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DESARROLLO DE UN SISTEMA SENSORIAL PARA LA ASISTENCIA A LA

CONDUCCIÓN DE UNA SILLA DE RUEDAS

JAIME ANDRES VELASQUEZ MORENO

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FALCULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRICA BOGOTÁ

2003

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DESARROLLO DE UN SISTEMA SENSORIAL PARA LA ASISTENCIA A LA CONDUCCIÓN DE UNA SILLA DE RUEDAS

JAIME ANDRES VELASQUEZ MORENO

TESIS DE MAGISTER

ASESOR

PHD. ALAIN GAUTHIER

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRICA BOGOTÁ

2003

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A mi familia y seres queridos, a quienes agradezco su comprensión por las horas no compartidas y dedico, con todo mi cariño, el resultado de un largo esfuerzo.

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AAGGRRAADDEECCIIMMIIEENNTTOOSS El autor expresa sus agradecimientos a: Alain Gauthier y Carlos Francisco Rodríguez directores del proyecto Asistencia a la conducción de una silla de ruedas, por su entusiasmo hacia el proyecto y sus valiosas orientaciones. A Luis Florez por su colaboración en la parte de programación en Visual Basic. A mis padres, Jaime Alirio Velásquez y Gloria Isabel Moreno por su apoyo durante todo el proyecto, que fue desde la consecución de partes y construcción hasta el financiamiento del mismo, gracias por compartir esta experiencia como lo hicieron. La Universidad de Los Andes, a la Facultad de Ingeniería y a todos mis profesores por haberme impartido los conocimientos que se reflejan en este trabajo. A todos ellos mi reconocimiento.

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TTaabbllaa ddee CCoonntteenniiddoo

INTRODUCCION

1. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO 1

1.1 OBJETIVOS DEL PROYECTO 1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 2

1.2 DESCRIPCIÓN 2 1.2.1 DISEÑO DEL CONTROL ELECTRÓNICO 2 1.2.2 SOFTWARE DE CONTROL 3

2. CONCEPTOS PRELIMINARES 4

2.1 SENSORES PARA POSICIONAMIENTO 4 2.1.1 SENSORES DE DISTANCIA BASADOS EN LA MEDICIÓN DEL TIEMPO DE VUELO 5 2.2 SISTEMAS TOF ULTRASÓNICOS 6 2.2.1 SISTEMA DETECTOR DE PROXIMIDAD POLAROID 7 2.2.1.1 Módulo de medida Polaroid 6500 7 2.2.1.2 Teoría de operación 7 2.2.1.3 Interface con microcontroladores 13 2.2.1.4 Requerimientos de la fuente de alimentación 13 2.2.1.5 Consideraciones sobre el ruido 13 2.2.1.6 Seleccionando un transductor 14 2.2.1.7 Precauciones 17 2.2.2 SISTEMA DETECTOR DE PROXIMIDAD SRF08 17 2.2.2.1 Registros internos 19 2.2.2.2 Comandos 20 2.2.2.3 Modo de medición 20 2.2.2.4 Modo ANN 21

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2.2.2.5 Cambio de dirección I2C 21 2.2.2.6 Ajuste del rango 22 2.2.2.7 Ajuste de la ganancia 23 2.2.2.8 El sensor de luz 24 2.2.2.9 Características técnicas 25 2.3 SENSORES INFRARROJOS GP2D12 Y GP2D120 26 2.4 DESCRPCION DE LOS MICROCONTROLADORES PIC

16F84A Y 16F877A 27

3. DISEÑO ELECTRÓNICO 31

3.1 MÓDULO DE ALIMENTACIÓN 34 3.2 MÓDULO DE COMUNICACIONES 34 3.3 MÓDULO DE SENSORES 34

4. SOFTWARE DE CONTROL 36

Cuadro de Ingreso Secuencia 37 Botones de Comandos 37 Tabla de Información 39 Cuadro de Progreso 39 Barra de Progreso 39 Barra de Menús 39

5. INTEGRACION DEL SISTEMA Y EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO 41

5.1 PRUEBA 1. EVALUACION DEL AREA DE COBERTURA DEL SENSOR DE ULTRASONIDO SRF08 41

5.2 PRUEBA 2. TRATANDO DE REDUCIR EL ANGULO DEL PATRON DE RADIACION EMPLEANDO DIFERENTES MATERIALES 44

5.3 PRUEBA 3. EVALUACION DEL COMPORTAMIENTO DE LOS SENSORES INFRAROJOS ANTE DIFERENTES COLORES 47

5.4 MONTAJE DEL SISTEMA SOBRE LA SILLA DE RUEDAS Y PRUEBAS DE ALGORITMOS DE MOVIMIENTO 51

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 55

BIBLIOGRAFIA 58

ANEXOS . CONTENIDO CD 60

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IInnttrroodduucccciióónn La evolución de la tecnología en áreas como los microprocesadores, sistemas digitales, sensores, almacenamiento de energía de larga duración y control de movimiento, ha permitido que los vehículos autónomos y robots móviles evolucionen siendo cada vez más independientes y capaces de realizar funciones avanzadas. Hoy en día son utilizados en la exploración espacial, aérea y submarina, en los sistemas de transporte, en el manejo de sustancias peligrosas, en cirugías, en aplicaciones domésticas, en asistencia a discapacitados y en otras varias actividades en las que permiten obtener nuevos conocimientos y brindan seguridad y bienestar. En la Universidad de los Andes se avanza en la exploración de este campo a través de sus líneas de investigación en vehículos autónomos, robótica, microcontroladores y sistemas digitales, mediante la realización de diversos proyectos. El grupo de robótica específicamente vienen trabajando ya hace algún tiempo sobre un primer prototipo de silla de ruedas eléctrica, con el cual se ha adquirido gran experiencia en temas tales como: construcción y control de plataformas móviles, tratamiento de señales enviadas por sistemas sonares, reconocimiento de ambientes, navegación y reconocimiento de voz, temas que reunidos sirven como una base sólida para dar inicio a este proyecto. Este proyecto busca continuar esta línea de investigación desarrollando un sistema sensorial, cuya información captada del ambiente permita al sistema de control de la silla tomar decisiones en funciones de seguridad y algunas especiales como seguir muros y atravesar puertas. La tesis se desarrollará alrededor del proyecto de investigación “Asistencia a la conducción de una silla de ruedas” dirigido por el profesor Alain Gauthier y desarrollado en colaboración con Colciencias y el Instituto Roosevelt. En el desarrollo de este proyecto se abordaron, entre otros, temas relacionados con:

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• El manejo, integración y aplicación de tecnología no utilizada antes, como es el caso del sistema medidor de distancia SRF08 y los sensores infrarojos Sharp GP2DXXX.

• El desarrollo modular tanto del hardware como del software, para permitir una implementación estructurada y pensando en que estos módulos puedan ser intercambiables, fácilmente modificables, y permitan desarrollar tareas diferentes a partir del mismo dispositivo y sirvan como plataforma para proyectos futuros en esta área.

• La utilización de software de programación como MATLAB y Visual Basic que permite a una persona con conocimientos de programación básicos controlar el sistema.

La presentación del proyecto contempla las siguientes partes: • Algunos conceptos relacionados con el manejo del sistema Polaroid 6500, el

SRF08, los GP2DXXX y características de los microcontroladores empleados para controlar el sistema.

• Diseño electrónico de los módulos que lo componen. • El software de control y la interfaz gráfica de usuario. • Descripción de las pruebas realizadas, los resultados y desempeño obtenidos. • Conclusiones y algunas recomendaciones.

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CCaappííttuulloo 11

DDeessccrriippcciióónn ddeell PPrrooyyeeccttoo El proyecto “Desarrollo de un sistema sensorial para la asistencia a la conducción de una silla de ruedas”, tiene por objetivo desarrollar un sistema sensorial, cuya información captada del ambiente permita al sistema de control de la silla tomar decisiones en funciones de seguridad y algunas especiales como seguir muros y atravesar puertas. Al sistema se le indica una secuencia de sensado mediante la interfaz grafica o el módulo desarrollado en Visual Basic, este da orden de sensado a los respectivos sensores y entrega el valor de las distancias gráficamente, en un archivo de texto o como una variable de salida con forma de matriz en Visual Basic. El proyecto es de carácter investigativo, durante él se evaluarán el desempeño de los sensores, del algoritmo y de todo el sistema en conjunto con el objeto de sacar conclusiones y recomendaciones. Se desea además que el sistema sirva como módulo de control de sensores de otros proyectos que se puedan desarrollar en el futuro. En éste proyecto se aplicarán conocimientos de las areas de Electrónica, Control, Tecnología Digital y Computadores. 1.1 Objetivos del proyecto Este proyecto tiene como objetivo general el desarrollar un sistema sensorial, cuya información captada del ambiente permita al sistema de control de una silla

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de ruedas eléctrica tomar decisiones en funciones de seguridad y algunas especiales como seguir muros y pasar puertas. Objetivos específicos • Definición de las funciones lógicas del sistema. • Diseñar un circuito que me permita controlar el proceso de medición de los

sensores y captar las medidas (en este caso distancias) para transferirlas al sistema de control.

• Analizar cual es la mejor metodología a implementar para el análisis de la

información entregada por los sensores. • Desarrollar un software que permita controlar el sistema sensorial y su

comunicación con el sistema de control de la silla. 1.2 Descripción En su concepción el proyecto se dividió en tres areas de actividad principales : una primera área correspondiente al diseño, prueba y construcción del control electrónico, una segunda en la que se desarrolló y se implementó el software de control y otra tercera en la que se realizaron pruebas de los sensores, del sistema una vez ensamblado y de la funcionalidad del sistema ubicado en la silla de ruedas. Actividades que se desarrollaron de manera independiente en algunas ocasiones y en otras de manera simultánea. 1.2.1 Diseño del Control Electrónico El control electrónico está dividido en 3 módulos, cada uno cumple una funcion específica. Módulo de Alimentación Es el encargado de regular a 5V y distribuir la alimentación que toma de una fuente externa, a los demás módulos. También cuenta con conectores que posibilitan la alimentación por medio de baterías recargables, tipo Ni-Cd de 8.4 V. Módulo de Sensores La silla de ruedas cuenta con 7 sensores de ultrasonido SRF08, 4 sensores infrarojos GP2D12 y 2 sensores GP2D120, éste módulo tiene como función controlarlos, y transmitir la información entregada por estos al módulo de comunicaciones. Además esta en capacidad de controlar 8 sistemas detectores de proximidad Polaroid 6500.

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Módulo de Comunicaciones Este módulo hace de interfaz entre el computador y el módulo de sensores, transmitiendo información de uno a otro. En sentido PC-módulo de sensores transmite las ordenes dadas por el algoritmo de control al módulo de sensores, en sentido módulo de sensores-PC envía la información procesada por el módulo del sensor al computador. Estos dos últimos módulos tienen una electrónica basada en el uso de PIC’s. El producto final de este diseño se puede observar en las figuras 1.1 y 1.2, asociadas a estas se encuentra una lista en la que se enumeran la mayoria de las partes del sistema, las cuales se describen a lo largo de este documento. 1.2.2 Software de Control El software de control consiste en una interface gráfica en la que el usuario ingresa la secuencia de sensores, da orden de sensado y visualiza los valores de distancia entregados por los sensores en una gráfica Distancia Sensada vs. Punto Sensado. Se desarrollaron dos versiones, una en Visual Basic y otra en MatLab 5.3, además de un módulo en Visual Basic que puede ser incluido en cualquier otro proyecto de Visual Basic, este teniendo como variable de entrada la secuencia de los sensores entrega los valores de las distancias sensadas como una variable de salida en forma de matriz.

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CCoonncceeppttooss PPrreelliimmiinnaarreess A través de este capítulo presento algunos conceptos relacionados con los sensores de ultrasonido Polaroid 6500 y el SRF08, los sensores infrarrojos GP2D12 y GP2D120 de Sharp y las características del microprocesadores PIC 16F84A y PIC 16F877A utilizados para controlar los módulos del sistema. Esto con el fin de que el lector obtenga las bases necesarias para una mejor comprensión del lo descrito en los capítulos subsiguientes. La mayoría de esta información ha sido obtenida de los manuales técnicos de dichos componentes, manuales que se encuentran en el CD adjunto, en la carpeta Anexo 1. 2.1 Sensores para posicionamiento La mayoría de los sensores utilizados en el posicionamiento de un objeto a lo largo de una ruta establecida involucran alguna clase de medición de distancia. Básicamente utilizan tres formas de medir distancia: • Sensores basados en la medición del “tiempo de vuelo” (TOF por las siglas en

inglés de time-of-flight) de un pulso de energía (ultrasonido, láser de amplitud modulada o radio frecuencia) emitido hacia un objeto que lo refleja, y el eco es detectado por un receptor.

• Medición del cambio de fase (o detección de fase) entre una onda continua dirigida hacia un objeto y la porción de onda que es reflejada por éste.

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2.1.1 Sensores de distancia basados en la medición del tiempo de vuelo

Muchos de los sensores utilizados hoy en día en la medición de distancia usan el método de medición de tiempo de vuelo (TOF). Los pulsos utilizados en la medición generalmente provienen de una fuente de energía ultrasónica, de radio frecuencia (RF) o lumínica (láser), por lo que la velocidad del sonido en el aire (aproximadamente 0.3m/ms o 1ft/ms), y la velocidad de la luz (0.3m/ns) son parámetros importantes en el cálculo de la distancia medida. La distancia es calculada multiplicando la velocidad de la onda de energía por el tiempo requerido en su ida y regreso:

d = vt d = doble de la distancia del sensor al objeto v = velocidad de propagación de la onda t = tiempo transcurrido entre la emisión de la onda y la recepción de su eco. La distancia d equivale al doble de la distancia al sensor, ya que la onda recorre la distancia dos veces, una de ida y otra de regreso, y el tiempo t utilizado en el cálculo es el tiempo medido entre la emisión de la onda y la recepción de su eco. La señal retornada por el objeto sigue esencialmente el mismo camino de regreso hacia un receptor localizado coaxialmente con el transmisor o próximo a él. En algunos casos es posible encontrar que el transmisor y emisor son el mismo transductor. El valor de la distancia es obtenido sin necesidad de un análisis o hardware complicados, y la técnica no esta basada en suposiciones de las propiedades de la superficie del objeto. Las potenciales fuentes de error en un sistema TOF son: - Variaciones en la velocidad de propagación, particularmente en el caso

de sistemas acústicos. En el caso de sistemas basados en ultrasonido la velocidad de propagación esta marcadamente influenciada por los cambios de temperatura y en menor medida por la humedad. La velocidad del sonido es proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura en grados Rankine del medio en el que se propaga. Un cambio en la temperatura ambiente de solo 30°F (∼17°C) puede causar un error de 0.3m en una distancia medida de 10m. - Incertidumbre en la determinación exacta del tiempo de llegada del pulso

reflejado (tiempo de vuelo). Los llamados errores de tiempo de vuelo son causados por variaciones en la intensidad de la señal retornada debido a cambios en las propiedades reflectivas de los objetos (dos objetos diferentes tienen propiedades reflectivas diferentes). Estas diferencias en la intensidad de la señal retornada influyen el tiempo de llegada del pulso detectado, en el caso de un nivel fijo de detección podría parecer que los objetos están más cerca. Por esta razón, discriminadores de tiempo

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basados en fracciones constantes son típicamente empleados para establecer el umbral detector en alguna fracción específica del valor pico del pulso recibido. - Inexactitud en el hardware empleado para la medición del tiempo de

vuelo. Debido a la relativamente lenta velocidad del sonido en el aire, comparada con la de la luz, los sistemas basados en acústica, no requieren una electrónica sofisticada para la medición del tiempo de vuelo. Esta es una característica que los hace menos costosos. Por el contrario, la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas (casi o igual a la de la luz) hace que los sistemas basados en óptica o RF requieran un hardware de control y medida mas sofisticado y costoso. Por esta razón, los sensores TOF basados en la velocidad de la luz requieren circuitos capaces de generar bases de tiempo y medir tiempos menores a un nanosegundo, para medir distancias con una resolución de 0.3 m. Mas específicamente, si se desea una resolución de un milímetro se requiere una precisión de 3 picosegundos (3x10-12 s), esta capacidad es algo costosa y en ciertas aplicaciones no es rentable, particularmente en la medición de distancias cortas donde se requiere gran exactitud. - Interacción de la onda incidente con la superficie del objeto. Cuando la luz, el sonido, o las ondas de radio chocan con un objeto, cualquier eco detectado representa solo una pequeña porción de la señal original. La parte de energía reflejada es disipada en todas las direcciones y puede ser absorbida o pasar a través del objeto, dependiendo de las características de la superficie y el ángulo de incidencia de la onda. Puede ocurrir que, la energía absorbida por el objeto sea tal que la intensidad de la señal reflejada no sea suficiente para detectar el objeto; el ángulo del transmisor con respecto a la superficie hace que el eco se detecte después de varias reflexiones por distintos objetos, aumentando el tiempo de vuelo y la distancia medida; o el ángulo es tal que la señal es reflejada fuera del alcance del receptor. 2.2 Sistemas TOF ultrasónicos Los sistemas TOF ultrasónicos son la técnica más común empleada en sistemas de robótica móvil en interiores, gracias a su bajo costo comparado con los demás sistemas TOF y su fácil interface. Desde la década pasada, se han realizado muchas investigaciones sobre su aplicación en modelado de ambientes, para evitar colisiones, estimar una posición, y detección de movimiento. Mas recientemente se ha comenzado a investigar la efectividad de los sensores de ultrasonido en ambientes exteriores. En la industria automotriz, BMW incorpora un sistema TOF ultrasónico que utiliza cuatro sensores, uno en cada esquina del automóvil, en su sistema para control de distancia de parqueo.

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2.2.1 Sistema detector de proximidad Polaroid El sistema detector de proximidad de Polaroid es un sistema TOF, que en un comienzo fue desarrollado por Polaroid para enfocar cámaras automáticamente, éste determina la distancia a un objeto midiendo el tiempo transcurrido entre la transmisión de una onda de ultrasonido y la detección de su eco. Es el sistema más nombrado en la literatura de robótica móvil, y en general el más usado en este tipo de aplicación gracias a su fácil interface, ya que Polaroid ha hecho la mayoría del trabajo incorporando: conversión DC-DC, bloqueo (blanking), amplificación de ganancia escalonada, y acondicionamiento de la señal, en un sistema que opera a 5V. La configuración más básica, la utilizada en este proyecto, consiste de dos componentes: 1) Módulo de medida Polaroid 6500, 2) el transductor de ultrasonido. 2.2.1.1 Módulo de medida Polaroid 6500 La serie 6500 es un módulo económico de determinación de distancia mediante sonar que puede manejar todos los transductores electrostáticos de Polaroid sin una interface adicional. Este módulo es capaz de medir distancias desde aproximadamente 15 cm (6 in) a 10,6m (35 ft), con una precisión absoluta de ±1% sobre todo el rango. En la figura 2.1 se observa una foto del módulo de medida Polaroid 6500 con sus dimensiones y ubicación de los componentes, y en la figura 2.2 su diagrama esquemático. 2.2.1.2 Teoría de operación El módulo de determinación de distancia mediante sonar serie 6500 tiene básicamente dos modos de operación: eco único y eco múltiple. La alimentación (Vcc), la entrada que inicializa el sensado (INIT), la salida que indica la detección de un eco (ECHO), y el uso de la entrada de inhibición de bloqueo (Blanking Inhibit input (BINH)) son básicamente los mismos para ambos modos de operación. Después de aplicar la alimentación (Vcc) se debe esperarse mínimo 5 milisegundos antes de que la entrada INIT pueda ser activada, es el tiempo necesario para que el oscilador y circuitos internos se estabilicen. Cuando INIT se coloca en alto, el transductor es excitado por 16 pulsos de 400 V de amplitud a 49.4 KHz a través de la salida XDCR, entonces la transmisión ocurre. Al final de los 16 pulsos, el transductor queda polarizado a 200 VDC. Como referencia, el oído humano puede escuchar sonidos en un rango de 20 Hz a 20 KHz, por lo tanto éste de 49.4 KHz generado por el transductor no puede ser escuchado por nosotros, sin embargo se escucha un “click” cuando el transductor inicia la transmisión. En las tablas 2.1 y 2.2 se indican las condiciones de operación recomendadas y las características eléctricas del módulo de determinación de distancia mediante sonar serie 6500.

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a)

b)

Figura 2.1 a) Foto del módulo de medida Polaroid 6500. b) Sus dimensiones y ubicación de los componentes.

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Figura 2.2 Diagrama esquemático del módulo de medida Polaroid 6500. El transductor es especialmente sensible a sonidos cercanos a los 50KHz como los que él genera, por esta razón, para evitar que las vibraciones del transductor al generar la señal sean detectadas como una señal de retorno, la entrada recibir (REC) del circuito integrado de control de medida es inhibida por un periodo de 2.38 milisegundos después de iniciada la señal. Si se desea un tiempo de inhibición menor, se debe poner en alto la entrada BINH para terminar el bloqueo de la entrada REC antes de los 2.38 milisegundos. Este intervalo de bloqueo determina el menor tiempo permitido para la detección de un eco y por consiguiente la mínima distancia que puede ser detectada, el valor por defecto de 2.38 milisegundos corresponde a una distancia de 40.5 cm. La señal se mueve radialmente fuera del transductor a través del aire, aproximadamente a la velocidad del sonido 343.2 m/s (a 20°C), por lo que su energía se va decrementando de forma 1/d2. Para lograr una mayor sensibilidad, desde que el ciclo de sensado es iniciado colocando INIT en alto, la ganancia del amplificador es incrementada exponencialmente (∼d2) en tiempos discretos (figura 2.3). La máxima ganancia se obtiene aproximadamente a los 38 milisegundos, por esta razón, no hay suficiente ganancia para medir objetos más lejanos de 10,5 metros. En el modo de operación eco único (figura 2.4), todo lo que hay que hacer es esperar el retorno de la señal transmitida, la señal que llega es amplificada y una vez el módulo de medición detecte suficientes ciclos de la señal retornada coloca en alto la salida ECHO para indicar que se recibió un eco.

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Tabla 2.1 Condiciones de operación recomendadas

Tabla 2.2 Características eléctricas del módulo de medida Polaroid 6500

Mínimo Máximo

Voltaje de alimentación Vcc 4,5 V 6,8 VVoltaje de entrada para nivel alto VIH en BLNK, BINH, INIT 2,1 VVoltaje de entrada para nivel bajo VIL en BLNK, BINH, INIT 0,6 VSalida de voltaje en ECHO y OSC 6,8 VTiempo de espera entre el encendido y poner INIT en alto 5 msPeriodo de estabilización entre ciclos 80 msVoltaje de cualquier pin a tierra 7 VVoltaje de cualquier pin excepto XDCR a Vcc -7 V 0,5 V

Temperatura de operación al aire libre TA 0oC 40oCTemperatura de almacenamiento -40oC 85oC

CONDICIONES DE OPERACIÓN RECOMENDADAS

Parámetro Condición de prueba

Valor típico

Máximo

Corriente de entrada en BLNK, BINH, INIT VI = 2,1V 1 mA

Corriente de salida en nivel alto, I OH

en ECHO, OSCVOH = 5,5 V 100 uA

Voltaje de salida en nivel bajo, VOL

en ECHO, OSCIOL = 1,6 mA 0,4 V

Voltaje de polarización del transductor TA = 25oC 200 V

Voltaje de salida del transductor (pico a pico) TA = 25oC 400 V

Numero de ciclos para que la salida XDCR se carge a 400 V

C = 500 pF 7

Intervalo de bloqueo (blanking) interno 2,38 ms

Frecuencia durante el periodo de transmisión de los 16 pulsos, en OSC y XMIT

49,5 KHz

Frecuencia despues del periodo de transmisión de los 16 pulsos, en OSC y XMIT

93,3 KHz

Corriente que consume durante el periodo de transmisión, Icc

2 A

Corriente que consume despues del periodo de transmisión, Icc

100 mA

CARACTERISTICAS ELECTRICAS DEL MODULO POLAROID SERIE 6500

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Figura 2.4 Ejemplo de un ciclo en el modo de operación eco único, sin entrada de inhibición de bloqueo

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 110.1

0.2

0.4

0.71

2

4

710

20

40

70100

PASOS DE GANANCIA

GA

NA

NC

IA D

EL

RE

CE

PT

OR

Figura 2.3 Ganancia del receptor Vs pasos de ganancia

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El tiempo entre poner INIT en alto y detectar que ECHO se coloca en alto es proporcional a la distancia recorrida por la señal. El ciclo puede ser repetido retornando INIT a bajo (cero lógico) y volviéndola a colocar en alto cuando se desee la siguiente transmisión. El modo de operación eco múltiple (figura 2.5) se utiliza cuando hay varios objetos y se busca detectar sus múltiples ecos a partir de una sola transmisión. El ciclo en este modo de operación es un poco diferente, después de recibir la primera señal retornada que cause que la salida ECHO se ponga en alto, la entrada de bloqueo (BLNK) se debe colocar en alto para hacer que la salida ECHO regrese a nivel bajo, y este lista para indicar la detección del siguiente eco. La señal de inhibición de bloqueo debe tener una duración mínima de 0.44 milisegundos, en los que se considera el retorno de los 16 pulsos emitidos y la estabilización del sistema. Este tiempo corresponde a dos objetos separados 7.5 cm.

Figura 2.5 Ejemplo de un ciclo en el modo de operación eco múltiple, con entrada de inhibición de bloqueo

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2.2.1.3 Interface con microcontroladores La interface del módulo 6500 con un microcontrolador no es difícil. En el modo de operación eco sencillo simplemente se requieren dos líneas, una salida para INIT, y una entrada para recibir ECHO. En este modo, BINH y BLNK están conectadas a tierra para permanecer en bajo durante todo el ciclo de medida. En el modo de operación eco múltiple, cuando se quiere hacer una inhibición de bloqueo propia, se necesita tener dos salidas del microcontrolador conectadas a las entradas del módulo BLNK y BINH, teniendo un total de cuatro líneas usadas. La tarjeta del módulo 6500 puede ser conectada directamente a los pines de la mayoría de microcontroladores, incluyendo PIC, 68HC11 y BasicX. La única excepción es la salida ECHO, que por ser tipo colector abierto necesita una resistencia externa pull-up de 4.7 KΩ para trabajar apropiadamente. 2.2.1.4 Requerimientos de la fuente de alimentación El módulo de medida Polaroid 6500 requiere una fuente de alimentación DC capaz de suministrar un voltaje entre 4.5 V y 6.8 V con capacidad de suministrar corrientes superiores o iguales a 2 A. Cuando no esta operando el módulo 6500 consume 100 mA (ver tablas 2.1 y 2.2). Cuando esta operando, durante el periodo de transmisión, el consumo se eleva súbitamente a 2 A. Este salto en el consumo puede hacer un reset en los microcontroladores o causar daños en los circuitos conectados a la misma fuente, para evitar esto Polaroid sugiere colocar un capacitor de 500 µF entre los pines de alimentación del módulo. Un microprocesador que este conectado a la misma fuente de alimentación del módulo 6500 puede generar e inducir ruido digital que puede requerir el uso de un choke de RF o "Hash Choke" para aislar el módulo de cualquier ruido. 2.2.1.5 Consideraciones sobre el ruido Uno de los problemas más comunes cuando se conecta la tarjeta del módulo Polaroid a un microcontrolador es el ruido en la línea BINH. Esta línea es muy sensible al ruido cuando esta conectada a tierra lejos del conector del cable plano. Como resultado de este ruido la salida ECHO puede colocarse en alto después de finalizar el intervalo de bloqueo, por lo que no se detecta la distancia al objeto. Cuando no se esta en el modo de operación eco múltiple y BINH no se este usando, este problema se puede evitar conectando directamente la salida BINH del chip digital en la tarjeta del módulo (ver figura 2.2 chip referencia TL851) a tierra. Como el chip digital esta ubicado sobre una base para circuitos integrados, solo se necesita hacer un puente entre el pin3 (GND) y el pin 15 (BINH), y dejar sin conectar la línea BINH en el conector del cable plano. Otra sugerencia para evitar este problema es aislar la línea ECHO del posible ruido en la línea V+, conectando directamente un condensador de 1µF al respaldo de la tarjeta del módulo entre el pin 1 (GND) y pin 9 (V+) en el conector del cable plano.

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2.2.1.6 Seleccionando un transductor Polaroid ofrece tres opciones de transductores, se manejan de la misma forma y son ligeramente diferentes.

Figura 2.6 Vista frontal y por detrás de los transductores serie 9000, Instrument grade y serie 7000, de izquierda a derecha respectivamente

El transductor básico, el cual es el mas usado en proyectos de robótica, es el Instrument Grade Transducer, es para propósitos generales y es bastante preciso. Otra elección común es el transductor serie 7000, es un poco más económico que el Instrument Grade Transducer, es más pequeño que este y su patrón de radiación es ligeramente más ancho. Es una buena elección en diseños que buscan usar un solo transductor, gracias a que tiene un patrón de radiación más largo puede ser usado más eficientemente en robots que no cuenten con una cabeza rotatoria. Finalmente, el transductor serie 9000 ofrece un patrón de radiación ovalado y esta diseñado para resistir ambientes rigurosos donde puede estar expuesto al agua, arena, sal, etc. La serie 9000 tiene un pico de respuesta de frecuencia cercano a 45KHz y una impedancia diferente a los otros dos, por lo que el módulo de medida 6500 requiere algunas modificaciones si se quiere usar con él. En la figura 2.6 se muestra una foto de los tres transductores ofrecidos por Polaroid. El escogido para este proyecto fue el Instrument Grade Transducer, por ser apropiado para las características del proyecto y por ser su uso e l más difundido en proyectos de robótica consultados por Internet, en especial los que cuentan con una cabeza rotatoria como el desarrollado, lo cual permitió encontrar bastante información de pruebas y experimentos en que apoyarse. Una foto más cercana y sus dimensiones se presentan en la figura 2.7. En la tabla 2.3 se indican las especificaciones del Instrument Grade Transducer para su correcta operación y en las figuras 2.8 y 2.9 las gráficas de respuesta típica en transmisión, respuesta típica en recepción en espacio libre y patrón de radiación típico a 50 KHz.

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a)

b)

Figura 2.7 Instrument Grade Transducer a) Vistas frontal y por detrás ampliadas b) Dimensiones

Tabla 2.3 Especificaciones del Instrument Grade Transducer para

su correcta operación

Sensibilidad mínima transmitiendo a 50 kHz 300 vac pk-pk, 150 vdc de polarización (dB re 20 uPa a 1 metro)

110 dB

Sensibilidad mínima recibiendo a 50 kHz 150 vdc de polarización (dB re Iv/Pa)

-42 dB

Voltaje DC de polarización sugerido 150 VVoltaje AC de manejo sugerido 150 V

Máximo voltaje combinado 400 VCapacitancia típica a 1kHz 150 vdc de polarización 400 - 500 pF

Condiciones de operación: Temperatura Humedad relativa

0o - 60oC 5% - 95%

ESPECIFICACIONES

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a)

b)

Figura 2.8 a) Respuesta típica en transmisión b) Respuesta típica en recepción en espacio libre

Respuesta típica en transmisión

Respuesta típica en recepción en espacio libre

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Figura 2.9 Patrón de radiación típico a 50 KHz 2.2.1.7 Precauciones Cuando el transductor esta transmitiendo el voltaje en sus terminales es de 400 V, después de la transmisión queda con una polarización DC de 200 V en el transductor, por lo que se debe tener cuidado y evitar tocar ambos terminales con las manos o cortocircuitarlos mientras el módulo 6500 este en operación. La corriente es baja, y aunque la persona no se lastime, sentira una sacudida. Si los terminales del transductor estan en corto circuito en el momento de la transmisión, en el módulo 6500 se daña el circuito que controla en transductor, por esta razón hay que cuidar que ninguna parte metálica haga contacto con la parte de atrás del transductor. Los chips de la tarjeta del módulo 6500 resultaran afectados si se conectan las lineas de alimentación al reves. El chip digital viene montado sobre una base y es sencillo cambiarlo pero el chip análogo esta soldado a la tarjeta por lo que es mas complicado de cambiar. 2.2.2 Módulo detector de proximidad SRF08 El módulo SRF08 consiste en un medidor ultrasónico de distancias de bajo costo desarrollado por la firma DEVANTECH Ltd. Emplea un microcontrolador PIC16F872 que realiza todas las funciones de control e interface, dos cápsulas ultrasónicas de 40KHz y una célula LDR capaz de proporcionar una medida de luz ambiente. Una foto de este se muestra en la figura 2.10.

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Figura 2.10 Foto del módulo SRF08, vista frontal y posterior. Las principales características del SRF08 son: • Rango máximo de distancia hasta 6 m • El SRF08 se controla desde un bus I2C estándar, por lo que se pueden

gobernar varios módulos empleando 2 únicas conexiones. • El consumo es reduce a 3 mA en standby y 15mA en funcionamiento • Es capaz de medir diferentes ecos recibidos por la señal ultrasónica que puede

rebotar contra uno o varios objetos a diferentes distancias. • Tanto la ganancia de los amplificadores internos como e l rango de mediadas

es ajustable por el usuario • Dispone de una célula LDR que permite realizar medidas de luz ambiente. • Ofrece una lectura directa que se puede representar en centímetros, pulgadas

o micro segundos. • Un diodo led en la parte posterior del módulo genera un código de

intermitencias que expresa la dirección I2C actual del módulo así como el inicio de una nueva medida.

La comunicación con el módulo SRF08 se realiza según el protocolo I2C, disponible en la mayor parte de los microcontroladores actuales aunque también puede ser implementado por software. La comunicación se realiza de la misma manera que con cualquier otro dispositivo I2C. La dirección del módulo es, por defecto, la 0xE0, aunque existe la posibilidad de que el usuario cambie esta dirección por cualquiera de las siguientes 16: 0xE0, 0xE2, 0xE4, 0xE6, 0xE8, 0xEA, 0xEC, 0xEE, 0xF0, 0xF2, 0xF4, 0xF6, 0xF8, 0xFA, 0xFC o 0xFE. Esto permite controlar hasta 16 módulos SRF08 con un mismo bus (2 líneas). Además de estas 16 direcciones, todos los módulos responden a la dirección 0x00 de llamada general. Esto permite escribir un determinado comando en esa dirección que inicie una nueva medida en todos los módulos SRF08 disponibles en el bus, al mismo tiempo. Posteriormente, la medida de cada módulo se lee de forma individual, indicando su dirección particular. La figura 2.11 muestra el diagrama de tiempos que permite el acceso de cualquiera de los registros internos del módulo SRF08. Toda comunicación comienza con el bit de inicio. A continuación se envía la dirección del módulo

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Nº registro Modo lectura Modo escritura0 – 0x00 Se lee la revisión actual del firmware interno Registro de comandos1 – 0x01 Valor del sensor de luz ambiente Registro de ganancia2 – 0x02 Byte alto del 1er. eco recibido Registro de rango3 – 0x03 Byte bajo del 1er. eco recibido No disponible

· · · · · · · · ·34 - 0x22 Byte alto del eco Nº 17 recibido No disponible35 - 0x23 Byte bajo del eco Nº 17 recibido No disponible

deseado (o la 0x00 de llamada general) en modo escritura. Seguidamente se transmite la dirección o número de registro interno al que se quiere acceder. En este punto se vuelve a generar un bit de inicio y a mandar la dirección del módulo pero en modo de lectura. Acto seguido se empieza a recibir el contenido de los registros internos a partir del indicado. Cuando se reciba el último byte deseado, se debe transmitir el bit NACK (“1”) y el bit de stop.

Figura 2.11 Diagrama de tiempos que permite el acceso de cualquiera de los registros internos del módulo SRF08.

2.2.2.1 Registros internos El significado de los 36 registros internos que dispone cada módulo SRF08 se describe en la tabla 2.4.

Tabla 2.4 Descripción de los registros internos de SRF08. Los únicos registros que pueden ser escritos corresponden a los de las posiciones 0, 1 y 2. La posición 0 es el registro de comandos. Cada vez que se escribe un comando sobre el mismo, el módulo SRF08 inicia una nueva medida ultrasónica. Si se lee esta posición no se lee el último comando ejecutado, sino la versión del firmware interno del propio módulo. La posición 1 es, en el modo de escritura, el registro de ganancia, donde se puede variar el factor de amplificación interno del SRF08. Cuando se lee esta posición, se lee el valor procedente del sensor de luz ambiente (LDR) disponible en el

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Dec. Hex.80 0x50 Modo de medición, el resultado se ofrece en pulgadas81 0x51 Modo de medición, el resultado se ofrece en centímetros82 0x52 Modo de medición, el resultado se ofrece en micro segundos83 0x53 Modo ANN, el resultado se ofrece en pulgadas84 0x54 Modo ANN, el resultado se ofrece en centímetros85 0x55 Modo ANN, el resultado se ofrece en micro segundos160 0xA0 Cambio de la dirección I2C, 1ª secuencia170 0xAA Cambio de la dirección I2C, 2ª secuencia165 0xA5 Cambio de la dirección I2C, 3ª secuencia

COMANDO DESCRIPCION

módulo SRF08. Este valor se actualiza cada vez que finaliza la ejecución de un comando. La posición 2 en el modo de escritura corresponde al registro de rango, en este se puede establecer el rango de medidas que se desea realizar. En el modo de lectura este registro, junto con el de la posición 3, contienen la parte alta y baja del valor del primer eco recibido. La unidad de medida con la que se representa este eco depende del comando empleado y puede expresar pulgadas, centímetros o tiempo empleado por el haz ultrasónico en hacer el recorrido de ida y vuelta (en µS). Si se lee el valor 0 indica que no se ha detectado ningún objeto. Las 32 posiciones, de la 4 hasta la 35, son únicamente de lectura. Expresan 16 valores de 16 bits (1º byte alto y 2º byte bajo) que corresponden con la medida de otros 16 ecos recibidos desde objetos mas distantes. 2.2.2.2 Comandos El registro de comandos admite un total de 9 códigos diferentes con los cuales se realiza una determinada operación. Estos se resumen en la tabla 2.5.

Tabla 2.5 Resumen de lo 9 comandos admitidos por el SRF08.

2.2.2.3 Modo de medición Para realizar una nueva medida se escribe uno de estos códigos sobre el registro de comandos, se espera el tiempo necesario para completar el comando y, finalmente, se lee el resultado desde cualquiera de las posiciones que representan el buffer con los diferentes ecos recibidos (posiciones 2-35). Estas posiciones (buffer) se ponen a 0 cada vez que se inicia una nueva medida. El primer eco recibido se almacena en las posiciones 2 y 3, el segundo en las 4 y 5, etc. Se recogen un total de 17 posibles ecos. Si las posiciones correspondientes a un determinado eco valen 0, los siguientes ecos también lo valdrán. El análisis de los 17 ecos posibles permite hacer un análisis del objeto detectado frente al módulo SRF08.

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Posición 4 Posición 5 Posición 6 Posición 70 – 352mm 352 – 705 mm 706 – 1057mm 1058 – 1410mm

El tiempo recomendado y por defecto entre una medida y la siguiente es de 65 mS. Este tiempo se puede reducir escribiendo un valor distinto en el registro de rango (posición 2) antes de realizar una nueva medida. Cuando finaliza la medida en curso también se actualiza el valor captado por la célula LDR y que mide la luz ambiente. Dicho valor se puede leer desde la posición 1. El tiempo mínimo que se debe emplear entre una medida y la siguiente es de 65mS. De todas formas, cuando el módulo SRF08 se encuentra ocupado, no responde a ninguna transferencia ni comando enviado vía I2C. No es necesario por tanto esperar los 65mS. Se puede tratar de realizar una transferencia que, si el módulo no responde o nos devuelve 0xFF, es porque se encuentra ocupado realizando la medida anterior. 2.2.2.4 Modo ANN El modo ANN (Artificial Neural Network, Red Neuronal Artificial) está diseñado para proporcionar datos procedentes de múltiples ecos y aplicarlos de forma sencilla en una red neuronal. El modo ANN proporciona un buffer de 32 bytes (posiciones 4 a la 35 inclusive) donde cada byte representa un lapsus de 2048µS, que hacen un total de 65536µS. Este tiempo es el máximo necesario para que el haz ultrasónico recorra una distancia de ida y vuelta de unos 11m. Por su parte, cada lapsus de 2048µS corresponde a una distancia de 352mm. Si se recibe un eco cuyo tiempo es igual o mayor que ese lapsus, las posiciones correspondientes adquieren un valor distinto de 0. Por ejemplo, si un objeto está a 3m (3000mm) las posiciones de la 4 a la 12 adquieren un valor distinto de 0, ya que 3000/352 = 8 + 4 =12. El resto de posiciones del buffer quedan a 0. Es una forma sencilla de enviar a una red neuronal artificial los datos obtenidos en una determinada medida. Cada byte del buffer distinto de 0 representa una distancia de 0 a 352mm, como se resume en la siguiente tabla: En cualquier caso las posiciones 2 y 3 contienen la distancia medida respecto al objeto. Esta distancia se expresa en pulgadas, centímetros o micro segundos según el comando elegido. 2.2.2.5 Cambio de dirección I2C La dirección I2C por defecto del módulo SRF08 es la 0XE0. Con objeto de que en un mismo bus puedan conectarse varios módulos, es imprescindible que cada uno tenga una dirección I2C diferente.

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Dec. Hex.224 0xE0 1 0226 0xE2 1 1228 0xE4 1 2230 0xE6 1 3232 0xE8 1 4234 0xEA 1 5236 0xEC 1 6238 0xEE 1 7240 0xF0 1 8242 0xF2 1 9244 0xF4 1 10246 0xF6 1 11248 0xF8 1 12250 0xFA 1 13252 0xFC 1 14254 0xFE 1 15

DIRECCION Intermitencias largas

Intermitencias cortas

Para proceder a cambiar la dirección I2C de un módulo es necesario que sólo haya uno conectado al bus en cada momento y escribir sobre el mismo una secuencia de 4 comandos en el orden apropiado. Por ejemplo, para cambiar la dirección actual de un módulo SRF08 (0xE0 por defecto) por la dirección 0xF2, se escribe la siguiente secuencia sobre el registro de comandos: 0xA0, 0xAA, 0xA5, 0xF2. El módulo queda configurado con la nueva dirección I2C y se recomienda etiquetarlo. En cualquier caso, si el usuario olvidara la nueva dirección actual, el módulo la indica mediante una serie de intermitencias del led que hay en su parte posterior, siempre que se conecta la alimentación del mismo. Este código de intermitencias se muestra en l tabla 2.6.

Tabla 2.6 Código de intermitencias del SRF08.

2.2.2.6 Ajuste del rango El máximo rango de medida del SRF08 queda determinado por un timer interno. Por defecto este timer es de 65mS que equivale a una distancia de unos 11m, lo cual es mucho mas de l enunciado en sus características técnicas. Es posible reducir el tiempo de espera del eco y con ello el rango de medida, escribiendo el valor apropiado sobre el registro de rango de la posición 2. Este rango se ajusta en pasos de 43mm hasta los 11m. El rango total de medida se obtiene de multiplicar por 43 el valor actual del registro de rango y sumarle 43 ((Registro_Rango x 43)+43). Si el registro vale 0x00, el rango de medida es de 43mm. Si vale 1, el rango aumenta hasta 86mm. Los valores mas utilizados son de 24 (0x18) cuyo rango es de 1 m y de 140

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(0x8C) que corresponde a 6m. Con el valor 255 (0xFF) se establece el rango original de 11m (65mS). El reducir el rango es una forma mas rápida de obtener el resultado de una medida y permite hacer mas medidas por unidad de tiempo (menos tiempo entre una medida y la siguiente). Si se reduce el rango es posible que también haya que reducir la ganancia de los amplificadores internos. Cada vez que se conecta la alimentación el módulo se ajusta por defecto al máximo rango, si se desea un rango diferente se debe ajustar como parte de la inicialización del sistema. 2.2.2.7 Ajuste de la ganancia Los amplificadores internos del módulo SRF08 pueden trabajar con una ganancia variable mediante un potenciómetro digital. El registro de ganancia permite ajustar la ganancia máxima de estos amplificadores. Basta escribir el valor deseado sobre la posición 1. Durante una medida la ganancia de los amplificadores empieza con el valor mínimo (94). Este se incrementa en intervalos de 70µS hasta la máxima ganancia posible, de forma que, a más tiempo más distancia recorrida, y de aquí la necesidad de una amplificación mayor para la cada vez más débil señal de eco recibida. La máxima ganancia posible se alcanza alrededor de los 390mm. El propósito de poder ajustar la ganancia máxima no es otro que el poder realizar medidas mas rápidas que 65mS (11m) para distancias mas cortas. Una nueva medida se realiza cuando la anterior ha sido finalizada y leída. En distancias muy cortas existe el riesgo de que la segunda medida se corresponda con el eco de la medida previa, proporcionando una falsa lectura. Para evitar esta posibilidad se puede reducir la ganancia para limitar la sensibilidad del módulo. La modificación de la ganancia únicamente tiene efecto cuando se trabaja en el modo de medición. Si se trabaja en el modo ANN, la ganancia se controla automáticamente. El registro 1 donde se almacena la ganancia se inicia, por defecto, con la máxima ganancia cada vez que se conecta la alimentación. Si se van a realizar medidas de distancias largas o con intervalos de una medida a otra superior a los 65mS, no es necesario modificar el registro de rango ni el de ganancia del valor que adquieren por defecto. En la siguiente tabla 2.7 se resumen los distintos valores posibles para la ganancia máxima. Se observa que la relación entre el contenido del registro de ganancia (posición 1) y la ganancia actual, no es lineal. También hay que destacar que no existe una fórmula mágica que relacione la ganancia con el rango. Todo ello depende del tamaño, la forma y el material del objeto detectado, así como del entorno que le rodea. Se sugiere jugar con diferentes ajustes hasta obtener el resultado esperado. Si aparece alguna lectura falsa es posible que sea debida a falsos ecos de medidas previas. Lo más fiable en estos casos es volver a realizar medidas cada 65mS de rango con la máxima ganancia. Se recuerda que

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Dec. Hex.0 0x00 941 0x01 972 0x02 1003 0x03 1034 0x04 1075 0x05 1106 0x06 1147 0x07 1188 0x08 1239 0x09 12810 0x0A 13311 0x0B 13912 0x0C 14513 0x0D 15214 0x0E 15915 0x0F 16816 0x10 17717 0x11 18718 0x12 19919 0x13 21220 0x14 22721 0x15 24522 0x16 26523 0x17 28824 0x18 31725 0x19 35226 0x1A 39527 0x1B 45028 0x1C 52429 0x1D 62630 0x1E 77731 0x1F 1025

Registro ganancia Ganancia máxima

estos son los valores por defecto que adquieren tanto el registro de ganancia como el de rango, cada vez que se conecta la tensión de alimentación del módulo.

Tabla 2.7 Valores de ganancia que pueden ser fijados. 2.2.2.8 El sensor de luz El módulo SRF08 dispone de una célula LDR a modo de sensor de luz ambiente. La lectura de la intensidad se realiza desde el registro de la posición 1 cuyo contenido se actualiza cada vez que se inicia y finaliza una nueva medida, bien sea en el modo de medición como en el modo ANN. A una mayor intensidad de luz le corresponde un mayor valor. Este oscila entre 0x02 con oscuridad total y 0xF8 con intensidad máxima.

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PARAMETRO VALOR UNIDADDimensiones del circuito 43 x 20 x 17 mmTensión de alimentación 5 VccFrecuencia de trabajo 40 KHzRango máximo 6 mRango mínimo 3 cmGanancia variable en 32 pasos 94 – 1025Sensor de luz en la cara anterior del móduloCapaz de medir hasta 17 señales de ecoDevuelve la lectura en pulgadas, centímetros o micro segundosConexión con bus I2C estándar

+5Vcc Tensión positiva de alimentación

SDA Línea de E/S de datos correspondiente al bus I2C

SCL Línea de entrada de la señal de reloj del bus I2C

N.C.

Línea sin conexión. Se emplea en la fase de fabricación y comprobación del propio módulo. No conectar nada.

GND Tierra de alimentación.

2.2.2.9 Características técnicas Las principales características técnicas del sensor SRF08 se muestran el la tabla 2.8.

Tabla 2.8 Características técnicas del sensor SRF08. El módulo emplea tan sólo 4 conexiones que se pueden realizar soldando directamente 4 cables o bien mediante un conector de 5 vías. Estas se muestran en la figura 2.12.

Figura 2.12 Conexionado del sensor SRF08. El módulo SRF08 viene perfectamente ajustado y calibrado de fábrica, por lo que no necesita de ningún tipo de ajuste externo. Los únicos ajustes son, como ya se ha explicado, el ajuste del rango, de calibración y el cambio de la dirección I2C. El módulo SRF08 es capaz de proporcionar información acerca de la distancia que hay entre el propio módulo y un objeto. También es capaz de medir la luz ambiente. Las aplicaciones son numerosas, cito unas cuantas a modos de ejemplo:

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Unidades en mm

• Aplicaciones de control conde se deba actuar en función de la distancia o tamaño de objetos diversos.

• Alarmas activadas cuando el intruso se aproxima a una determinada distancia.

• Medición de luz ambiente. • Robótica en donde es necesario que se actúe en función de la distancia que

separa al robot de cualquier otro objeto. 2.3 Sensores infrarrojos GP2D12 y GP2D120 Los sensores infrarrojos GP2D12 y GP2D120 son fabricados por Sharp, pertenecen a la familia GP2XXX cuyas características más importantes son: ♦ Menor influencia del color de objetos reflectivos (reflectividad) que la de otros

sensores comerciales ♦ Información de distancia análoga (Voltaje) en los GPD12 y GP2D120, e

información digital en otras referencias ♦ No necesita circuito de control externos ♦ Bajo costo

Figura 2.13 Dimensiones de los sensores GP2D12 y GP2D120

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Vol

taje

de

salid

a V

o [

V ]

Distancia al objeto L [ cm ]

Gris

Blanco

En la figura 2.13 se muestran las dimensiones de los sensores, su encapsulado tiene dos orificios de sujetación y sostiene los leds emisor-detector a una distancia fija. La curva de voltaje de salida Vo vs. L distancia del sensor al objeto se presenta en la figura 2.14. En esta se observa como entre un papel blanco y uno gris con diferentes grados de reflectividad, no hay mucha diferencia en la curva del voltaje de salida. El valor de Vo es actualizado cada 32 ms aproximadamente.

Figura 2.14 Curva Voltaje de salida Vo vs. L Distancia al objeto del sensor GP2D12

2.4 Descripción de los microcontroladores PIC 16F84A y

PIC 16F877A Estos microcontroladores fabricados por la empresa Microchip pertenecen a las familias PIC16F8X y PIC16F8XX las cuales se caracterizan por contar con: Características del PIC 16F84A CUP tipo RISC de alto rendimiento ♦ Opera máximo a una velocidad de 20 MHz, cuatro ciclos de reloj para un ciclo

de instrucción, lo que da 200 ns mínimo por ciclo de instrucción ♦ 35 instrucciones de 14 bits, todas duran 1 ciclo de instrucción, excepto las

que involucran saltos en el programa que duran dos ciclos de instrucción ♦ Memoria programable de 1792 bytes, representados en 1024 x 14 palabras de

código

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♦ Memoria RAM de 68 bytes ♦ Memoria EEPROM (Electrical Eraseable Programing Read Only Memory) de

datos de 64 bytes. ♦ 15 registros de hardware para funciones especiales ♦ Pila (stack) en hardware con 8 niveles de profundidad ♦ Direccionamiento directo, indirecto y relativo ♦ Cuatro fuentes de interrupción: § Interrupción externa en el pin RB0/INT § Desbordamiento en el temporizador TMR0 § Cambio de estado en los pines <4:7> del PORTB § Función de escritura en la memoria EEPROM de datos

Periféricos ♦ 13 pines de entrada/salida con control individual de dirección ♦ Alta corriente de sink/source para manejo directo de LED’s § 25 mA máximo sink por pin § 25 mA máximo source por pin § TMRO: temporizador/contador de 8 bits con preescalizador programable de 8

bits El encapsulado de este PIC es de 18 pines, como se puede observar en la figura 2.15, en la cual se muestran los nombres característicos de cada uno de ellos.

Figura 2.15 Microcontrolador PIC 16F84A Características del PIC 16F877A CUP tipo RISC de alto rendimiento ♦ Opera máximo a una velocidad de 20 MHz, cuatro ciclos de reloj para un ciclo

de instrucción, lo que da 200 ns mínimo por ciclo de instrucción

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♦ 35 instrucciones de 14 bits, todas duran 1 ciclo de instrucción, excepto las que involucran saltos en el programa que duran dos ciclos de instrucción

♦ 8K de memoria programable ♦ Memoria RAM de 368 bytes ♦ Memoria EEPROM (Electrical Eraseable Programing Read Only Memory) de

datos de 256 bytes. ♦ Pila (stack) en hardware con 8 niveles de profundidad ♦ Direccionamiento directo, indirecto y relativo ♦ 14 fuentes de interrupción ♦ Watchdog Timer (WDT) ♦ Power -on Reset (POR) y Power –up Timer (PWRT) ♦ Protección de código programable

Periféricos ♦ Un 8 bit timer/counter con 8 bit preescaler ♦ Un 16 bit timer/counter con 16 bit preescaler ♦ Un 8 bit timer/counter con registro de periodo de8 bits ♦ Dos módulos de captura y comparación a 16 bits y PWM con resolución de 10

bits ♦ 8 conversores A/D con resolución de 10 bits ♦ Puerto serial asíncrono con SPI y I2C ♦ Puerto paralelo esclavo de 8 bits El encapsulado de este PIC es de 40 pines, como se puede observar en la figura 2.16, en la cual se muestran los nombres característicos de cada uno de ellos.

Figura 2.16 Microcontrolador PIC 16F877A

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Programación del PIC Para la programación de los microcontroladores se utilizó el software MPLAB que hace parte del sistema de desarrollo PICSTART Plus desarrollado por Microchip. El lenguaje utilizado fue el asembler MPASM.

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DDiisseeññoo EElleeccttrróónniiccoo En éste capítulo se presenta el diseño electrónico del sistema de sensores, sus diferentes circuitos y la forma como éstos van conectados entre sí, a los sensores infrarojos, de ultrasonido y al PC. El hardware del sistema lo constituyen tres módulos diseñados para cumplir determinada tarea cada uno; se quiso hacer un diseño modular por la flexibilidad que esto ofrece, gracias a que se puede realizar pruebas sobre cada módulo de manera independiente y mejorarlos sin tener que cambiar el diseño en su totalidad. Por ejemplo se podría agregar más sensores o circuitos que realicen otras tareas. Los módulos tienen la capacidad de actuar en conjunto o individualmente, lo que permite utilizarlos en otros proyectos. Los módulos que constituyen el control electrónico son los siguientes :

§ Módulo de alimentación. § Módulo de comunicaciones. § Módulo de sensores.

En la figura 3.1 y 3.2 se muestran el diagrama eléctrico y fotos del sistema.

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Sensores deUltrasonido

SensoresInfrarojos

Circuito deAlimentación

Circuito dePreprocesamiento

Circuito deComunicación

Circuito deAlimentación

Circuito dePreprocesamiento

Circuito deComunicacion

a)

b)

Figura 3.1 Partes del módulo de sensores a) Vista de todos los componentes del módulo de sensores b) Acercamiento de los tres circuitos del módulo de sensores

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C16

C15

PIC 16F877A

VDD

VSS

OSC1

OSC2

VDD

VSS

_____MCLR

C22

C23

C24

C25

C26

C27

C28

C29

+ -

INIT4

ECHO4

INIT3

ECHO3

INIT6

ECHO6

INIT5

ECHO5

INIT2

ECHO2

INIT1

ECHO1

SDASCL+ -A LAS LINEAS DE COMUNICACION

DE LOS SENSORES SRF08

A LOS PINES DE CONTROLDE LOS SENSORES

POLAROID 6500

A LAS SALIDASANALOGAS DE LOS

SENSORES INFRAROJOS

5 V

TX RX GND

Al puerto serialdel PC

CIRCUITO DE ALIMENTACION CIRCUITO DE COMUNICACION

CIRCUITO DE PREPROCESAMIENTO

100µF16 V

470µF25 V

1N4004

C1

C5

+ -

+ -

+ -

+ -

470µF50 V

IN

OUTGND

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

C2 C3 C4

C9

C6 C7 C8

C10 C11

C12 C13 C14

RD7

RD2

RD3

RD4

RD5

RD6

RD0

RD1

RC7

RC2

RC3 RC4

RC5RC6

RC0

RC1

RB7

RB2

RB3

RB4

RB5

RB6

RB0

RB1

RA4

RA5

RA1

RA2

RA3

RA0

RE1

RE2

RE0

XT

22pF

22pF4.7 K

4.7 K

4.7 K

4.7 K

4.7 K

4.7 K

5 V

10µF16 VMAX232

C1+

C1-

C2+

C2-

1

3

4

5

T1INT2IN

111 0

R1OUTR2OUT

129

T1OUTT2OUT

1 47

R2INR1IN 13

8

10µF16 V

10µF16 V

V+

V-

2

6

10µF16 V

10µF16 V

C17

+ -

C19

RX

C18

C21C20

Figura 3.2 Diagrama eléctrico del módulo de sensores

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3.1 Módulo de Alimentación La función de éste módulo es distribuir la alimentación de 5V a los demás módulos del sistema. Este circuito puede ser alimentado directamente por una fuente de 5 V a través del conector C16 conectando tierra al pin GND, la entrada positiva al pin OUT y dejando libre el conector C15, o también a través de un regulador de voltaje LM7805CK cuyo rango de entrada es 7.5V – 25V y salida de 5V, conectado en C16 y alimentando por C15. Estos 5V son distribuidos a los otros dos circuitos empleando cualquiera de los conectores C1 al C8. Los conectores C9 al C14 se emplean para alimentar los sensores de ultrasonido Polaroid 6500, paralelo a estos se conectó un condensador de 470uF 25V entre positivo y negativo con el fin de absorber los picos de consumo de corriente de 2 Amp de los sensores Polaroid durante el sensado 3.2 Módulo de Comunicaciones Este circuito es el encargado de adaptar los niveles de tensión TTL manejados por el PIC (5V es 1 lógico, 0V es 0 lógico) del módulo de preprocesamiento a los niveles manejados por el puerto RS232 (-12V es 1 lógico, 12V es cero lógico) del módulo de control empleado en la silla de ruedas. La comunicación es vía cable y tipo serial RS232 half – duplex a 9600 bps. El diseño de este circuito esta basado en el uso de un integrado MAX232, que es un adaptador de voltaje empleado en comunicaciones de este tipo. Al conector C21 se conectan las líneas de transmisión y recepción provenientes del circuito de preprocesamiento y a C19 se conecta al puerto de la tarjeta PC que conforma el módulo de control. Haciendo empleo de los conectores C18 y C20 de la misma manera pero empleando otras dos líneas del microcontrolador se puede conectar este módulo a otra tarjeta PC o simplemente utilizar estos dos conectores para adaptar señales de comunicación entre otro circuito y un puerto serial. 3.3 Módulo de Sensores El diseño de este módulo esta basado en el uso del microcontrolador PIC 16F877-20 de Microchip, escogido por su versatilidad, capacidad y contar con un módulo de comunicaciones I2C, necesario para controlar los sensores de ultrasonido SFR08 El microcontrolador esta en constante comunicación con el módulo de control del que recibe orden de sensado de determinados sensores, este hace interfaz con los sensores, los controla, interpreta su señal, la preprocesa de tal manera que el módulo de control la reciba de acuerdo a unos parámetros de comunicación

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establecidos en el software de control y por ultimo el circuito de comunicación envía la información al módulo de control. Aunque en definitiva los sensores Polaroid 6500 no fueron empleados en la silla este módulo sigue conservando la capacidad de controlarlos, esto pensando en desarrollos futuros. La programación del microcontrolador esta configurada para que el modo de operación de estos sensores sea eco simple, por lo que se debe colocar sus entradas BINH y BLNK en nivel bajo (cero lógico) conectándolas a GND. La distancia sensada por estos es calculada a partir de la medición del tiempo de vuelo (ver capitulo Conceptos Preliminares sección “Sensor Polaroid 6500”) por el microcontrolador de este módulo. Vale la pena observar que a través de los pines del microcontrolador libres y que se dispusieron en los conectores RD0:RD3, RC5:RC7, RC0:RC2, RA4 se cuenta con capacidad de ampliación de esta módulo. Los puertos de entradas analógicas (puertos A RA0:RA5 y E RE0:RE2) y de comunicaciones I2C (conector C26) pueden ser empleados para controlar cualquier tipo de sensor con salida analógica o I2C, no solo los especificados en este proyecto.

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SSooffttwwaarree ddee CCoonnttrrooll Debido a que la comunicación del sistema esta basada en el estándar RS-232, es relativamente fácil de implementar en un PC (u otro tipo de dispositivo con puerto serial RS-232) programas de control para el sistema. El software para controlar el sistema a través de un PC desarrollado en este proyecto se denominó “Control Sensores Versión 1.0”, el cual consta de un ambiente gráfico amigable desarrollado en Visual Basic versión 6.0, su código se puede observar en la carpeta Anexo 2 en el CD anexo. Se decidió elaborarlo en Visual Basic por la relativa facilidad que éste presta para desarrollar herramientas gráficas, por su lenguaje de programación que en caso de ser desconocido se aprende en poco tiempo, porque hace fácil el manejo de matrices y el cálculo de diversos procedimientos matemáticos. A continuación se explican las facilidades, características y manejo de esta aplicación. Una vez conectado el sistema de sensores al PC a través de COM1 (puerto serial 1), la aplicación se ejecuta haciendo doble clic sobre el ejecutable “Control Sensores RT”, lo que conduce a la interfaz del programa (figura 4.1).

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Barra de Menú

Barra de Progreso

Botones de Comandos

Botones de Comandos

Tabla de Información

Cuadro Ingreso Secuencia

Cuadro de Progreso

Figura 4.1 Interfaz de la aplicación “Transferencia de Datos Versión 1.0” El entorno de trabajo esta conformado por las siguientes partes: Cuadro de Ingreso Secuencia Por medio de este cuadro de texto el usuario puede ingresar la secuencia de sensado que desea ejecutar. Esta consiste en una serie de letras sin espacios intermedios, en la que cada una de las letras representa uno de los sensores y su posición en la serie el orden en que van ha ser sensados. Los sensores de ultrasonido SRF08 están representados por las letras de la a a la l, los sensores infrarojos GP2D12 están representados por las letras de la m a la p y los GP2D120 por las letras q a la t, los sensores de ultrasonido SRF08 están representados por las letras de la a u la z. Botones de Comandos El botón ejecuta la secuencia de sensado una sola vez. El botón ejecuta la secuencia cíclicamente. El botón detiene el proceso de sensado al final de una secuencia.

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El botón despliega la gráfica Distancia sensada Vs. Cantidad de veces sensada, lo cual equivale a graficar los datos mostrados en la Tabla de Información. Un ejemplo de esta grafica se muestra en la figura 4.2.

Figura 4.2 Grafica Distancia sensada Vs. Cantidad de veces sensada

Cuando se oprime el segundo botón con el fin de ejecutar la secuencia de sensado cíclicamente la gráfica se despliega automáticamente y el usuario tiene la opción de cerrar esa ventana y desplegarla con este botón cuando desee. La grafica es similar a las desplegadas en Excel, los sensores están representados por líneas de diferentes colores cuya correspondencia se observa en un cuadro al lado izquierdo de la gráfica. Si se coloca el puntero del mouse cerca a uno de los puntos de la gráfica, se observa un cuadro indicando el sensor al que corresponde, el valor de la distancia y el número de sensadas realizadas hasta ese punto. El botón Guardar de la parte inferior abre el cuadro de diálogo estándar de Windows para guardar archivos, en él se ingresa el nombre del archivo en cual se quieren almacenar los datos mostrados en la Tabla de Información, el archivo es de tipo texto plano con extensión .txt. El botón Reset reinicializa la Tabla de Información, borrando los datos anteriores. El botón Salir cierra la aplicación.

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Tabla de Información En esta tabla se muestran el sensor y la distancia sensada por este a medida que transcurre el proceso de sensado. Cuadro de Progreso Este cuadro de texto muestra la etapa en la que se encuentra el proceso de sensado. Barra de Progreso Esta barra muestra el tiempo transcurrido el la ejecución de cada secuencia de sensado. Barra de Menús La barra de menús tiene tres menús: Archivo, Ejecutar y Ayuda.

Figura 4.3 Despliegue de opciones de los menús Archivo, Ejecutar y Ayuda. El menú Archivo despliega las opciones Guardar, que al seleccionarlas ejecutan lo mismo que los botones Guardar y Salir de la parte inferior de la aplicación. El menú ejecutar despliega los submenús Sensar, que ejecuta lo mismo que el botón 2, Parar Sensar que ejecuta lo mismo que el botón 3 y Reset que ejecuta lo mismo que el botón Reset de la parte inferior de la aplicación. El menú Ayuda despliega las opciones de Ayuda, que al seleccionarla abre una ventana que muestra un texto de cómo usar la aplicación, y Acerca de Control Sensores que despliega una ventana de información con una breve descripción de la aplicación.

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IInntteeggrraacciióónn ddeell SSiisstteemmaa yy EEvvaalluuaacciióónn ddeell DDeesseemmppeeññoo

Una vez interconectados los módulos como se indicó en el capítulo Diseño Electrónico y ensamblado el sistema como se observa en la figura 3.1, a este y a los sensores se le realizaron diferentes pruebas. En este capítulo se presentan y comentan algunos de los resultados obtenidos. Antes de ubicar los sensores sobre la silla se realizaron pruebas que permitieron evaluar el área de cobertura (área de sensado) de los sensores de ultrasonido y el comportamiento de los sensores infrarrojos ante una superficie lisa con un grado medio de brillo de diferentes colores. 5.1. PRUEBA No. 1. EVALUACION DEL AREA DE COBERTURA DEL SENSOR DE ULTRASONIDO SRF08. Esta prueba busca determinar la forma del área de cobertura de sensor de ultrasonido SRF08 en especial el ángulo de apertura del cono de radiación, dato necesario en el cálculo de la distancia entre sensores y para determinar la posición de un obstáculo con respecto a la silla. Para la realización de esta prueba se construyó un ambiente de operación controlado, formado por un soporte que ubica el sensor a una altura igual a la que tendrá una vez montado en la silla ( 55 cm ) , un grilla cuadrada de 2 m con divisiones cada 25 cm demarcada en el suelo que permite comparar la distancia sensada con la real al obstáculo, una vara circular de 3 cm de diámetro de madera, que hace las veces de obstáculo y será ubicada en diferentes

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posiciones con respecto al sensor con ayuda de la grilla. Se considera una grilla de 2 m debido a que uno de los principios de diseño del algoritmo de movimiento es el contar con una zona de seguridad de 1,5 m alrededor de la silla, por lo que detectar obstáculos a una distancia mayor que esta no es de interés. La primera parte de la prueba consiste en ubicar el sensor en un punto fijo con respecto a la grilla, se retiran todos los obstáculos que se encuentren dentro de la grilla y se da orden de sensar. La distancia sensada corresponde a la distancia del sensor al obstáculo mas cercano por fuera de la grilla y por lo tanto fuera de nuestra área de interés. La segunda parte de la prueba consiste en ubicar el sensor en el mismo punto fijo anterior, luego se ubica el obstáculo (la vara de madera antes mencionada) en determinado punto de la grilla, se le da orden al sensor de sensar 30 veces, se observa que las distancias entregadas no se diferencien por mas de 5 cm, o sino se consideraran espurias y se vuelve a sensar las 30 veces. El promedio de estas distancias sensadas es comparado con la distancia real del sensor al objeto, si son semejantes se considera que se detectó el obstáculo y por ende esta se encuentra dentro del área de cobertura del sensor. Si la distancia sensada es semejante a la sensada en la primera parte, es decir sin obstáculos, es por que el obstáculo no fue detectado y por ende esta fuera del área de cobertura del sensor. Lo anterior se repite varias veces buscando delimitar el contorno del cono de radiación del sensor. En una primera realización de la prueba se observó que al sensar con la grilla despejada se detectaba el suelo, en particular la unión entre baldosas que este tiene, por lo que fue necesario aumentar la altura a la que se ubicaba el sensor a 120 cm. En la figura 5.1 se muestran los elementos empleados en esta prueba. En la figura 5.2 se muestra un esquema de esta primera realización de la prueba, en el que se indican las posiciones evaluadas. Los puntos de color verde corresponden a posiciones en las que no fue detectado el obstáculo y los azules posiciones en las que si se detectó. Conclusiones de la prueba

• Debido a la detección de las uniones de las baldosas del suelo en la primera realización de la prueba se plantea la necesidad de inclinar el sensor en de tal manera que el cono de radiación no toque el suelo antes de los 1,5 m correspondientes a la zona de seguridad, con el fin de evitar la detección de la unión de baldosas y objetos similares como el borde de un tapete, uniones en los pisos de madera, crubrealfombras, etc.

• Se determinó que el área de cobertura del sensor corresponde a un cono

con un ángulo de aproximadamente 88 o, como se observa en la figura 5.2.

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175 0255075100125150 25 50 75 100 125

175

0

25

50

75

100

125

150

88o

• Se observa que la forma del cono de radiación determinada en la prueba no corresponde a la suministrada por el distribuidor del sensor, esta se muestra en la figura 5.3.

b)

a) c)

Figura 5.1 a ) Elementos con los que se realizó la prueba. b) Acercamiento a la posición

del sensor. c) Acercamiento al circuito de prueba.

Figura 5.2. Esquema de los resultados obtenidos en la prueba.

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Figura 5.3. Patrón de radiación del sensor de ultrasonido SRF08. Se observa que el ángulo del cono es demasiado grande y genera demasiada incertidumbre de la posición de un obstáculo con respecto a la silla. Un área de cobertura tan amplia hace que este sensor sea más apropiado para la supervisión del área de seguridad alrededor de la silla que para la detección de objetos específicos como el borde de una puerta o saber si el obstáculo esta a la derecha al frente o a la derecha atrás. Se hace necesario entonces el buscar la forma de reducir el ángulo del patrón de radiación o encontrar algún otro sensor, que en conjunto con este u operando solo, supla la necesidad de detectar objetos específicos y presente una menor incertidumbre en su posición con respecto a la silla. 5.2. PRUEBA No. 2. TRATANDO DE REDUCIR EL ANGULO DEL PATRON DE RADIACION EMPLEANDO DIFERENTES MATERIALES Esta prueba busca reducir el ángulo del patrón de radiación por medios físicos colocando diferentes materiales alrededor del emisor y receptor del sensor, pretendiendo “canalizar” la onda de ultrasonido. La realización de esta prueba es igual a la prueba 1. Ensayo 1 Se dispusieron cilindros de aluminio de longitud 3 cm y del mismo diámetro del emisor y receptor alrededor de estos como se muestra en la figura 5.4 b). Se escogió este material pensando en que no absorbe las ondas de ultrasonido, y de forma cilíndrica tratando de canalizar las ondas hacia un cono de menor ángulo que el del patrón de radiación. Los resultados obtenidos se muestran en la figura 5.4 a). Como se puede observar en la figura 5 a) no se obtiene una disminución del ángulo del cono, por el contrario este aumenta a 130º.

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a) b)

Figura 5.4 a) Resultados del ensayo 1 de la prueba 2. b) Fotos de los cilindros de aluminio empleados en este ensayo.

Ensayo 2 Este ensayo es igual al anterior pero ahora la longitud de los cilindros es de 2 cm como se observa en la figura 5.5 b) . Los resultados se aprecian la figura 5.5 a). No se logro la disminución del ángulo del cono de radiación, se observó un cono de 111º. a) b)

Figura 5.5. a) Resultados del ensayo 2 de la prueba 2. b) Fotos de los cilindros de aluminio empleados en este ensayo.

175 0255075100125150 25 50 75 100 125

175

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100

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150

130o

175 0255075100125150 25 50 75 100 125

175

0

25

50

75

100

125

150

111o

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Ensayo 3 El material empleado en este ensayo fueron dos receptáculos de un empaque de huevos colocados alrededor del transmisor y receptor. Se utilizó este material pensando en que su porosidad y composición a base de papel podía absorber parte de las ondas de ultrasonido y así lograr la disminución del ángulo del cono de radiación. Los resultados obtenidos en este ensayo se muestran en la figura 5.6. Se logro una disminución en el valor del ángulo, el ángulo medido es de 84º pero aún sigue siendo grande, lo que se pretende es disminuirlo a un valor entre 20º y 30º.

Figura 5.6. a) Resultados del ensayo 3 de la prueba 2. Ensayo 4 En este ensayo se empleó espuma de densidad media, tomando un rectángulo de espuma se dobló por la mitad y en el fondo del pliegue se colocó el sensor, tal como se puede ver en la figura 5.7 b). Se considero hacer un ensayo empleando espuma dadas sus características de absorción de ruido; con la forma en V se pretende limitar el eco a un área triangular con un ángulo menor a 40º. Al observar la forma del cono de radiación medido (figura 5.7 a) ) se pensó que se había logrado una reducción del ángulo a 34º, lo cual es bastante significativo, sin embargo este ensayo se volvió a repetir colocando en la parte superior de la vara de madera que actúa como obstáculo, un trozo rectangular de madera tipo balso de 6 cm de ancho, y en este caso el cono obtenido fue igual al de la prueba 1. De lo anterior se concluye que lo que se logró fue disminuir la sensibilidad fuera de dicho cono de 34º, ya que ahora no era capaz de detectar en esa región la vara de madera circular de 3 cm de grueso pero si el trozo rectangular de 6 cm de ancho. No se considero entonces que se hubiera logrado disminuir el ángulo del

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0

25

50

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150

175 0255075100125150 25 50 75 100 125

84 o

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cono, ya que si es capaz de detectar el trozo rectangular de madera puede ser capaz de detectar obstáculos más grandes. a) b)

Figura 5.7. a) Resultados del ensayo 4 de la prueba 2. b) Fotos de cómo fue dispuesta la espuma alrededor del sensor.

Conclusión de la prueba A pesar de que en el ensayo 4 se logro disminuir la sensibilidad fuera de un cono de 34º, en ninguno de los ensayos se logro disminuir el ángulo del cono de radiación. Se plantea entonces buscar otro sensor con una área de sensado más pequeña que en conjunto con este u operando solo, supla la necesidad de detectar objetos específicos y presente una menor incertidumbre en su posición con respecto a la silla. 5.3 PRUEBA No. 3. EVALUACION DEL COMPORTAMIENTO DE LOS SENSORES INFRAROJOS ANTE DIFERENTES COLORES Esta prueba pretende evaluar el comportamiento de los sensores infrarojos Sharp GP2D12 ante una superficie lisa semibrillante de diferentes colores. Se planea utilizar dichos sensores en la detección de huecos, rampas, escaleras, o como apoyo en la detección de obstáculos. Esta prueba es la primera de una serie que busca evaluar su comportamiento ante diferentes grados de luminosidad, colores y tipos de superficies Para la realización de esta prueba se construyó un soporte que permite variar la altura y el ángulo al que es ubicado el sensor con respecto a la superficie. Este

175 0255075100125150 25 50 75 100 125

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0

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100

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225

34 o

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consiste en una escala vertical graduada cada 2 cm sobre la que se desplaza un brazo en cuyo extremo se ubica el sensor en el ángulo deseado con respecto a la superficie. Algunas fotos que indican algunos detalles de este se pueden ver en la figura 5.8. La prueba consiste en ubicar el sensor en el extremo del brazo y enfrentado a la superficie, e ir desplazando el brazo por la escala cada 2 cm hasta un máximo de 80 cm, que es la distancia máxima de sensado garantizada por el fabricante. En cada uno de estos puntos se da orden de sensar 30 veces, se halla e l promedio de los valores de voltaje entregados y se grafica con respecto a la distancia real del sensor a la superficie. b) a) c) d)

Figura 5.8. a) Soporte construido para realizar la prueba 3. b) Detalle de la escala vertical c) Detalle de la forma en que va sujeto el sensor. d) Superficies probadas, papel

silueta semibrillante de diferentes colores.

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Vol

taje

de

Sal

ida

(Vo)

La salida del sensor infrarrojo es analógica, cuando se le da orden de sensar éste entrega un voltaje cuyo valor depende de la distancia, esta relación es la que se pretende determinar en la prueba y compararla con la entregada por el fabricante. La superficie escogida es papel silueta semibrillante y se evaluaron los colores blanco, rojo, verde, azul, amarillo y negro. Una muestra de este material se muestra en la figura 5.8. La relación entre voltaje de salida y la distancia obtenida en esta prueba para cada color de superficie se muestra en la figura 5.9, el color de cada curva es el mismo de la superficie que representa excepto por el blanco que se trazo en color magenta. En la figura 5.10 se muestra un promedio de todas estas curvas y también se muestra la entregada por el fabricante para que sean comparadas. La curva promedio va ser considerada nuestra curva experimental, es decir, que en futuras pruebas se le considerará como la base de comprobación de las medidas entregadas por el sensor infrarojo. Para ello y por facilidad de implementación en software la curva ha sido discretizada, esta se muestra en la tabla 5.1. Conclusión de la prueba El sensor de infrarojo GP2D12 muestra una buena respuesta al cambio de colores y luminosidad, el nivel de ruido que maneja es pequeño y puede ser atenuado sencillamente realizando varias mediciones y promediando sus valores. Por su rango de distancia y precisión es adecuado para la detección de anormalidades en el suelo, como son huecos rampas y escaleras.

Distancia a la superficie ( cm )

Figura 5.9. Relación Voltaje de salida y distancia para una superficie semibrillante en diferentes colores,

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50

Vol

taje

de

Salid

a (V

o)

a) b)

Figura 5.10. a) Curva promedio de las seis curvas mostradas en la figura 10. b) Curva característica entregada por el fabricante.

Tabla 5.1 Tabla de valores que forman la curva de la figura 5.10 a)

Distancia a la superficie ( cm )

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? ? Sensores de Ultrasonido ? ? Sensores Infrarrojo

Figura 5.11 Ubicación de los sensores en la silla de ruedas

Observando la curva se determinó que el rango en que se van a emplear los sensores es entre 15 cm y 50 cm. 5.4 MONTAJE DEL SISTEMA SOBRE LA SILLA DE RUEDAS Y PRUEBAS DE ALGORITMOS DE MOVIMIENTO Aparte del diseño electrónico y construcción del módulo de sensores también se ha querido mostrar a manera de resultados como fueron dispuestos los sensores en la silla y la zona de sensado alcanzada con esta distribución ya que este es un resultado directo del diseño del módulo de sensores que es aprovechado por las funciones especiales (pasar puerta y seguir muro) de la silla. Analizando los requerimientos de información de las funciones de seguridad (detección de obstáculos y huecos), los de las funciones especiales (pasar puertas y seguir muros), contando con resultados de pruebas de caracterización de sensores y ubicación de sensores, se determinó que la silla contará con siete detectores de proximidad por ultrasonido SFR08 y seis sensores infrarrojos GP2D12 SHARP, dispuestos en la silla como se muestra en la figura 5.11. El módulo de sensores tiene como función controlarlos y transmitir la información entregada por estos al módulo de procesamiento de la silla. Los sensores de ultrasonido se ubicaron inclinados 30° con respecto a la horizontal ya que en una de las pruebas se observó que se estaba detectando la unión de baldosas y tapetes. El ángulo de la zona de sensado de cada sensor se diagrama de acuerdo a los resultados obtenidos de las pruebas de caracterización de sensores mostradas anteriormente y se pueden observar en la figura 5.12. Una vez ubicados los sensores en la silla se validó su ubicación realizando pruebas de algoritmos de movimiento. Se hicieron pruebas y ajustes de las

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25 cm 40 cm 35 cm

-2000 -1800 -1600 -1400 -1200 -1000 -800 -600 -400 -200 0-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800Mapa del Citec 1er Piso corredor del Ciap

funciones de reconocimiento de entorno (ver figura 5.13), de seguimiento de muros (ver figura 5.14), de pasar puertas, y de seguridad.

Figura 5.12 Zonas de sensado alcanzadas por los sensores de ultrasonido e infrarrojos.

Figura 5.13 Ejemplo de una prueba de reconocimiento de entorno.

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0 500 1000 1500

-400

-200

0

200

400

600

TRAYECTORIA DEL CENTROL DE LA SILLA DE RUEDAS-- -- SIMULACION_____ REALINSTALACIONES DEL CITEC PRIMER PISO

Inicio

Final

Figura 5.14 Ejemplo de una prueba de seguimiento de muro.

Se realizaron pruebas orientadas a la identificación de patrones de sensado característicos de rampas, escalones y huecos empleando los sensores infrarrojos, con el fin de implementar un algoritmo de seguridad que realice su detección empleando reconocimiento de patrones. Un ejemplo de ello es la comparación realizada entre el patrón teórico y el obtenido con los sensores infrarrojos frontales, al recorrer una rampa de 1,30 m a la que se le vario la altura en 0,1 m, 0,2 m y 0,3 m. En la figura 5.15 se muestra un esquema de la rampa y la silla con el sensor frontal indicando su posición inicial y final.

Figura 5.15 Esquema de la rampa empleada en la prueba del ejemplo.

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En la figura 5.16 se ven los patrones teóricos y experimentales del recorrido a las tres alturas diferentes. En el patrón se observan dos picos, el primero se obtiene al comenzar a subir la rampa la silla y el segundo al terminar la rampa. El escalón final se obtiene al sensar el vacío en que termina la rampa. Patrón teórico Patrón experimental

Figura 5.16. Patrones teóricos y experimentales de la prueba con rampa ascendiendo

Se observa que la señal de salida del sensor sigue la teórica, y no solo en este caso también en el de escalones y huecos, por lo que se plantea la posibilidad de realizar un algoritmo de seguridad basado en el reconocimiento de patrones.

Dis

tanc

ia s

ensa

da [c

m]

Desplazamiento de la silla [cm] Rampa de altura 0,1m

Dis

tanc

ia se

nsad

a [c

m]


Dis

tanc

ia s

ensa

da [c

m]


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CCoonncclluussiioonneess yy RReeccoommeennddaacciioonneess • El diseño y construcción del sistema cumple con los objetivos propuestos del

proyecto, obteniéndose un sistema capaz de entregar la información necesaria al módulo de procesamiento para poder realizar las funciones de movilidad de la silla de manera segura para el usuario.

• El diseño mecánico del sistema cumple con los requerimientos de soporte,

carga y movilidad de todos las partes que lo componen. Además permite un fácil acceso y manipulación de sus partes lo que permite realizar reparaciones de forma rápida y sencilla.

Cambiar la posición de los sensores y del módulo es sencillo dada la forma en que están conectados sus componentes y al poco tamaño que ocupa la electrónica del módulo. Esta característica junto con la de ampliación agregan gran versatilidad a la silla para futuras mejoras del diseño.

• El diseño electrónico del sistema además de cumplir con las expectativas del

proyecto resulta ser flexible en su uso, gracias a que sus módulos pueden ser usados en otros proyectos sin ninguna modificación e inclusive, si se requiere, agregarles nuevas funciones reprogramando el PIC que los controla.

El módulo de sensores cuenta con memoria y pines libres del PIC que lo controla, puestos a disposición del usuario a través de conectores para facilitar la conexión y uso de otro tipo de sensor o agregar nuevos al sistema.

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El módulo de comunicaciones por medio de las dos tarjetas que lo componen es capaz de controlar dos puertos seriales RS-232, una de las cuales podría ser empleada para comunicar inalámbricamente la silla con otro sistema de control, o un equipo de sillas con la capacidad de intercambiar información entre ellas, aspecto que lo hace muy versátil y de gran utilidad para aplicaciones futuras del proyecto. El sistema cuenta con distribución de alimentación incluida. En el módulo se incluye su propia etapa de distribución de alimentación voltaje, lo que permite alimentarlo directamente de la fuente o por medio de una etapa de regulación.

• Se logró una buena relación Capacidad / Precio. El uso del microcontrolador

hace que la electrónica involucrada sea de fácil montaje, con capacidad de ampliación y económica.

• El módulo resulta ser de implementación rápida, un 80 % de su montaje se

puede realizar sin necesidad de conocer los algoritmos de movimiento y sin contar con los componentes importados (módulo de procesamiento y sensores).

• En las pruebas de reconocimiento de patrones se observa que la señal de

salida de los sensores infrarrojos sigue la teórica, en los tres casos probados rampa, escalones y huecos, por lo que se plantea la posibilidad de realizar un algoritmo de seguridad basado en el reconocimiento de patrones.

• El empleo de Visual Basic 6.0 y MATLAB como software de programación

para los algoritmos de control y de la interface con el usuario, a pesar de tener el inconveniente de requerir su instalación en el PC desde el cual se vaya a controlar el móvil, presenta una gran ventaja al poder tenerse acceso a funciones como el manejo de matrices, listas y el desarrollo de ambientes gráficos en forma relativamente fácil. Su lenguaje de programación no es complejo y es relativamente facil de aprender lo que le permite a una persona con conocimientos intermedios en programación poder controlar el sistema.

Para usuarios con conocimientos en redes neuronales, procesamiento de imágenes o técnicas de control, les será posible utilizar herramientas de MATLAB como los toolboxes y Simulink para controlar y experimentar con el sistema, esto agregado a la capacidad de expansión y modificación del hardaware del sistema, lo convierten en una buena plataforma de experimentación o base para proyectos futuros en esta área.

• Se logró un buen manejo de tecnología no utilizada antes en la universidad en

este tipo de proyectos, como es el caso de los sistemas medidores de distancia Polaroid 6500 y SRF08, como también de los sensores infrarrojos GP2D12 y GP2D120.

Se recomienda que cuando se utilicen este tipo de componentes se haga una adecuación física del lugar del sistema donde se van a colocar, realizando algún tipo de blindaje sobre los motores.

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• La Universidad de Los Andes debe fomentar grupos de investigación en el

área de vehículos autónomos y robótica móvil, ya que estas son áreas de gran desarrollo y aplicabilidad en el mundo de hoy. Además el desarrollo de este tipo de proyectos puede considerarse una alternativa para construir sistemas flexibles que puedan ser usados en los laboratorios de control en la realización de prácticas e investigaciones.

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BBIIBBLLIIOOGGRRAAFFIIAA BATURONE, A. Planificación de Trayectorias para Robots Móviles. Tesis Doctoral, Universidad de Málaga España.1995. BEMPORAD A.,Marco M, Tesi A. Sonar-Based Wall-Following Control of Mobile Robots. Università di Firenze.1997. BORENSTEIN J.; H. R. Everett; L. Feng. Sensors and Methods for Mobile Robot Positioning. Universidad de Michigan, Oak Ridge National Lab (ORNL) D&D Program, 1998. BORENSTEIN, J. The Vector Field Histogram Fast Obstacle Avoidance For Mobile Robots. University of Michigan .1991. CUELLAR, J. Aplicación de técnicas de robótica para el control de sillas de ruedas. Tesis pregrado, Universidad de los Andes, Bogotá, 1996. GUILLESPIE, Thomas D. Fundamentals of Vehicle Dynamics. Warrendale: Society of Automotive Engineers, Inc., 1992. IWAN U., Illah N. Appearance-Based Obstacle Detection with Monocular Color Vision. The Robotics Institute, Carnegie Mellon University, Proceedings of the AAAI National Conference on Artificial Intelligence, Austin, TX.2000. KOLLMANN J. Lankenau A., Uhlmeier A. B., Krieg-Brückner B., Röfer T., Navigation of a Kinematically Restricted Wheelchair by the Parti-Game Algorithm. Bremen Institut für Sichere Systeme.1997. KOREN Y. y Borenstein J. Potenital Field Methods and Their Inherent Limitations For Mobile Robot Navigation. University of Michigan, 1991. LATOMBE, Jean. C. Robot Motion Planing. Kluwer Academic Publishers, 1991. MATHWORKS, Inc. Building GUIs with MATLAB version 5. Manual en línea, 1997. MATHWORKS, Inc. MATLAB Function Reference version 5. Manual en línea, 1999.

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MAX, Correa. Mobiliario para la educación Básica Primaria. Laboratorio de Antropometría Universidad Nacional,1996 MICROSOFT, Corp. MSDN Library Visual Studio 6.0 release,2000. NEIRA, J. Autolocalización de Robots Móviles. Notas de clase doctorado, Universidad de Zaragoza.2002. NINISS H., Nadif A. Intelligent Powered Wheelchair Evolving in a Virtual Environment. Laboratoire d’Automatique des Systèmes Coopératifs (L.A.S.C), Université de Metz, France.2000. VALENCIA C, Alexander .Estabilidad Dinámica de un Vehículo Automático de Fumigación de Cultivos en Invernaderos. Tesis de Magíster, Universidad de los Andes, Bogotá, 2000.

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AANNEEXXOOSS Los siguientes anexos se encuentran en el CD adjunto a esta tesis:

Anexo 1 (Manuales Técnicos de los Sensores).

Anexo 2 (Implementación del Código en Visual Basic 6.0 del Software de

Control).

Anexo 3 (Videos de pruebas realizadas de los algoritmos “Seguir Muros” y “Pasar Puerta”).

desarrollo de un sistema sensorial para la asistencia …

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