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Detector de posición en 2D de objetos por Ultrasonidos

Fernando Suárez fersuarez22@gmail.com

Mauro Ortega mauro8848@gmail.com

Ricardo Gogenola fangomotos@sinectis.com.ar

Cátedra: Aplicaciones Industriales del Ultrasonido Curso 2015

Departamento de Electrónica y Automática Facultad de Ingeniería

U.N.S.J. Av. Libertador San Martin 2073, J5402CWH San Juan, , Argentina,

+54 264 4295000.

Resumen El proyecto consta de realizar el análisis, estudio, d objeto en los ejes cartesianos, mediante el uso de sensor de ultrasonido. Los valores que corresponden al eje X son tomados de acuerdo al recorrido o desplazamiento que realiza un motor paso a paso. Los valores en el eje Y son adquiridos a través del sensor ultrasónico, que nos da la distancia en el mismo. 1. Introducción En el año 1883, Galton investigó los límites de la audición humana, fijando la frecuencia máxima a la que podía oír una persona (aproximadamente hasta 20 KHz). Llegó a la conclusión de que los sonidos con frecuencias inaudibles por el ser humano, presentaban fenómenos de propagación similares al resto de las ondas sonoras, aunque con una absorción mucho mayor por parte del aire. A partir de entonces, se empezó a investigar en temas relacionados con la generación de ultrasonidos:

• Los hermanos Curie descubrieron la piezoelectricidad en el año 1880. Fueron Lippmann y Voigt en la década de los 80 del siglo XIX quienes experimentaron con el llamado efecto piezoeléctrico inverso, aplicable realmente a la generación de ultrasonidos.

• Joule en el año 1847 y Pierce en 1928 descubrieron el efecto magnetoestrictivo, directo e inverso.

• A lo largo del siglo XX, se han producido grandes avances en el estudio de los ultrasonidos, especialmente en lo relacionado con aplicaciones: acústica subacuática, medicina, industria, etc. Concretamente, Langevin lo empleó durante la primera guerra mundial para sondeos subacuáticos, realizando un sencillo procesado de las ondas y sus ecos. Richardson y Fessenden, en la década de los años 10 idearon un método para localizar icebergs, con un procedimiento similar al utilizado hoy en día (método de impulsos). Mulhauser y Firestone, entre 1933 y 1942 aplicaron los ultrasonidos a la industria y a la inspección de materiales.

Como lo demuestra la historia, se han realizado avances tecnológicos en los diferentes ámbitos científicos e industriales, ha surgido la necesidad de tomar dichos avances e implementarlos en forma conjunta con los fenómenos que se presentan en la naturaleza. Este proyecto tiene como objetivo utilizar el ultrasonido para determinar la posición de un objeto dentro de un área determinada.

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Una aplicación posible se puede dar en el campo de la robótica, debido a la necesidad de que los robots tengan contacto con su entorno y de esta manera procesar la información el mismo. Para esto se debe realizar un contacto entre el robot y su entorno a través de un medio “inalámbrico”, dicho contacto se puede dar mediante la aplicación de ultrasonido. Este trabajo apunta al procesamiento que deben tener los datos enviados por un sensor ultrasónico, que al integrarlos con alguna variable podrá darnos información de la posición y distancia a la que se encontrará un determinado objeto. 2. Diseño del detector de objetos Como se mencionó anteriormente se pretende utilizar el sensor de ultrasonido para detectar la posición de un objeto, representada en los ejes X e Y. Para lograr este cometido se presenta a continuación un esquema ilustrativo:

Figura 1. Esquema de la planta.

La determinación de cada uno de los ejes cartesianos se realiza de la siguiente forma:

• Eje X Este eje se determina contando la cantidad de pasos que el motor (paso a paso) girará y ese número se convertirá a una distancia equivalente por medio de una relación.

• Eje Y Este eje se determina mediante la emisión y recepción de una señal generada por el sensor de ultrasonido HC-SR04. 2.1 Empleo del sensor de ultrasonido HC-SR04 Los sensores de ultrasonidos de este tipo son detectores de proximidad que trabajan libres de roces mecánicos y que detectan objetos a distancias que van desde pocos centímetros hasta varios metros. El sensor emite un sonido (pulso en el terminal “Trigger”), y mide el tiempo que la señal tarda en regresar (el lóbulo, o campo de acción, es de forma cónica). Al reflejar en un objeto, el sensor recibe el eco producido y lo convierte en señales eléctricas (pulso en el terminal "Echo"). Estos sensores pueden detectar objetos de diferentes formas y tamaños. Los materiales pueden ser

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sólidos, líquidos, entre otros; sin embargo, han de ser deflectores de sonido. Los sensores trabajan según el tiempo de transcurso del eco, es decir, se valora la distancia temporal entre el impulso de emisión y el impulso del eco.

Figura 2. Lóbulo Ultrasónico

Midiendo el tiempo que transcurre entre la emisión del sonido y la percepción del eco se puede establecer la distancia a la que se encuentra el obstáculo que ha producido la reflexión de la onda sonora, mediante la fórmula:

Figura 3. Reflejo de la señal de sonido en el objeto.

Donde V es la velocidad del sonido en el aire y t es el tiempo transcurrido entre la emisión y recepción del pulso.

Figura 4. Características del sensor HC-SR04

Para determinar el factor de multiplicación que vamos a introducir en Arduino, basta con decir que la velocidad es igual al espacio dividido por el tiempo que se tarda en recorrer dicho espacio. La velocidad del sonido es conocida (343m/s) y el tiempo se calcula desde la emisión de la onda hasta su recepción.

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Despejando el espacio:

Pero como la onda recorrer el camino dos veces (ida y vuelta) se divide entre dos para conocer la distancia a la que se encuentra el objeto.

2.2 Empleo de motor paso a paso FDK SMB 40-9638-A y Driver A4988 Los motores paso a paso son ideales para la construcción de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos. En nuestro caso, se utiliza para desplazar el sensor de ultrasonido que se encontrara fijo en el carrete y mediante una correa se desplazará. La característica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique. Este paso puede variar desde 90° hasta pequeños movimientos de tan solo 1.8° (en nuestro caso es de 3,75°). Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición o bien totalmente libres. Si una o más de sus bobinas están energizada, el motor estará enclavado en la posición correspondiente y por el contrario quedará completamente libre si no circula corriente por ninguna.

Figura 5. Parte interna del motor.

Figura 6. Motor FDK SMB 40-9638-A

Para poder utilizar el Motor paso a paso se utilizó el driver “Pololu A4988”. Este driver, necesita de 3 a 5 volt para que la parte lógica funcione, siendo distinta la alimentación del motor, ya que ésta es bastante más elevada en el orden de los 10 volt.

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Figura 7. Conexión del driver A4988

Controles de los pines: STEP: Mediante pulsos aplicados en este pin se acciona el motor. DIR: Si en este pin, se aplica un “1” (high) o “0” (low) el motor girará en uno u otro sentido respectivamente. !RST: Necesita tener un “1” (high) para que funcione de forma adecuada, de lo contrario, el motor se encontrará inhabilitado para el funcionamiento. !SLP: Se encarga de suspender el motor para que no consuma energía cuando no está siendo utilizado !EN: Cuando se pone en “1” (high), se desactivan los FET del puente H. Cumple la función de on/off ; por más que tenga pulsos en el pin “step”, los motores no giran.

2.3 Empleo de Arduino Uno Para integrar todos los componentes, se utilizó el microcontrolador Atmega 328, bajo la plataforma de desarrollo Arduino Uno. Se seleccionó este microcontrolador porque posee características suficientes para el procesamiento de datos en tiempo real y para controlar los distintos dispositivos del sistema.

Figura 8. Arduino Uno.

A continuación se presenta una imagen ilustrativa de cómo se realiza la conexión del sensor de ultrasonido con el microcontrolador, como así también con el driver y el motor:

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Figura 9. Conexión Sensor con Arduino.

Figura 10. Conexión Driver y motor con Arduino.

En las figura 11 y 12, se observa la conformación de la planta real que integra los componentes anteriormente descriptos, detallando cual es cada uno.

Figura 11. Planta real del proyecto

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Figura 12. Carrete con el Sensor de Ultrasonido

3. Interfaz 3.1 Conexión de Arduino a un PC

La plataforma de Arduino Uno, cuenta con un puerto USB, que simula la conexión serie con el PC. Además, posee la interfaz de programación en la cual se puede simular códigos fuentes, similares a los de lenguaje C. Esto es beneficioso a la hora de depurar códigos, ya que se emplea conocimientos aprendidos en materias anteriores. Desde el código fuente (se detallará más adelante), se pueden imprimir datos procesados para verlos en pantalla, ya sea en formato de texto o gráfico, en tiempo real. Esto es fundamental a la hora de corroborar el correcto funcionamiento del sistema, ya que se comprueba los datos obtenidos.

3.2 Código fuente En el siguiente diagrama de flujo se detalla el funcionamiento del código:

Figura 13. Diagrama de Flujo

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El programa comienza su funcionamiento comprobando que el switch de Fin de carrera inicial este activo (“1” high), caso contrario se queda en un bucle esperando esta condición. Una vez alcanzado el estado alto, se indica al microcontrolador, que el carrete (que tiene montado el sensor de ultrasonido), se encuentra en la posición inicial listo para comenzar a detectar un determinado objeto. Esto nos asegura que siempre empieza su escaneo en la misma posición de referencia. A continuación, se procede a activar el driver del motor y se le indica el sentido de giro. Una vez completado este proceso, se aplican pulsos al motor mediante el pin “Trigger”, para que se accione. Cuando se comprueba que el motor está en funcionamiento, comienza el barrido del sensor de ultrasonido (detectando el posible objeto). Para realizar esto se procede a comparar una distancia de fondo predeterminada con una distancia distinta, siendo esta menor cuando se localiza un objeto, almacenando esta ultima en una variable que representa al “eje Y”. Además, al momento de la detección, también se guarda en otra variable la cantidad de pulsos que se le han aplicado al motor (siendo esto equivalente a la cantidad de pasos que ha girado el mismo), y mediante una relación se convierte a distancia en el “eje X”. El barrido se completa cuando el switch de Fin de Carrera final se active (“1” high), indicando al microcontrolador, que cambie el sentido de giro del motor. Iniciando así el regreso del carrete a la posición inicial y esperar una nueva orden de escaneo. 4. Ensayo y pruebas

Una vez que se salvaron diversas situaciones problemáticas, se comenzó a ensayar la respuesta del sistema ante diferentes situaciones de detección. En el primer caso se escaneó el fondo a la distancia predeterminada y se observó su perfil

Figura 14. Detección sin objeto

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Figura 15. Coordenadas sin objeto

Figura 16. Perfil de fondo

Luego se realizó el ensayo, detectando un objeto con cara plana para que exista una reflexión de onda adecuada.

Figura 17. Detección con objeto

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Figura 18. Coordenadas del objeto

Figura 19. Perfil del objeto

A continuación, se analizó la respuesta del sistema con un objeto de cara plana inclinada

Figura 20. Objeto Inclinado

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Figura 21. Detección del objeto

Figura 22. Perfil del objeto

4.1 Conclusiones de los ensayos

� Para el caso de la detección sin objeto, se observa que la respuesta del sistema es la esperada, ya que gráficamente se detecta el plano de fondo a una distancia preestablecida y las coordenadas “x” e “y” son iguales a cero ya que, no se encontró un objeto dentro del plano de trabajo.

� Para el caso de la detección del objeto con cara plana, el sistema responde de forma adecuada, corroborándose gráficamente el perfil del mismo e indicando su posición en las coordenadas “x” e “y”. Se corresponden gráfica y cuantitativamente el valor de las mediciones.

� Para el caso de la detección del objeto con cara plana inclinada, la respuesta no es la esperada, ya que la reflexión de la onda acústica no se realiza en forma constante.

5. Conclusiones Con el presente proyecto, se intenta comprobar y aplicar los conocimientos aprendidos sobre los fenómenos relacionados con las ondas acústicas, ya sea tanto en su emisión como en su recepción y cómo aprovechar la característica del mismo para darle alguna aplicación específica como en este caso, la detección de un objeto dentro de un plano de trabajo. Se concluyó lo siguiente:

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� Con respecto a la precisión en las mediciones, surgió la limitación en el sensor de ultrasonido, debido a su proceso de fabricación que tiene un margen de error.

� Otra fuente de error, fueron los planos de trabajo ya que, por tratarse de materiales con terminaciones de calidad media, el sensor llegaba a detectar las pequeñas imperfecciones de la misma, originando oscilaciones indeseadas en los gráficos de perfil.

� El carrete por ser parte de un despiece de impresora, poseía una pequeña vibración propia del sistema mecánico (motor, correa, engranajes, entre otros), sumando esto al error de medición.

� Para el montaje del sensor de ultrasonido en el carrete, surgieron complicaciones en la forma de fijar el mismo, consumiendo una gran demanda del tiempo prefijado para la construcción de la planta.

� El uso del driver para manejar el motor también requirió cierto aprendizaje y estudio del mismo, lo que llevo a realizar varias pruebas hasta llegar al correcto funcionamiento.

� Con respecto al código fuente, se originaron dificultades para realizar la comunicación: PC – Microcontrolador – Sensor de Ultrasonido – Motor paso a paso.

Referencias 1. http://robots-argentina.com.ar/MotorCC_PuenteH.htm 2. http://diymakers.es/mover-motores-paso-paso-con-arduino/ 3. https://www.youtube.com/watch?v=0jbounpyM 4. http://b.pololufiles.com/picture/0J3360.600.png?d94e356fab284ff0619afadf 5. https://www.youtube.com/watch?v=1yaM68W2x1w&feature=0jKYbounpyM&annotation_i d=annotation_1229104513 6. https://www.youtube.com/watch?v=3Md-xvibwWk 7. ttp://www.zonamaker.com/arduino/modulos-sensores-y-shields/ultrasonido-hc-sr04 8. http://www.alcabot.com/alcabot/seminario2006/Trabajos/DiegoPerezDeDiego.pdf