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2026-09-11 15:07:12 +02:00

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\chapter{Introduzione}
\label{ch:introduzione}
Negli ultimi anni, il settore delle macchine movimento terra è evoluto verso architetture elettroniche sempre più complesse.
Similmente ai veicoli stradali, i moderni mezzi d'opera integrano numerose \ac{ecu} e una vasta rete di sensori e attuatori, interconnessi
tramite il protocollo \ac{can} suddivisi in uno o più bus.
L'elevata mole di dati generati ha permesso lo sviluppo di sistemi telematici, diagnostici e di fleet management per monitorare lo stato di salute
del mezzo, ottimizzare i consumi e pianificare la manutenzione \cite{telematics_industrial_vehicle}.\\
\\
Tuttavia, l'accesso a questi sistemi viene limitato dai sistemi proprietari dei costruttori: sebbene i dati \ac{can} grezzi siano leggibili tramite strumenti
di diagnostica, spesso questi non seguono standard come \ac{sae} J1939 e vengono offuscati da \ac{id} proprietari, decodificati dentro ecosistemi chiusi.
Ad esempio, il sistema \textit{KOMTRAX}\texttrademark di Komatsu consente, tra varie possibilità, il tracciamento remoto, geofencing e l'analisi
di efficienza del mezzo \cite{komatsu_komtrax_specification}, che pur essendo efficace per monitoraggio e controllo, è una piattaforma che non espone
i frame \ac{can} né permette l'integrazione con software di terze parti. Operano in maniera simile altri sistemi proprietari, tra i quali \textit{VisionLink}\texttrademark (Caterpillar),
\textit{JDLink}\texttrademark (John Deere), \textit{LiDAT}\texttrademark (Liebherr), \textit{SiteWatch}\texttrademark (CASE e New Holland).\\
Per le aziende con flotte multimarca, questa mancanza di accessibilità limita lo sviluppo di soluzioni diagnostiche unificate e l'analisi approfondita delle
condizioni specifiche dei mezzi.\\
\\
Il presente lavoro di tesi nasce da questa esigenza operativa, in collaborazione con l'azienda edile CAT (S.a.s.). L'impresa ha espresso l'interesse a disporre di
strumenti diagnostici brand-agnostic per il monitoraggio della propria flotta di mezzi d'opera multimarca impiegati in scavi e movimento terra, in particolare
per scopi di manutenzione predittiva e monitoraggio delle condizioni del veicolo. \\
In questo contesto, ha messo a disposizione per le attività di sperimentazione un escavatore Komatsu PC210 NLC-8, consentendo l'acquisizione di dati
in condizioni operative reali e la validazione delle metodologie di reverse engineering.
\subsection{Stato dell'arte}
\label{sec:stato-dell-arte}
Al momento della scrittura del presente lavoro di tesi, la letteratura tecnica pubblica non riporta casi documentati di decodifica dei frame CAN
proprietari di mezzi di lavoro Komatsu. \\
Esistono tuttavia alcuni progetti correlati nel settore delle macchine off-highway e nel reverse engineering di messaggi \ac{can} più in generale: \\
\\
Un articolo IEEE introduce CANMatch, un tool automatizzato per effettuare reverse engineering di \ac{can} frame tramite frame matching, che ha permesso
di ottenere un metodo semplice per interpretare i dati proprietari loggati su più di 400 veicoli stradali \cite{canmatch-reverse-engineering}.
Questo metodo potrebbe applicarsi analogamente al caso di sistemi proprietari compatibili con SAE J1939. \\
\\
PolyCAN, parte del progetto TractorHacking, è un tool diagnostico che punta ad effettuare un reverse engineering del \ac{can} bus di trattori John
Deere e permettere l'iniezione di messaggi dall'esterno, in modo da ottenere controllo completo sul mezzo \cite{tractorhacking}. \\
\\
Seppur manchi letteratura pubblica specifica per escavatori Komatsu, evidenze empiriche riportate da comunità tecniche specializzate riportano che per
alcuni dei mezzi di questo marchio (specificamente un dumper HD785 ed un escavatore PC1250) i \ac{can} \ac{id} loggati non sono puramente J1939, ma un
protocollo ibrido contenente ID a 29 bit (Extended \ac{can}) ed a 11 bit (Standard \ac{can}) \cite{diagnet-komatsu}.
\subsection{Obiettivi}
\label{sec:obiettivi}
L'obiettivo di questo elaborato è lo sviluppo di un sistema per l'acquisizione, la decodifica e l'analisi dei dati di un escavatore idraulico
provenienti dal suo \ac{can} bus.
Nello specifico, il lavoro si articola in:
\begin{itemize}
\item \textbf{Identificazione:} Individuazione delle caratteristiche del sistema diagnostico del veicolo contenente accesso al \ac{can} bus;
\item \textbf{Acquisizione dati:} Sviluppo di un'interfaccia hardware per il logging dei messaggi \ac{can} in tempo reale;
\item \textbf{Reverse engineering:} Lettura e decodifica delle comunicazioni proprietarie Komatsu;
\item \textbf{Analisi dati:} Traduzione dei dati decodificati in parametri fisici.
\end{itemize}
\section{Contesto operativo}
Si introducono i protocolli di comunicazione utilizzati in questo elaborato di tesi.
\label{subsec:architettura}
Si effettua una breve descrizione del veicolo e dei sistemi hardware e software utilizzati per ottenere, decodificare ed interpretare i dati \ac{can}.
\subsection{Komatsu PC210 NLC-8}
\label{subsec:komatsu_pc210}
Il veicolo oggetto di studio è l'escavatore Komatsu PC210 NLC-8: si tratta di un escavatore idraulico cingolato
di media portata, parte della serie \textit{Dash 8} in commercio dal 2006 al 2016. La designazione NLC (\textit{Narrow Long Crawler}) identifica una
configurazione del sottocarro caratterizzata da una carreggiata ridotta e una maggiore lunghezza del telaio, ottimizzata per applicazioni che
richiedono un ingombro trasversale contenuto \cite{komatsu_pc210_8_2017_brochure}.
È equipaggiato con un motore diesel common rail a 6 cilindri in linea, sviluppato da \textit{Komatsu Cummins Engine Corporation} (KCEC), joint venture
paritetica tra \textit{Komatsu Ltd.} e \textit{Cummins Inc.}; infatti il motore \textit{SAA6D107E-1} montato sul PC210 NLC-8 è basato sulla stessa
architettura del \textit{Cummins 6D107} \cite{pc210-230-240-manual}.\\ % forse invece meglio citazione su questa roba del Cummins qua
Il sistema idraulico \textit{Komatsu HydrauMind} adotta una logica a centro chiuso (CLSS) abbinata al controllo mutuo pompa-motore \cite{pc210-230-240-manual}.
Sul piano dell'elettronica, questa integra nativamente il sistema proprietario Komatsu di telematica e gestione del mezzo \textit{KOMTRAX}\texttrademark
discusso precedentemente. \\
Il sistema \ac{can} consiste in un unico bus accessibile dalla \ac{ecu} oppure da una presa di diagnostica all'interno della cabina \cite{pc210-230-240-manual}.
Lo schermo nella cabina di controllo infatti è un nodo \ac{can} e visualizza eventuali errori o informazioni utili come regime motore e temperature
direttamente in modo da essere visibili in ogni momento all'operatore. Le informazioni visibili dal sistema \textit{KOMTRAX}\texttrademark vengono anche esse
comunicate tramite \ac{can} bus.
% TODO: foto schermo cabina acceso
La serie PC210 rappresenta una delle piattaforme più diffuse nel segmento delle medie portate a livello europeo. Komatsu è stabilmente tra i primi produttori
di escavatori nel mercato \ac{emea}, ed il PC210 è indicato come uno dei modelli chiave della gamma Komatsu in questa regione.
Un numero significativo di unità \textit{Dash 8} è ancora oggi operativo in flotte di piccole e medie imprese edili e di movimento terra, grazie alla robustezza meccanica
della piattaforma, alla disponibilità di ricambi (anche di provenienza Cummins per il motore) e alla relativa semplicità di manutenzione rispetto alle generazioni
successive.
% TODO: mettere fonti per tutto ciò
% TODO: foto motore
\vspace{5mm}
\begin{table}[htbp]
\centering
\captionsetup{skip=10pt}
\caption{Specifiche tecniche secondo \citeauthor{komatsu_pc210_8_2017_brochure}}
\label{tab:specifiche_nlc8}
\footnotesize
\renewcommand{\arraystretch}{0.85}
\setlength{\tabcolsep}{4pt}
\begin{tabular}{@{} p{4.5cm} p{9.5cm} @{}}
\toprule
\multicolumn{2}{@{}l}{\textbf{Powertrain}} \\
\midrule
Motore & Komatsu-Cummins SAA6D107E-1: Diesel common rail, 6 cilindri in linea, turbo aftercooled \\
Cilindrata & 6,69 L \quad (Alesaggio $\times$ Corsa: 107 $\times$ 124 mm) \\
Potenza (ISO 14396) & 116 kW (156 bhp) @ 2.000 rpm \\
Normativa emissioni & EU Stage IIIA \\
\midrule
\multicolumn{2}{@{}l}{\textbf{Impianto idraulico e scavo}} \\
\midrule
Pompe idrauliche & HydrauMind E-CLSS, 2 pompe a pistoni assiali a cilindrata variabile \\
Portata e pressioni max & 2 $\times$ 219 L/min \quad (Impl./Trasl.: 380 bar, Rotaz.: 295 bar) \\
Forza di scavo & 16.500 kg (benna) / 13.800 kg (braccio) \\
Capacità benna & 1,68 m$^3$ \\
Modalità operative & 5 (Power, Economy, Breaker, Attachment, Lifting) \\
\midrule
\multicolumn{2}{@{}l}{\textbf{Pesi e dimensioni}} \\
\midrule
Peso operativo & 23.360 kg \\
Carreggiata / Passo & 2.040 mm / 4450mm \\
Pattini & 700 mm \\
Profondità di scavo massima & 6.620 mm \\
\midrule
\multicolumn{2}{@{}l}{\textbf{\ac{can} bus}} \\
\midrule
Architettura & Singolo bus SAE J1939 con ID proprietari \\
\bottomrule
\end{tabular}
\end{table}
\begin{figure}[htbp]
\centering
\begin{subfigure}{1\textwidth}
\centering
\includegraphics[width=\textwidth]{assets/images/pc210nlc-8/IMG_0002.jpeg}
\caption{Frontalmente}
\label{fig:komatsu_front}
\end{subfigure}
\hfill
\begin{subfigure}{1\textwidth}
\centering
\includegraphics[width=\textwidth]{assets/images/pc210nlc-8/IMG_0001.jpeg}
\caption{Dal retro}
\label{fig:komatsu_rear}
\end{subfigure}
\caption{Komatsu PC210 NLC-8, oggetto di questo elaborato di tesi}
\label{fig:komatsu_overview}
\end{figure}
\FloatBarrier
\subsection{STM32F405RGT6}
\label{subsec:stm32f405rgt6}
Introduzione alla stm32 usata
\subsection{FreeRTOS}
\label{subsec:freertos}
Descrizione di freertos, brevemente perche l'ho scelto ma poi lo dico meglio in Cap.2
\subsection{TJA1050}
\label{subsec:tja1050}
Descrizione TJA1050 e perche l'ho scelto (brevemente)
% fonti: datasheet per ste tre robe
%
\subsection{Protocolli di comunicazione}
\label{subsec:protocolli}
\subsubsection{CAN bus}
\label{subsubsec:canbus}
\cite{voss2008comprehensible}
\cite{css_electronics_j1939}
Il \ac{can} bus è un protocollo di comunicazione seriale che supporta in modo efficiente il controllo distribuito in tempo reale con un livello di sicurezza molto elevato.
Il suo ambito di applicazione va dalle reti ad alta velocità al cablaggio multiplex a basso costo. \\
Nellelettronica automobilistica, le unità di controllo del motore, i sensori, i sistemi anti-slittamento, ecc. sono collegati tramite CAN con velocità di trasmissione fino a 1 Mbit/s.
Allo stesso tempo, è conveniente integrarlo nellelettronica della carrozzeria del veicolo, ad esempio nei gruppi ottici o nei finestrini elettrici, per sostituire il cablaggio aggiuntivo altrimenti necessario. \\
% fonte CAN ISO 11898 bosch da aggiungere
\subsubsection{SAE J1939}
\label{subsubsec:j1939}
\cite{css_electronics_can_bus}
Introduzione a SAE J1939
% fonte SAE J1939
\subsubsection{UART}
\label{subsubsec:uart}
Introduzione a UART
% trova una fonte