Localizador

PROCESAMIENTO DIGITAL DE SEÑALES

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Localizador de Objetos por Ultrasonido Julie Galindo Gómez 1800889, Felipe A. Reyes M. 1800932

Abstract—This paper presents a detailed design of a object detector, using ultrasonic meters. The waves spread by the ultrasound issuer, come back to the device after bouncing against an obstacle or object for analyzing. The measurement of the time passed among the issue and the receipt of the waves, it allows to determine the distance to the one that is this object. Index Terms—ondas ultrasónicas, radar, eco, sonar.

I. I NTRODUCCIÓN AS ondas propagadas por el emisor de ultrasonido, retornan al dispositivo después de rebotar contra un obstáculo u objeto por analizar. La medición del tiempo transcurrido entre la emisión y la recepción de las ondas, permite determinar la distancia a la que se encuentra este objeto. En este informe se presentará un diseño detallado de un localizador de objetos, empleando medidores ultrasónicos.

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II. O BJETIVOS Diseñar un sistema de localización de objetos por emisión de ondas (electromagnéticas o -ultra-sonido) que permita conocer su posición, tamaño y velocidad (magnitud y dirección). OBJETIVOS ESPECÍFICOS: • Diseñar un sistema para emitir y recibir señales capaces de aportar información sobre un objeto lejano. • Definir estrategias de procesamiento de señales que permitan extraer información sobre posición, tamaño y velocidad del objeto detectado. III. M ARCO T EÓRICO ULTRASONIDO El ultrasonido es una onda acústica que puede tener frecuencias por encima de 20KHz, que es el límite audible por los humanos. Se puede utilizar como radar para la ubicación de un objeto, también ciertos animales como los murciélagos lo utilizan como orientación. Se trata de que la frecuencia de las ondas emitidas por estos animales es tan alta que “rebotan” fácilmente en todos los objetos alrededor de ellos, esto hace que creen una “imagen” y se orienten en donde se encuentran. El ultrasonido es muy utilizado en aplicaciones industriales como medición de distancias, caracterización interna de materiales y ensayos no destructivos, así como muchas otras. Se emplean dos tipos de sensores ultrasónicos principalmente, los que tienen un emisor y un receptor separados, y los que alternan la función, por medio de un circuito de conmutación, sobre un mismo emisor/receptor piezoeléctrico. UMNG - Ingeniería Mecatrónica 2009

RADAR El radar es un sistema que emite microondas, y registra las ondas reflejadas a partir de las superficies y objetos cercanos. Los radares tienen la capacidad de registrar datos en cualquier momento, tanto en el día como en la noche, esto se debe a que emiten su propia fuente de energía y no tiene que utilizar otro tipo de energía adicional. Existen principalmente dos tipos de radares: radares activos y radares pasivos. Los radares activos emiten pequeños pulsos de microondas en la dirección de interés, luego reciben y almacenan la energía dispersada por los objetos dentro de un campo de captura de la imagen. Los radares pasivos reciben niveles de radiación de microondas emitidas por los objetos en su ambiente natural. En algunos de los principales ambitos de aplicación de los radares se incluyen la meteorología, el control del tráfico aéreo y terrestre y gran variedad de usos militares. Para el diseño de un radar se deben tener ciertos parámetros en cuenta: Se realiza un transmisor que genera las señales de radio por medio de un oscilador controlado por un modulador. Luego se diseña un receptor en el cual los ecos recibidos se llevan a una frecuencia intermedia con un mezclador, este no debe incorporar ruido adicional. Sigue un duplexor que permite usar la antena para transmitir o recibir, después se diseña el hardware de contro y de procesado de la señal. Por último, se realiza la interfaz de usuario. SONAR Es una técnica que sirve al estudio y aprovechamiento de la propagación del sonido en el agua y su utilización para determinar la ubicación, de objetos, formaciones rocosas, como así también costas y lecho submarino. También se utiliza para las comunicaciones y la observación. El sonar reemplaza al radar en el agua, ya que este último opera a través de ondas electromagnéticas que, debido a la alta conductividad del medio acuático, se pierden sin lograr su objetivo. El sonar se vale de ondas acústicas, de fácil propagación en el medio antes nombrado. Existen dos tipos de Sonar, el activo y el pasivo. El sonar activo es el equipo que emplea para detectar objetos bajo el agua el eco que devuelve dicho objeto al incidir sobre él las ondas acústicas emitidas por un transmisor. El sonar activo es por tanto similar al radar. Empleando este tipo de sonar se emite un tren de ondas acústicas con una determinada potencia al agua. Un objeto sumergido sobre el que incidan estas ondas, reflejará parte de ellas que volverán hacia el emisor. La energía recibida proveniente del objeto es solo una muy pequeña parte de la que se emitió y el camino que recorren las ondas es el doble de la distancia entre el emisor y el objeto.

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El otro tipo de sonar, el sonar pasivo se limita a escuchar el sonido que proviene de los objetos que se encuentran sumergidos. Estos dispositivos reciben directamente el ruido producido por el objeto y el camino que recorre la onda es la distancia existente entre el objeto y el receptor del ruido.

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V. C ONCLUSIONES •

Las ondas ultrasónicas son principalmente utilizadas en aplicaciones industriales como medición de distancias, localización y sondeo de objetos, ya que permiten por medio de su reflejo, lograr una “imagen” del objeto analizado.

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La detección de objetos por medio de ondas ultrasónicas se puede realizar diseñando un circuito simple, con un sensor emisor/receptor que es bastante sencillo de manejar e implementar, controlado con un PIC que permite minimizar el error de las mediciones, debido al posible ruido del ambiente, así como al eco de respuesta.

IV. D ISEÑO Se desea implementar un sistema localizador de objetos con ultrasonido, paro ello se decidió utilizar un sistema oscilador con un circuito monoestable generado por un lm555, el cual es activado cuando un microcontrolador PIC18f4550 le envia un “0”. Al activar el sistema oscilador, este pasa por una etapa de amplificación antes de llegar al emisor de ultrasonido para aumentar el eco que el emisor generará. Se decidió por el circuito monoestático ya que su manejo es bastante sencillo y puede detectar objetos hasta a 4 metros de distancia sin problema alguno, con una buena etapa de amplificación. Todo el sistema se implementará con un emisor y un receptor por separado. Cuando el receptor reciba el eco, este pasará por una etapa de amplificación antes de iniciar su proceso en microcontrolador.

[1] Carletti Eduardo J.; “Sensores - Medidores de distancia ultrasónicos - Sensores de ultrasonido Descripción y funcionamiento”. Robots Argentina, http://robotsargentina.com.ar/robots.htm. Robots Argentina, Actualizado el 16 de diciembre de 2008

Para evitar errores en la medición del eco de respuesta, el receptor estará apagado mientras la señal sea emitida, al finalizar esta emisión el microcontrolador automáticamente encenderá el receptor y quedará a la espera del eco.

[2] Bolaños, S.; “Teoría de Radar, Generalidades Radar y Tipos de radares”. Canada Centre for Remote Sensing, http://www.ciat.cgiar.org/dtmradar/radar1.htm. CIAT, Septiembre 11, 2001

Para calcular la distancia del objeto, se utilizará la siguente fórmula:

[3] Candelas, Luis A. ; “Sonar”. WikiCiencia Tecnología Comunicaciones, http://wikiciencia.org/tecnologia/comunicaciones/sonar/index.php. WikiCiencia, CC 2000-2008

D=

VS ∗t 2

Donde Vs es la velocidad del sonido, por ello será una constante, t es el tiempo que demora el sensor en recibir el eco de respuesta, D es la distancia a la que se encuentra el objeto. Por último, este resultado se divide en dos, debido a que el ultrasonido recorre la distancia dos veces al ser emitida y al devolverse después de rebotar contra el objeto. Para hallar la velocidad, se usará la siguente fórmula: V el =

D2 −D1 tS

Donde D2 y D1 son dos distancias y ts es un tiempo predeterminado entre las mediciones de las distancias, con estos datos se puede determinar la velocidad promedio del objeto. Por último se desea saber el tamaño del objeto, realizar las correspondientes mediciones para hallarlo es más complicado que las dos mediciones realizadas anteriormente. Por esto se determinó que a mayor tamaño, mayor es el eco que recibe el receptor, partiendo de esta relación, se puede generar una tabla de aproximaciones basada en datos que se obtendrán por medio de ensayos de laboratorio. Los datos obtenidos, podrán ser visualizados en un LCD y/o directamente en un computador, por medio de algún software matemático como MATLAB o un lenguaje de programación como C#.

VI. R EFERENCIAS

[4] Hiroshi Kanai. "Ultrasonic Imaging of Propagation of Electric Excitation in Heart Wall". [5] Wobschall, D.; Zeng, M.; Srinivasaraghavan, B.; “An Ultrasonic/Optical Pulse Sensor for Precise Distance Measurements”, Sensors for Industry Conference, 2005 8-10 Feb. 2005 Page(s):31 - 34 [6] Demirli, R.; Saniie, J.; “Model-based estimation of ultrasonic echoes.” Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, IEEE Transactions on. Volume 48, Issue 3, May 2001 Page(s):803 - 811 [7] Malaoui, A.; Quotb, K.; Auhmani, K.; Ankrim, M.; Benhayoun, M.; “An accurate electronic device for ultrasonic measurements using a microcontroller” Industrial Technology, 2004. IEEE ICIT ’04. 2004 IEEE International Conference on. Volume 3, 8-10 Dec. 2004 Page(s):1432 - 1437 Vol. 3 [8] Nishitani, A.; Nishida, Y.; Mizoguch, H.; “Omnidirectional ultrasonic location sensor” Sensors, 2005 IEEE. Oct. 30 2005-Nov. 3 2005 Page(s):4 pp. [9] Baoqiang Wang; Yiding Li; Changjian Deng; Maofang Wu; “Researches on Nonlinearity of Acoustic Parameters in Biomaterial Extraction with Ultrasound” Mechatronics and Automation, 2007. ICMA 2007. International Conference on. 5-8 Aug. 2007 Page(s):2258 - 2263 [10] Villadangos, J.M.; Urena, J.; Mazo, M.; Hernandez, A.; De Marziani, C.; Jimenez, A.; Alvarez, F.; “Improvement

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