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Prototipo de Sonar Ultrasónico. Rodriguez, J. G., Aubone, E., Mulet, J.

Cátedra: Aplicaciones Industriales del Ultrasonido

Curso 2015

Departamento de Electrónica y Automática Facultad de Ingeniería

Universidad Nacional de San Juan Av. Libertador Gral. San Martin 1109, J5400ARL - San Juan

Argentina

jr_josegabriel@hotmail.com

emielo349@gmail.com

javier_14_20@hotmail.com

Resumen En este trabajo se desarrolló un prototipo de sonar con componentes de bajo costo que cumpliera con

requerimientos aceptables tanto en medición de distancia como en transmisión de datos. Se integraron

módulos electrónicos (tanto en Hardware y Software) de uso general para formar un sistema más

complejo. El desarrollo de software se basó en Arduino y librerías de este que resultaron en una

programación sencilla del sistema. La comunicación entre el sensor y el terminal de registro, se

implementó mediante Rf operando a 433MHz. con El prototipo desarrollado mostró un error máximo

del orden del 2%.

1. Introducción Mediante las variadas aplicaciones y ventajas que poseen los sistemas de ultrasonido, para este

proyecto se decidió usar alguna de ellas, se utilizó entonces un sensor de ultrasonido HC-SR04 y un

motor paso a paso para medir la distancia y la posición angular a la que se encuentra un objeto frente al

sensor, esto se realizó para distancias cortas (menores a 3 metros), se eligió este sensor después de una

análisis costo/rendimiento y debido a la simplicidad del mismo. El sensor va montado sobre un motor

paso a paso 28BYJ-48, el cual al dar un paso el sensor envía un pulso y lo recibe midiendo así el

tiempo de vuelo del pulso ultrasónico y del eco producido al rebotar este en algún objeto y por ende la

distancia a la que se encuentra el mismo, dicha medición y el ángulo en que se encuentra el sensor son

transmitidos por RF hacia un receptor con una pantalla LCD ubicado a varias decenas de metros del

sensor de ultrasonido. Tanto el transmisor (compuesto por el motor con su driver, sensor de ultrasonido

y modulo transmisor RF) como el receptor (modulo recetor RF y pantalla) son controlados cada uno

por un microcontrolador ATMEGA 328 de Atmel, el cual en el caso del transmisor es el encargado de

sincronizar el tiempo del paso del motor con el tiempo necesario para que el sensor de ultrasonido

envié y reciba el pulso. La transmisión se realiza por RF a una frecuencia de 433 MHz y en modulación

digital ASK debido a que el transmisor ya viene con ese tipo de modulación y tiene un aceptable

costo/rendimiento con una distancia máxima de transmisión de 120 metros en espacio libre.

2. Partes y Hardware del Sistema. 2.1. Ultrasonido, principio de funcionamiento.

El ultrasonido no es más que una onda mecánica al igual que el sonido que se propaga por un medio tal

como el aire, un sólido o un líquido, con la diferencia de que el ultrasonido tiene una frecuencia mayor

al sonido, siendo el rango para este último desde aproximadamente 16 Hz a 20 kHz (limite audible por

el ser humano), a partir de ahí se considera ultrasonido y un valor típico de uso es 40 KHz, aunque en

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algunas aplicaciones se utiliza una frecuencia mayor. La tabla 1 muestra la velocidad del ultrasonido en

distintos medios.

Tabla 1: Velocidad de Ultrasonido

Una de las aplicaciones más comunes del ultrasonido, y la que se aplicara en este proyecto, es la

medición de distancias. Para ello se usa un transductor ultrasónico que envía un pulso a la frecuencia de

interés, y se mide el tiempo que tarda en regresar el eco producido por el rebote de la onda en un

obstáculo. Con dicho tiempo y conociendo la velocidad de propagación del ultrasonido según el medio,

se calcula:

� ��

�∗ � ∗ � (1)

Siendo d la distancia, t el tiempo de tránsito y c la velocidad del sonido en el medio considerado. El

resultado se divide por dos ya que el tiempo que se mide es el transcurrido entre él envió del pulso y la

recepción del eco.

2.1.2. Problemas con el ultrasonido. A pesar de que su funcionamiento parece muy sencillo, existen diversos factores que influyen de una

forma determinante en las medidas realizadas.

Entre los factores que afectan a las lecturas están (1)

:

El campo de actuación del pulso que se emite desde un transductor de ultrasonido tiene forma cónica,

como se muestra en la Figura 1. El eco que se recibe como respuesta a la reflexión del sonido indica la

presencia del objeto más cercano que se encuentra dentro del cono acústico y no especifica en ningún

momento la localización angular del mismo, lo que puede producir un error en la medición.

Figura 1: Campo de acción de pulso ultrasónico.

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La cantidad de energía acústica reflejada por el obstáculo depende en gran medida de la estructura de

su superficie. Para obtener una reflexión altamente difusa del obstáculo, el tamaño de las

irregularidades sobre la superficie reflectora debe ser comparable a la longitud de onda de la onda de

ultrasonido incidente. Los factores ambientales tienen una gran repercusión sobre las medidas: Las

ondas de ultrasonido se mueven por un medio material que es el aire. La densidad del aire depende de

la temperatura, influyendo este factor sobre la velocidad de propagación de la onda. Un factor de error

muy común es el conocido como falsos ecos. Estos falsos ecos se pueden producir porque la onda

emitida por el transductor se refleja varias veces en diversas superficies antes de que vuelva a incidir en

el transductor.

2.1.3. Uso de ultrasonido en el proyecto.

Como se mencionó en párrafos anteriores, en este proyecto se hace uso de las características del

ultrasonido para la medición de distancias. Para ello se utilizó el sensor de bajo costo HC-SR04, el

mismo se muestra en la Figura 2.

Figura 2: Sensor HC-SR04

Las características del sensor son:

Tensión de alimentación 5V, consumo 30 mA Tip. 50mA, Max, Frecuencia de trabajo: 40 KHz.

Distancia Mínima: 3 cm, Distancia Máxima: 300 cm. Pulso de Disparo 10 uS min. TTL, Pulso de Eco:

100 uS - 18 mseg, Retardo entre pulsos: 10 msg mínimo

El sensor cuenta con 4 pines de conexión, dos de alimentación, uno para realizar el disparo y el último

para recibir el eco. La Figura 3 muestra cómo opera el sensor cuando se le aplica un pulso en el pin

trig, luego con el micro se cuenta el tiempo en alto del pin eco, el cual es proporcional a la distancia

según la formula mostrada en páginas anteriores.

Figura 3: Diagrama de tiempos de sensor HC-SR04

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El sensor va montado sobre un motor paso a paso, el cual realiza una rotación desde 0 a 90° y regresa,

es decir que el campo de visión del sonar es de 90°, este se puede realizar en 360°, pero se acoto para

realizar el experimento. La Figura 4 muestra el campo de acción del sonar.

Figura 4: Rango de acción del prototipo de sonar

El motor usado es un 28BYJ-48 con su driver correspondiente basado en un ULN2003 El tiempo entre

pulsos para mover el motor no debe ser menor a 17 ms para medir una distancia máxima de 3 metros en

el aire, ya que si se considera que la velocidad del ultrasonido en este medio es 340 m/s, y la distancia

máxima a medir es de 3 m, el tiempo está en el orden de 8.82msg. Considerando que la onda recorre 2

veces la máxima distancia de medición (por recorrido de pulso y eco), se tienen 17msg. En el sistema

completo se dio un tiempo entre pulsos de 150 msg, ya que la medición cambiaba muy rápido y se

dificultaba la visualización en el display.

3. Comunicación Inalámbrica.

3.1. Algunos conceptos previos (2)

.

Señal digital: Son señales cuyos signos representan ciertos valores discretos que contienen información

codificada. Los sistemas que emplean señales digitales suelen apelar a la lógica binaria, de dos estados,

los cuales son reemplazados por unos y ceros, que indican el estado alto o bajo del nivel de tensión

eléctrica.

Banda base: Se denomina banda base al conjunto de señales que no sufren ningún proceso de

modulación a la salida de la fuente que las origina, es decir son señales que son transmitidas en su

frecuencia original. Dichas señales se pueden codificar y ello da lugar a los códigos de banda base. Las

señales empleadas en banda base se pueden clasificar de la siguiente forma:

Unipolares

En este caso un 1 siempre toma una polaridad, positiva o negativa, mientras que un 0 vale siempre 0.

Figura 5: Señal unipolar

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Polares

En este caso la señal tomara valores positivos para un 1 lógico y negativos para un 0 lógico pero nunca

toma el valor 0.

Figura 6: Señal polar

Bipolares

En este caso un dígito toma valor con polaridad alternada mientras que el otro permanece siempre en 0.

Figura 7: Señal Bipolar

Modular: significa modificar la amplitud, la frecuencia o la fase de una señal portadora (que puede ser

una sinusoide), en función del mensaje. Esa señal portadora siempre es una señal de frecuencia elevada

mucho mayor al mensaje. Entonces una señal modulada está conformada por una señal portadora y una

señal mensaje o moduladora. La modulación consiste en trasladar el espectro de la señal mensaje desde

la componente continua, ω = 0, hasta ωC (frecuencia de portadora). La Figura 8 muestra el concepto.

Figura 8: Modulación de onda.

Modulación ASK

En la modulación ASK, las señales de datos ocasionan que la amplitud de la portadora varíe entre dos

estados 1 y 0. Generalmente, se utiliza lo que se conoce como OOSK u OOK (On-Off Shift Keying u

On-Off Keying), que consiste en transmitir portadora ante un estado lógico y anularla en el otro. La

Figura 9 muestra el concepto.

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Figura 9: Modulación ASK

4. Aplicación al sistema.

El prototipo de sonar desarrollado consiste en dos estaciones, una remota en la cual se realizaran las

mediciones pertinentes, y la otra una estación fija que recibirá los datos de la primera y los procesara

para la posterior visualización de los mismos por display. Para la transferencia de datos entre las

estaciones se realizó una transmisión inalámbrica por RF a una frecuencia de 433 MHz y modulación

ASK. Para lograr esto se utilizó un par de módulos RF de bajo costo:

Transmisor:

Modelo: MX-FS-03V, alcance: 20-200 metros, alimentación: 3.5-12V, tasa de transmisión: 4KB/S,

potencia de transmisión: 10mW, frecuencia de transmisión 433Mhz

Receptor:

Modelo: MX-05V, alimentación5V, consumo: 4mA, frecuencia de recepción 433MHz, sensibilidad -

105 dB.

4.1. Visualización de datos

Una vez recibidos los datos (Distancia y Angulo) en el receptor estos se visualizan a través de un

display LCD 16x2. Este display alfanumérico cuenta con una entrada de datos paralela de 4 o de 8 bits,

la pantalla es de 16 caracteres por 2 líneas (16x2) y está basado en un controlador Hitachi HD44780.

4.2. Microcontolador

Tanto la etapa remota como la fija, están controladas por placas de desarrollo de arduino (Arduino uno

y mini) basadas en el microcontrolador ATMEGA 328. El mismo es un micro de 8 bits, con 32 Kbytes

de memoria flash, un set de 131 instrucciones, 32 registros de 8 bits de uso general, 2 Kbytes de RAM,

3 timers/contadores dos de 8 bits y uno de 16, ADC de 10 bits por 6 canales, fuentes de interrupciones

internas y externas, USART, puerto serie SPI y 23 líneas de entrada/salida distribuidas en 3 puertos C,

B y D de 8 bits los 2 primeros y de 7 el otro, entre otras características..

Con el fin de maximizar el rendimiento y paralelismo, el AVR utiliza una arquitectura de Harvard. Las

instrucciones en la memoria de programa se ejecutan con un solo nivel de canalización. Mientras se

está ejecutando una instrucción, la siguiente instrucción es pre-cargada de la memoria de programa.

Este concepto permite instrucciones para ser ejecutadas en cada ciclo de reloj. La memoria de

programa es In-System, la memoria flash reprogramable.

La ALU es compatible con las operaciones aritméticas y lógicas entre registros o entre una constante y

un registro. Operaciones de registro individual también se pueden ejecutar en la ALU. Después de una

operación aritmética, el registro de estado es actualizado para reflejar la información sobre el resultado

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de la operación. Un módulo de interrupción flexible tiene sus registros de control en el espacio de E / S

con un bit de habilitación de interrupción adicional global en el Registro de estado. Todas las

interrupciones tienen un vector de interrupción separado en la tabla de vector de interrupción. Las

interrupciones tienen prioridad de acuerdo con su posición de vector de interrupción. Cuanto menor sea

la dirección de vector de interrupción, mayor será la prioridad. El espacio de memoria de E / S contiene

64 direcciones para funciones periféricas de la CPU como registros de control, SPI, y otras funciones

de E / S. La E / S de memoria se puede acceder directamente, o como localizaciones espaciales de

datos.

5. Integración de las partes del sistema (hardware). Todas las partes o módulos explicados en la sección anterior se integraron en un sistema total que

conformo el sonar ultrasónico, cumpliendo así el objetivo del trabajo. Los puntos siguientes muestran

el diagrama de bloque y el circuito esquemático del sonar.

5.1. Diagrama de bloques.

Estación Remota (transmisor).

Figura 10: Diagrama de bloques de estación remota (TX)

El micro envía pulsos al driver para que este mueva el motor, entre los pulsos al motor envía un pulso

al sensor de ultrasonido, mide el tiempo del eco del sensor, en base a ello calcula la distancia, calcula la

posición angular del sensor, forma las tramas de los datos a enviar con lo calculado y las manda al

módulo Tx RF en forma serie para que este las envié en forma inalámbrica al receptor.

Estación fija (Receptor).

Figura 11: Diagrama de bloques estación fija (RX)

El receptor RF recibe los datos del transmisor y envía la trama de estos al micro, este identifica si el

dato recibido es una medida de distancia o de ángulo, gracias a una marca colocada a la trama de cada

dato, y muestra lo recibido en el display en la posición correspondiente a Distancia y Angulo.

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5.2. Circuito esquemático.

Estación remota (TX)

Figura 12: Circuito esquemático estación remota (TX)

Estación fija (RX).

Figura 13: Circuito esquemático estación fija (RX)

6. Software. Los siguientes puntos muestran los diagramas de flujos y los programas desarrollados para lograr que

el sistema cumpla los objetivos propuestos. Para desarrollar los programas se usaron algunas librerías

de Arduino, estas serán explicadas también en puntos posteriores.

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6.1. Diagramas de flujo

Estación remota (TX):

Figura 14: Diagrama de flujo del software transmisor.

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Estación Fija (RX):

Figura 15: Diagrama de flujo de software de receptor.

7. Realización de pruebas. Se realizaron pruebas tanto de la medición de distancias, la distancia de transmisión por RF y la

directividad del sensor y se obtuvieron resultados bastante aceptables si se tiene en cuenta que se

usaron componentes de bajo costo. En cuanto al sensor de ultrasonido HC-SR04 se tomaron con él una

serie de mediciones de distancia y se obtuvieron los resultados mostrados en la Tabla 2.

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Tabla 2: Resultados de pruebas de medición de distancia.

Distancia Real [Cm] Medición [Cm] Error Abs 10 10,7 0,7

30 30,8 0,8

60 60,5 0,5

100 100,9 0,9

150 151,1 1,1

200 201,3 1,3

250 249,1 0,9

280 281,9 1,9

Como el sensor va montado en el motor, se probó también la directividad de este, para determinar si

detecta sobre todo el campo de acción del sonar, ya que el ángulo de detección del sensor, que es de

aproximadamente 15º, va a incidir en la medición si se intenta detectar dos objetos que estén cercanos

en la forma que muestra la Figura 16.

16: Prueba de directividad del sensor.

Como puede observarse en la Figura 16, el sensor detectara el objeto 1 aunque este en la posición para

detectar el objeto 2, ya que por el ángulo de detección el lóbulo de ultrasonido se abre demasiado y

rebota en el objeto 1, y este es detectado antes que el objeto 2. Después pasara a detectar el objeto 3 por

el mismo motivo, discriminando el 2. En cuanto a la comunicación inalámbrica se probó la distancia

hasta aproximadamente 80 mts con línea de vista y se obtuvieron resultados bastante aceptables. Se

probó también sin línea de vista en una distancia de aproximadamente 30 mt con resultados similares a

los anteriores.

1. Conclusiones. El sistema en general cumplió los objetivos propuestos. Como muestran los datos arrojados en las

pruebas mostradas en el punto anterior, la medición se realiza con un error aceptable, aunque el sonar

tiene puntos ciegos cuando debe detectar objetos como los mostrados en la Figura 23, esto se podría

mejorar con un sensor de mayor frecuencia, que tenga un ángulo de medición menor y sea más

directivo. La transmisión de datos se realizó de manera aceptable. En cuanto a la visualización de los

datos, si bien es sencilla, fue suficiente en este proyecto el uso del display para cumplir el objetivo.

Se debe tener en cuenta que el sistema es un prototipo de un sonar ultrasónico y se pueden aplicar

varias mejoras al proyecto, para ser usado en aplicaciones reales tanto en aire como en agua, como por

ejemplo un submarino no tripulado, el cual utilizara las mediciones realizadas para tomar decisiones

sobre su trayectoria, y además este puede enviarlas por cualquier tipo de transmisión inalámbrica para

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conocer en forma remota el entorno en el que está sumergido el submarino. En base a esto se pueden

aplicar mejoras en la transmisión de datos con un transmisor que alcance mayores distancias y con

mejores velocidades de transmisión. Se pueden aplicar mejoras también en la visualización de los

datos, ya que esta se puede realizar en forma gráfica y en tabla en matlab o bien en una interfaz de

usuario dedicada a tal fin. De igual modo se puede controlar remotamente el motor paso a paso para

que este se mueva como lo disponga el usuario. Se debe usar un sensor de mejor calidad y

evidentemente resistente al agua (sumergible) y dedicado a esta aplicación.

En definitiva este proyecto sirvió para mostrar conceptualmente como funciona un sonar ultrasónico, y

si se aplican las mejoras mencionadas y varias más, este sonar puede usarse en varias aplicaciones

reales que requieran de un “sistema de visión ultrasónico”.

Referencias: 1. Sensores de distancias por Ultrasonido – Diego Pérez

2. Módulos de RF – Prof. D. Bolaños

2. Manual ATMEGA 328P