio dos dados de acelerao no primeiro carro teve uma durao aproximada de 53 minu-tos, obtendo-se os resultados mostrados na Figura 2.4, as amplitudes percebidas nos percursos estoem torno de 1,25G para os eixos do plano horizontal (X, Y) e 2G para o eixo vertical (Z). Alm disso,uma anlise em frequncia dos sinais nos trs eixos mostrou que a informao da acelerao estaltamente concentrada nos primeiros 50Hz, a FFT dos trs eixos mostrada na Figura 2.5.


(a) Eixo longitudinal (b) Eixo transversal

(c) Eixo vertical

Figura 2.4: Anlise carro No. 1.

(a) Eixo longitudinal (b) Eixo transversal

(c) Eixo vertical

Figura 2.5: FFT da acelerao do teste no carro No. 1.


Analisando os picos da acelerao frontal e vertical, percebe-se que a amplitude pico a pico superior a 1G com uma durao de 0,05s acima de 1,5G no eixo vertical Z e abaixo de -0,4G no eixofrontal. A Figura 2.6 mostra com maior detalhe as aceleraes frontal e vertical medidas.

(a) Eixo longitudinal (b) Eixo vertical

Figura 2.6: Sinais de acelerao do carro No. 1.

2.1.1.2 Resultado experimental obtido com o primeiro prottipo - Carro No. 2

Usando outro veculo e realizando uma anlise similar obtiveram-se os resultados mostrados naFigura 2.7. Os sinais de acelerao do eixo lateral e frontal esto na faixa de 0,8G e 0,7G pico a picorespectivamente; enquanto que o maior pico est presente no eixo vertical com um valor superior a1,5G com uma durao de 10ms, como mostrado na Figura 2.8.

(a) Eixo longitudinal (b) Eixo transversal (c) Eixo vertical

Figura 2.7: Anlise carro No. 2.

2.1.1.3 Resultado experimental obtido com o primeiro prottipo - Sistema BRT

Este primeiro prottipo foi tambm utilizado nos veculos no sistema de transporte pblico co-letivo. O sistema BRT tem caractersticas dinmicas que diminuem o desconforto nos passageiros,


Figura 2.8: Mxima acelerao no eixo vertical, no anlise do carro No. 2.

Figura 2.9: Sistema BRT, nomeado Transmilenio em Bogot. Colmbia.

tais como faixas exclusivas, paradas programadas, entre outras; por isso, seu estudo de interessepara conhecer as amplitudes do sinal que causam desconforto em um sistema com menor nmero dedistrbios que o sistema de transporte tpico. O Transmilenio mostrado na Figura 2.9, um sistemaBRT desenvolvido para diminuir o tempo da viagem, a taxa de acidentes e a poluio de Bogot(Colmbia) e foi escolhido para estes primeiros testes.

O prottipo foi utilizado em uma das principais rotas do sistema com o maior numero de paradas(rota B5/G5). Os resultados obtidos para esta rota com o acelermetro na faixa de 2G so mostradosna Figura 2.10.Note-se que neste caso o eixo Y tem a informao da acelerao na direo do avanodo veculo (eixo longitudinal), como mostrado pela Figura 2.11.

Assim, possvel ver que o nibus fez seis paradas em um percurso de 21 minutos; em mdia otempo entre estaes de: 2,89min. A maior acelerao no eixo de avano foi de 0,75G; enquantoque no eixo vertical foi de 1,8G. Na Figura 2.12 observa-se alguns sinais obtidos na faixa de 4G.Apesar da menor resoluo na faixa de 4G possvel detectar os picos de acelerao, especialmenteno eixo vertical; onde a maior amplitude foi de 2,5G.


(a) Eixo transversal (b) Eixo longitudinal (c) Eixo vertical

Figura 2.10: Acelerao no sistema BRT com acelermetro na faixa de 2G.

Figura 2.11: Orientao dos eixos cartesianos do acelermetro no assoalho do nibus BRT.

(a) Eixo transversal (b) Eixo longitudinal (c) Eixo vertical

Figura 2.12: Acelerao no sistema BRT com acelermetro na faixa de 4G.


2.1.1.4 Anlise dos testes iniciais

Das anlises feitas para carros particulares e nibus BRT, obtiveram-se as amplitudes descritasna Tabela 2.1. Face s amplitudes da acelerao estarem prximas a 2G, especialmente para o eixovertical, se recomenda usar o acelermetro na faixa de 4G e incrementar a resoluo do conversoranalgico-digital (ADC) a 10 bits no mnimo. Alm disso, deve-se executar uma rotina de calibraosimples para o acelermetro (0G em X, 0G em Y, +1G em Z) em uma nica posio [27].

Tabela 2.1: Acelerao pico a pico medido em carros e nibus do sistema BRT.Longitudinal Transversal Vertical

Carro 1(G) 1,25 1,25 2Carro 2(G) 0,8 0,7 1,9

nibus-BRT(G) 1,4 1,6 2,1

Observou-se que a frequncia do sinal de acel

sistema embarcado para monitoramento do conforto em transporte público

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