A idéia inicial desta pesquisa, surgida quando ainda nem a dissertação de mestrado do autor estava defendida, no ano de 2001, passou por uma pesquisa inicial bastante longa para que se pudesse de antemão determinar se o sonho de desenvolver um perfilômetro laser no Brasil seria possível.
As primeiras análises mostraram que não seria um sonho impossível, mas causava estranheza o fato de que ninguém no Brasil ou na América Latina tivesse até aquele momento feito algo parecido, muito embora já existissem fabricantes e usuários nos Estados Unidos, Europa, Japão e Austrália.
O desafio foi aceito logo após o final do mestrado e desde então se começou a coletar informações, importar componentes e enfim testar aquele, que no final de 2003, viria a ser o primeiro protótipo funcional de um perfilômetro inercial de pavimentos feito no Brasil.
Dada a pluralidade de ramos da ciência envolvidos em um projeto como este, naturalmente ele não foi realizado sozinho por um engenheiro civil afeto à área rodoviária que embora tenha noções de eletrônica, informática e instrumentação, não é um especialista no assunto.
Tampouco foi necessário um grande time para sua realização, até porque não haveria nem como remunerar um time em uma pesquisa de doutorado. Enfim, dada a complementaridade de conhecimentos e a amizade, neste caso o projeto de desenvolvimento do perfilômetro inercial foi realizado em conjunto com apenas mais uma pessoa, um grande amigo afeto à física, informática e eletrônica.
Os passos iniciais do desenvolvimento englobaram um bom estudo do que havia na Internet a respeito deste tipo de equipamento, seus fabricantes, as características dos equipamentos fabricados, aqueles que eram mais usados, os custos etc.
Em seguida passou-se às descobertas a respeito de fornecedores desses fabricantes de perfilômetros, uma vez que a maioria deles não fabricava o módulo de medição sem contato, apenas integrava componentes, desenvolvia a comunicação entre eles e os softwares necessários ao seu funcionamento.
Mesmo tendo chegado a estes fabricantes de módulos de medição laser, verificou- se que o custo de sua importação seria muito alto e inviabilizaria o desenvolvimento do protótipo e conseqüentemente a pesquisa.
Assim, os estudos foram voltados à fabricação de um módulo de medição laser que tivesse capacidade suficiente para realizar as medições conforme estabelecia a norma ASTM E 950-98, que foi percebida como a norma mais usada no mundo para os perfilômetros inerciais.
Tal decisão demandou estudos de ótica, lasers, detectores de laser, além de estudos focados de eletrônica e software. Após tais estudos, optou-se por usar um emissor de laser de baixa potência, visando minimizar os riscos para os olhos, lentes com características especiais foram encomendadas e dentre as duas tecnologias mais conhecidas para sensores rápidos e capazes de emitir um sinal proporcional à posição de um feixe laser refletido sobre ele, optou-se pela tecnologia digital de um sensor CCD.
Várias pequenas importações pelo correio foram feitas, até que se chegou a um módulo de medição laser que funcionava. Em sua primeira versão tal módulo possuía 20 cm de curso, resolução de 0,1 mm e realizava cerca de 1700 medidas por segundo.
Os módulos de medição a laser desenvolvidos, assim como boa parte dos módulos usados em sistemas fabricados no exterior, funcionam por triangulação, ou seja, um feixe laser de média potência que é apontado perpendicularmente ao pavimento, tem sua posição registrada por um sensor especial, para o qual o reflexo do laser no pavimento é direcionado. Na figura 3.1 é possível entender o funcionamento deste tipo de medidor. Os pontos 1, 2 e 3 na parte inferior da figura representam distâncias possíveis do veículo até o pavimento, com suas respectivas representações no sensor especial.
Figura 3.1 – Esquema de funcionamento interno de um módulo de medição laser por triangulação.
Cada um dos módulos de distância laser tem internamente um sistema eletrônico microcontrolado que controla as medições e a transmissão dos dados de cada medida, de acordo com as solicitações de um gerenciador. É justamente este microcontrolador que verifica a altas freqüências todos os pontos do sensor CCD e determina o ponto de maior intensidade da luz refletida pelo laser na superfície do pavimento, gerando assim o resultado da medida. Naturalmente, cada módulo laser deve sofrer uma calibração de fábrica, que nada mais é do que uma correlação entre a distância do módulo a um anteparo e a posição do laser refletido no sensor CCD. O curso útil de cada módulo de medição laser foi projetado para 200 mm, mas como os módulos devem ficar a uma certa distância do pavimento, até pela segurança do próprio equipamento, tal curso útil não se inicia na base do próprio módulo . Há um espaçamento de aproximadamente 20 cm entre a base do módulo e o ponto em que ele começa a medir, fazendo com que sua distância de instalação do pavimento seja de aproximadamente 30 cm. Desta maneira, com o veículo parado existirá 10 cm de curso útil para cima e também 10 cm para baixo, visando assim acomodar as variações de distância entre o veículo e o pavimento durante seu rolamento.
Simultaneamente com o desenvolvimento da primeira versão do módulo, pesquisou- se também sobre as outras partes do equipamento, como os acelerômetros, o hodômetro e também a arquitetura final do sistema. Decidiu-se que seriam montados 5 módulos laser, visando tornar o equipamento apto não só para a medição de 5 perfis longitudinais – o que podia ser útil em pistas com grande largura, como no
caso de aeroportos, mas também para a medição dos afundamentos plásticos em cada trilha de roda de forma independente.
Sobre os acelerômetros, decidiu-se por usar apenas 2, independentemente do número de módulos que seria usado em cada medição. A única condição para que o sistema funcionasse bem com dois acelerômetros é que tais módulos sempre deveriam estar presentes nas partes mais externas da barra de suporte . Fazendo-se desta maneira, quando se fosse utilizar mais de dois módulos, os outros ficariam fixados entre aqueles que possuíam os acelerômetros e se informaria no software a distância entre os módulos para que posteriormente a correção dos valores das medidas dos módulos intermediários pudesse ser feita proporcionalmente com base na posição instantânea da barra em relação ao pavimento, que por sua vez é obtida através de duas integrações sucessivas dos acelerômetros.
Como já se pôde perceber em itens anteriores deste trabalho, a concepção do sistema de se compensar os movimentos verticais do veículo com o uso de um sistema inercial não é novidade alguma, nem se tratou de um ponto de inovação no sistema concebido.
Os sistemas inerciais para medição de perfis longitudinais de pavimentos podem variar em número de medidores de distância e em número de acelerômetros, mas a concepção de seu funcionamento é basicamente a mesma.
Toda a base está em se efetuar as medições dos sensores de aceleração, dos sensores de deslocamento e do hodômetro de forma rápida e simultânea, sendo que os acelerômetros devem estar alinhados ao feixe laser dos módulos em que estiverem instalados. Tanto a simultaneidade das medições, quanto o alinhamento dos acelerômetros com o eixo de medição do módulo laser são condições para o bom funcionamento deste tipo de perfilômetro.
Os dados medidos por todos os sensores podem ser gravados em um computador para posterior processamento ou tal processamento pode ser feito simultaneamente com a coleta de dados.
O processamento de tais dados consiste inicialmente em duas integrações sucessivas dos valores registrados pelos acelerômetros. Tais integrações resultarão
no posicionamento instantâneo vertical de cada um dos módulos que contêm os acelerômetros, ou seja, verificar-se-á a posição vertical instantânea relativa da carroceria do veículo e conseqüentemente dos módulos laser, para que se saiba se tais módulos estavam naquele instante acima ou abaixo da sua posição normal com o veículo parado.
Para se calcular os perfis longitudinais com base nos dados de deslocamentos medidos pelo laser e com base nos dados deslocamentos calculados nas integrações das acelerações verticais, basta portanto somar ou subtrair uma medida da outra, de cada um dos módulos, conforme a posição instantânea revelada pelos acelerômetros.
Para os módulos que não possuem acelerômetros e que por recomendação devem ser fixados entre os módulos que possuem os acelerômetros, o cálculo do perfil requer apenas um cálculo a mais.
Levando-se em conta que os módulos com acelerômetros estão fixados em uma mesma barra rígida, é bastante simples calcular o posicionamento instantâneo da barra toda. Com base nessa informação e na posição de instalação dos demais módulos, basta fazer o mesmo tipo de correção, somando ou subtraindo o deslocamento da barra aos valores de deslocamentos registrados pelos módulos. Entre as diversas decisões tomadas durante o planejamento do sistema, optou-se por um sistema modular onde um mesmo cabo conectaria até 14 módulos de medição sem contato, cada um com um microprocessador programável, e que podia ou não possuir internamente um acelerômetro. Este cabo seria ligado a uma central de coleta de dados, onde também seria ligado o hodômetro e de onde sairia o cabo para conexão com o computador através de uma porta USB.
A comunicação muito rápida entre todas as partes do sistema foi um desafio à parte, pois como foi ressaltado, em um perfilômetro inercial a leitura de todos os sensores deve ser feita simultaneamente, ou seja, em um mesmo momento cada módulo laser deve fazer sua leitura com ou sem a leitura do acelerômetro associado e neste mesmo momento deve ser guardado o número de pulsos contados pelo hodômetro. Logo a seguir, cada módulo deve enviar essa informação à central de processamento (concentrador), que consolida os dados e envia ao computador.
Ao final do desenvolvimento da primeira versão do equipamento, no final do ano de 2003, todo este sistema funcionava bem e fazia a leitura de 5 módulos laser, sendo 2 deles com acelerômetros, além do hodômetro, na velocidade de 1700 vezes por segundo.
A única limitação que esta primeira versão do equipamento tinha em relação a outros equipamentos importados era que seu funcionamento dependia do pôr do sol. Em outras palavras, o equipamento só funcionava quando não havia luz solar incidindo.
Esta limitação tornou-se conhecida apenas durante o projeto, mas como o funcionamento diurno não era um objetivo essencial, o protótipo inicial foi concluído com esta limitação. Para superar tal limitação seria necessária ou a mudança da tecnologia do sensor por um que não saturasse com o infravermelho contido na luz solar, ou a utilização um laser mais forte com uma combinação de filtros que limitasse o acesso da luz ambiente ao sensor.
Uma vez concluído o primeiro protótipo foi realizada uma calibração dos módulos e em seguida realizados os primeiros testes de funcionamento, simultaneamente com os ajustes finais no software que controlava a coleta de dados.
Nesse estágio, o sistema ficou formado por dois softwares, um que era usado durante o levantamento para coletar os dados dos sensores, registrar as observações de campo, realizar as integrações dos acelerômetros e gravar tais informações em arquivos no computador; e um segundo software usado apenas para processar tais dados visando filtrar o efeito da macrotextura, determinar o perfil longitudinal no espaçamento requerido e por fim calcular o índice de irregularidade desejado, IRI ou QI.
Os testes iniciais tiveram resultados muito positivos conforme os resultados evidenciados no item seguinte mostrarão, e em pouco tempo o equipamento passou por um importante teste feito em parceria com a concessionária de rodovias paulista Autoban, que determinou com base em topografia os perfis longitudinais de alguns segmentos de faixa de rolamento ao longo das rodovias Anhanguera e Bandeirantes, que posteriormente foram medidos com o perfilômetro. A fotografia da figura 3.2 ilustra a montagem da primeira versão do perfilômetro desenvolvido.
Figura 3.2 – Fotografia da montagem da primeira versão do perfilômetro inercial desenvolvido.
O sistema continuou a ser aprimorado, principalmente na parte de software, visando torná-lo mais amigável ao uso, uma vez que pela necessidade das concessionárias de rodovias que passaram a conhecer um pouco mais sobre o assunto, ele passou a ser usado esporadicamente em avaliações de rodovias a partir de 2004, sempre apresentando resultados consistentes e com isso comprovando seu bom desempenho.
No ano de 2005 houve mais inovações importantes. O hardware do sistema foi aprimorado e com isso foi possível aumentar a freqüência de coleta de dados para 2000 vezes por segundo em cada um dos sensores. Foi incluída ainda a possibilidade de execução das medidas diurnas, embora com algumas limitações. Para tanto, foi usada uma combinação de laser e filtros que possibilitaram um isolamento do efeito da iluminação solar.
Foi neste ano também que os softwares de processamento dos dados coletados ficaram ainda mais amigáveis e integrados, possibilitando uma grande flexibilidade na hora de processar as informações de pequenos ou grandes trechos de pavimentos.
No final do ano de 2005, visando aumentar ainda mais a freqüência de coleta de dados, a sensibilidade nas medidas e a estabilidade à luz solar – tudo de uma vez só, houve a tentativa de mudança da tecnologia do sensor que faz a leitura da posição do laser. Ao invés de um sensor do tipo CCD (charge-coupled device), pesquisou-se e desenvolveu-se a capacidade de usar sensores do tipo PSD (position sensitive device). Enquanto o primeiro era digital, este segundo é analógico, o que possibilitaria uma velocidade maior de leitura quando ele estivesse funcionando em conjunto com conversores de sinal (A/D) muito rápidos.
Toda a placa eletrônica de controle do módulo foi desenvolvida novamente visando a melhor adequação possível a esta nova tecnologia, entretanto, os resultados ficaram aquém do esperado, pois embora o objetivo da alta freqüência de medição diurna tenha sido conseguido, a resolução de medição do sistema deixou a desejar nas situações onde o laser penetrava nas saliências da macrotextura dos revestimentos testados.
De posse de resultados pouco animadores com os sensores PSD, voltaram-se os esforços para a melhoria dos módulos de medição, só que usando os já conhecidos sensores CCD em uma configuração que proporcionasse: boa resolução, boa estabilidade das medições em qualquer condição de luminosidade ambiente, além de uma maior freqüência de medição.
Para atingir tais objetivos usando-se os sensores CCD, resolveu-se pelo desenvolvimento de um novo sistema eletrônico de processamento das informações do CCD dentro de cada módulo. Tal sistema ao invés de simplesmente localizar o pico do laser refletido no sensor CCD processaria todas as informações registradas pelo CCD visando realizar uma regressão deles a uma curva conhecida e com base nesta curva sim localizar o valor máximo; além disto foram ainda usados filtros especiais para diminuir o impacto da luminosidade externa no CCD.
Alguns meses de trabalho foram consumidos com este novo intento e finalmente em setembro de 2006, chegou-se à tecnologia pretendida. O sistema final ficou com a medição estável sob qualquer condição de luminosidade ambiente e qualquer cor de superfície de revestimento; a resolução das medições ficou melhor que 0,1 mm; a
freqüência de medição atingiu 2100 medidas por segundo – sendo que melhorar tal freqüência em próximas versões tornou-se mais simples.
No início de 2007, otimizações de hardware e software, possibilitaram ao equipamento superar a marca de 4000 medições por segundo em cada um dos sensores, o que significa que trafegando a 100 km/h o perfilômetro conseguiu registrar uma medida a cada 7 mm deslocados pelo veículo. Esta nova freqüência de medição possibilita medidas mais exatas mesmo em superfícies muito abertas.