El transductor se polariza con un voltaje de alimentación de 5 V proporcionado por la etapa del hardware de regulación de voltaje, la señal de salida del transductor ultrasónico puede ser analógica o digital. En la figura 3.1 se presenta una gráfica que muestra el funcionamiento del transductor, en la imagen se observa una señal de 50 μs que corresponde al pulso de excitación, el pulso de relajación del transductor y la señal de eco analógica reflejada en una pared de prueba de corcho colocada a 1 m del transductor.
Figura 3.1. Señal analógica de eco ultrasónico vista en el osciloscopio.
Como se puede apreciar en la figura 3.1, la duración del pulso de relajación del cristal piezoeléctrico que permite excitar al transductor y con esto lograr un pulso de eco ultrasónico tiene una duración de 4 ms, el tiempo de relajación es mucho mayor que la duración del pulso de excitación y que la señal de eco generada; por lo tanto en ese intervalo de tiempo no se puede registrar la señal de eco debido a que se tendrían las dos señales encimadas y no se apreciaría ninguna de las dos, esta parte de la señal sobre el eje tiempo se denomina zona muerta.
Capítulo 3 RESULTADOS.
Para su utilización en el cálculo de distancias a objetos es necesario conocer las principales características del transductor. Debido al incremento de la distancia entre el sensor y el objetivo, la cantidad de energía de la señal disminuye y por lo tanto se observa un decremento en la amplitud de la señal de eco analógica, lo cual determina el intervalo de distancia útil de visión del transductor [37, 38].
Para determinar este intervalo se utilizó una pared de madera como reflector, el transductor ultrasónico se colocó sobre una base a 22 cm de altura con respecto al piso, como el transductor acepta un pulso de excitación de duración en estado alto de entre 50 μs y hasta 500 μs, se hicieron evaluaciones a partir de 50 μs con incrementos de 50 μs hasta llegar a 450 μs. La distancia para las mediciones se calcula con la mitad del tiempo en que tarda la señal de eco en llegar, debido a que la onda ultrasónica viaja por la misma trayectoria tanto de ida como de regreso. Una medición con un pulso de excitación de duración en estado alto de 50 μs se muestra en la figura 3.2 para las salidas del transductor tanto analógica como digital a una distancia al objetivo de 150 cm.
(a) (b)
Figura 3.2. Señales de salida del transductor para una distancia de 150 cm al objetivo. (a) analógica. (b) digital.
Conforme la distancia aumenta, en las señales de eco analógicas existe una degradación de manera muy significativa, la señal analógica se hace tan pequeña que se vuelve despreciable (figura 3.3a), sin embargo en la señal digital no existe una variación en la
Capítulo 3 RESULTADOS.
amplitud (figura 3.3b); en el caso de la salida digital, el transductor tiene un comparador interno el cual se dispara con un voltaje de referencia mínimo, éste proporciona una señal de nivel lógico en estado alto aunque exista una degradación en la señal analógica de manera significativa; es decir, en la salida digital no existe variación en amplitud, lo que permite considerar a esta salida como una respuesta estable en amplitud.
Señal de eco Señal de eco
Pulso de relajación c/10 ms Pulso de relajación c/10 ms
(a) (b)
Figura 3.3. Señales de eco: (a) analógica y (b) digital, para una distancia de 200 cm al objetivo.
Cuando se incrementa la duración del pulso de excitación también se incrementa la duración del pulso de relajación, para un pulso de relajación de duración de 50 μs se limita la visibilidad de objetos en el intervalo de 0 cm hasta 60 cm de distancia entre el objetivo y el transductor, dicho intervalo se incrementa al aumentar el tiempo del pulso de excitación, lo cual limita más el intervalo de visibilidad del sensor.
En la figura 3.4 se observa que al incrementar el pulso de relajación de 50 μs (figura 3.4a) a 400 μs (figura 3.4b) el tiempo de relajación aumentó en aproximadamente 500 μs lo cual corresponde a un incremento de 8.5 cm en la zona muerta del transductor, también se observa un incremento de aproximadamente 1.6 V en la amplitud de la señal de eco de la figura 3.4b debido al incremento del pulso de excitación.
Capítulo 3 RESULTADOS.
(a) (b)
Figura 3.4. Señal de eco analógica con un objeto de prueba a 160 cm del transductor. (a) con un pulso de excitación de 50 µs. (b) con un pulso de excitación de 400 µs.
La amplitud del eco puede ser medida hasta que llega a un nivel de voltaje comparable con el ruido existente dentro del sistema, para este transductor el umbral de ruido es de 0.5 V y por lo tanto la menor medición posible es de 0.6 V de amplitud. El valor elegido del pulso de excitación para la operación del transductor ultrasónico fue de 150 μs por presentar mayor linealidad y estabilidad en su respuesta, con este valor la menor distancia a la cual se puede detectar la ubicación de los objetos fue de 0.6 m y la máxima distancia de visibilidad del transductor fue de 3.6 m.
Conocer el ángulo de abertura del cono del haz ultrasónico permite determinar el campo de visibilidad del transductor [37, 38]. Para excitar al transductor se utilizó un pulso con duración en estado alto de 150 µs. El objeto de prueba con que se evaluó el cono ultrasónico fue una lámina metálica plana de forma rectangular de 0.43 m x 0.525 m teniendo como reflector una pared de madera a una distancia de 1.5 m. Cuando la señal de eco fue de aproximadamente 0.6 V se consideró que correspondía a la mínima amplitud necesaria para determinar el límite de energía del cono del haz ultrasónico.
En el transductor empleado el haz forma un cono sin alteraciones a lo largo de la trayectoria observada cuyo valor encontrado fue de 18.92° [37, 38], el patrón de radiación observado se muestra en la figura 3.5.
Capítulo 3 RESULTADOS.
Figura 3.5. Patrón de radiación-recepción obtenido con un pulso de excitación de 150 µs.
El patrón de radiación corrobora que sobre la línea de vista los objetos son detectados con un alto grado de confiabilidad, pero al salirse de esta distribución de energía la detección de objetos es nula. Tanto la señal de eco analógica, como la digital permiten la detección de objetos con una precisión del 98.6%.
Señales de control de los motores.
Las señales empleadas para controlar los motores en el sistema son provistas de dos maneras, utilizando el sistema auxiliar de movimiento y las señales que proporciona el puerto paralelo. El circuito temporizador en configuración astable del sistema auxiliar de movimiento implementado con valores comerciales de resistencias y capacitores proporciona una frecuencia de operación en el motor de avance de 69 Hz, la figura 3.6 muestra esta señal.
Figura 3.6. Señal de 69 Hz de secuencia de reloj del temporizador astable del sistema auxiliar de movimiento.
Capítulo 3 RESULTADOS.
El ciclo de reloj que controla los motores es proporcionado por el puerto paralelo y la secuencia de trabajo se genera mediante software, se eligió la frecuencia de operación de 80 Hz para el avance del motor de movimiento y de 40 Hz en el motor de giro del transductor, las figuras 3.7 y 3.8 muestran las dos señales.
Figura 3.7. Señal de 80 Hz proporcionada por el puerto paralelo para el control del motor de movimiento.
Figura 3.8. Señal de 40 Hz proporcionada por el puerto paralelo para el control del motor de movimiento del transductor ultrasónico.
La señal de excitación del transductor ultrasónico generada por el PIT es proporcionada por el bit B6 del registro de datos del puerto paralelo, tiene una duración en estado alto de 150 μs y un periodo de generación entre pulso y pulso de 10 ms, la figura 3.9 muestra la señal obtenida.
Capítulo 3 RESULTADOS.
Figura 3.9. Señal de excitación del transductor ultrasónico generada por el PIT. Interfaz Gráfica de Usuario (IGU).
El resultado del diseño de la interfaz de usuario donde se visualiza la representación gráfica de la distancia a los objetos alrededor de la trayectoria del móvil se muestra en la figura 3.10.
Figura 3.10. Interfaz Gráfica de Usuario (IGU) del sistema desarrollado.
En la interfaz gráfica se presenta la distancia al objeto calculada, la representación de los objetos alrededor del móvil por medio de una máscara de pixeles, el ángulo de giro del
Capítulo 3 RESULTADOS.
transductor y la distancia recorrida por el móvil, las teclas de avance y giro en forma manual, la máxima distancia de recorrido con el valor para cada intervalo y el ángulo de giro del transductor en forma automática, el móvil y el transductor, el área de trabajo del móvil y las opciones de guardar imagen y salir del programa; la interfaz tiene comunicación con el robot móvil por medio del puerto paralelo. Se evaluó el sistema con diversos escenarios de prueba dentro del laboratorio en los modos de operación de control manual y automático, los resultados fueron satisfactorios al 100%. En las pruebas del modo automático el robot fue capaz de determinar la presencia de objetos a su alrededor y se ha podido comprobar que la interfaz de usuario es simple de manejar, el hardware permite realizar modificaciones en la duración del pulso de excitación y control de los actuadotes del robot a partir de modificaciones únicamente sobre el software, el sistema es bastante fiable en cuanto a tolerancia a fallas y protección contra ruidos.
Los escenarios siguientes muestran algunas de las pruebas realizadas, las fotos muestran los escenarios de prueba reales y las imágenes BMP de la IGU la detección de los objetos por el sistema, la figura 3.11 muestra un escenario de prueba que contiene un bloque de madera colocado en frente del móvil a 1 m de distancia, se realiza esta prueba en el modo de operación manual con un ángulo de giro del transductor de ±30°, en la figura 3.12 se observa el resultado obtenido en la interfaz gráfica de usuario.
Capítulo 3 RESULTADOS.
Figura 3.12. Resultado en la IGU del escenario de prueba 1.
En la figura 3.13 se muestra otro escenario que consiste de tres objetos con diferentes constituciones físicas, dos en madera y uno en metal, se realiza la prueba en modo manual con un ángulo de giro para el transductor de ±45°, en la figura 3.14 se observan los resultados obtenidos en la interfaz gráfica de usuario, en donde se puede ver que el objeto del centro se encuentra a 2.16 m del móvil.
Capítulo 3 RESULTADOS.
Figura 3.14. Resultado en la IGU del escenario de prueba 2.
El escenario de prueba de la figura 3.15 consiste de dos superficies colocadas en el lado izquierdo del sistema las cuales están recubiertas de papel metálico, además se mantienen dos de los objetos del escenario 2. La prueba se realizó en el modo de operación automático con una distancia máxima de recorrido de 60 cm, con intervalos de 20 cm y el ángulo de giro del transductor ultrasónico de ±90°, la figura 3.16 muestra el resultado obtenido en la interfaz gráfica. Como se puede observar no importa la constitución física de los objetos y debido a que se considera sólo el eco con mayor energía, los objetos que se encuentran atrás no se observan.
Capítulo 3 RESULTADOS.
Figura 3.16. Resultado en la IGU del escenario de prueba 3.
El escenario de prueba de la figura 3.17 está constituido por una superficie en forma semiparabólica, esta superficie está constituida de papel metálico. La evaluación se realizó utilizando el modo de operación manual, con un ángulo de giro del transductor ultrasónico de ±75°, la figura 3.18 muestra el resultado obtenido en la interfaz gráfica en donde se puede ver que hay dos pixeles en la parte posterior que no corresponden a la superficie considerada, lo cual se debe a reflexiones secundarias debidas a la curvatura del objeto.
Capítulo 3 RESULTADOS.
Figura 3.18. Resultado en la IGU del escenario de prueba 4.
En todos los escenarios de prueba considerados se utilizaron objetivos de distintos materiales y formas, la respuesta obtenida fue bastante exacta como se mostró en las imágenes anteriores; excepto cuando se colocaron objetos de forma cilíndrica, los cuales no se detectaron en la mayoría de las ocasiones debido a que al incidir el haz ultrasónico en ellos se producían múltiples reflexiones que no siempre regresan al transductor o si lo hacen su energía es tan pequeña que ya no son apreciables para el disparo del pulso del transductor en el modo digital.
Capítulo 4 CONCLUSIONES