La evolución de la mecatrónica moderna se puede ilustrar con el ejemplo del automóvil. Hasta la década de 1960, la radio era la única parte electrónica en un automóvil. Todas las demás funciones eran totalmente mecánicas o eléctricas, tal como el arranque del motor y los sistemas de carga de batería. No hubo “sistemas de seguridad inteligentes”, con excepción de aumentar los miembros de parachoques y estructurales para proteger a los ocupantes en caso de accidentes. Los cinturones, introducidos en la década de 1960, tenían por objeto mejorar la seguridad de los ocupantes y se acciona mecánicamente por completo. Todos los sistemas del motor se controlan por el conductor y otros sistemas de control mecánicos. Por ejemplo, antes de la introducción de sensores y microcontroladores, un distribuidor mecánico se utilizaba para seleccionar la bujía específica para disparar cuando la mezcla airecombustible se comprimía. El momento de la ignición fue la variable de control. El proceso de combustión controlado mecánicamente no era óptimo en términos de eficiencia de combustible. Modelados del proceso de combustión mostraron que, para aumentar la eficiencia del combustible, existía un momento óptimo cuando el combustible debía ser encendido. El momento depende de la carga, la velocidad y otras cantidades medibles. El sistema de encendido electrónico fue uno de los primeros sistemas mecatrónicos que se introdujeron en el automóvil a finales de 1970. El sistema de encendido electrónico consta de un sensor de posición del cigüeñal, sensor de posición del árbol de levas, la tasa de flujo de aire, posición del acelerador, la velocidad de los sensores del acelerador del cambio de posición y un microcontrolador para determinar el momento de los disparos de las bujías. Las primeras implementaciones involucraron sólo un sensor de efecto Hall para detectar la posición del rotor en el distribuidor de precisión. Implementaciones posteriores eliminaron completamente el distribuidor y controlaron directamente los disparos utilizando un microprocesador.
Por otro lado, el Sistema de Frenos Antibloqueo (ABS) también se introdujo en la década de 1970 en los automóviles. El ABS funciona mediante la detección de bloqueo de cualquiera de las ruedas y luego la modulación de la presión hidráulica, según sea necesario para minimizar o eliminar las volcaduras. El Sistema de Control de Tracción (TCS) se introdujo en los automóviles a mediados de la década de 1990. El TCS trabaja mediante la detección de deslizamiento durante la aceleración y la modulación de la potencia a la rueda que patina. Este proceso asegura que el vehículo se esté acelerando a un ritmo máximo posible bajo ciertas condiciones de la carretera y el vehículo. La dinámica del vehículo Control (VDC) del sistema se introdujo en los automóviles a finales de 1990. El VDC funciona de forma similar a la TCS con la adición de un sensor de velocidad y un acelerómetro lateral. La intención del conductor está determinada por la posición del volante y luego se compara con la dirección real del movimiento. El sistema TCS se activa entonces para controlar la potencia a las ruedas y para controlar la velocidad del vehículo y reducir al mínimo la diferencia entre la dirección del volante y la dirección del movimiento del vehículo. En algunos casos el ABS se usa para desacelerar el vehículo para lograr el control deseado. Los automóviles de hoy por lo general tienen CPU de 8, 16 o 32 bits, que se utilizan para la implementación de los diferentes sistemas de control. El microcontrolador dispone de memoria interna (EEPROM/EPROM), entradas digitales y analógicas, convertidores A/D, la modulación por amplitud de pulso (PWM), funciones de temporizador, como el conteo de eventos y la medición de ancho de pulso, los insumos prioritarios, y en algunos casos de procesamiento de señal digital. El procesador 32-bits se utiliza para la gestión del motor, el control de la transmisión y bolsas de aire; el procesador 16-bits se utiliza para el ABS, TCS, VDC, tablero de instrumentos y sistemas de aire acondicionado; el procesador de 8-bits se utiliza para el asiento, control del espejo y sistemas de ventanas elevadoras. Hoy en día hay de 30 a 60 microcontroladores en un automóvil. Esto se espera que aumente con el impulso hacia el desarrollo de sistemas modulares para subsistemas mecatrónicos.
La mecatrónica se ha convertido en una necesidad para la diferenciación de productos en los automóviles. Dado que los fundamentos de motor de combustión interna fueron elaborados hace un siglo, las diferencias en el diseño del motor entre los varios automóviles ya no son útiles como elemento diferenciador de un producto. En la década de 1970 los fabricantes de automóviles japoneses lograron establecer un equilibrio en el mercado automotriz de EE. UU. ofreciendo una calidad insuperable y bajo consumo de combustible los automóviles pequeños. La calidad del vehículo era el producto diferenciador a través de 1980. En la década de 1990 los consumidores llegaron a esperar que la calidad y fiabilidad en los automóviles de todos los fabricantes. Hoy en día las características mecatrónicas se han convertido en el producto diferenciador en estos sistemas tradicionalmente mecánicos. Esto se ve acelerado por el aumento de relación preciorendimiento en la electrónica, la demanda del mercado para los productos innovadores con características inteligentes, y la unidad para reducir el costo de la fabricación de los productos existentes mediante la reformulación de la incorporación de elementos de mecatrónica. Las nuevas aplicaciones de sistemas mecatrónicos en el mundo del automóvil pasan de ser semiautónoma a los automóviles totalmente autónomos, mejoras de seguridad, de reducción de emisiones y otras características como control de crucero inteligente y sistemas de cable de freno por la eliminación de los sistemas hidráulicos. Otra importante área de crecimiento que se beneficiaría de un enfoque de diseño de mecatrónica es una red inalámbrica de los automóviles a las estaciones terrestres de comunicación y vehículo. Telemática, que combina audio, manos libres de teléfono celular, la navegación, conectividad a internet, correo electrónico y el reconocimiento de voz, es quizás el más grande de la zona potencial de crecimiento del automóvil. De hecho, el uso de la electrónica en los automóviles se espera que aumente a una tasa anual de 6% por año durante los próximos cinco años, y la funcionalidad de la electrónica se duplicará en los próximos cinco años.
Más información
Reyes Cortés, Fernando; Cid Monjaraz, Jaime y Vargas Soto, Emilio. 2013, Mecatrónica Control y Automatización, Editorial Alfaomega.
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