Informe final

Propuesta de Estudio: “Desarrollo mecatrónico de sistemas sensoriales

aplicados a las percepción remota de objetos distantes”

Clave SIP 20061322

Unidad de Adscripción:

Director de Propuesta de Estudio: Ing. José Rodolfo Martínez y Cárdenas

Participante: M. C. Fidel Diego Nava

Participante: Ing. Cayetano Serrano Blanco

Resumen

Durante los tres últimos años hemos venido desarrollando instrumentación inalámbrica

para medir parámetros físicos como es la temperatura, velocidad de desplazamiento,

humedad y deformación superficial por esfuerzos. Sin embargo, nació la necesidad de

medir otros parámetros físicos, como son la distancia a la que se encuentran los objetos,

y así mismo probar un sistema educacional para ayudarles a los invidentes a percibir la

forma de los objetos que se encuentren a cierta distancia de su posición.

Introducción

Se observó que en algunos proyectos de investigación se requiere de instrumentación de

aplicación específica, difícil de encontrar en el mercado nacional y extranjero. Debido a

esto se ha requerido llevar a cabo un proceso de autoequipamiento. Este proyecto en

forma específica nació como la necesidad del uso de instrumentos metrológicos

específicos del proyecto “Interacción mecánica entre el apero y suelo para las

condiciones de los Valles Centrales de Oaxaca”, Clave CGPI 20040087 y de la

propuesta de estudio “Estrategias para el establecimiento de un laboratorio experimental

del área de ingeniería para el desarrollo de tecnologías”, Clave CGPI 120051059.

Por otro lado dentro del desarrollo de percepción remota se trabajo en un sistema

educacional para ayudarles a los invidentes a percibir la forma de los objetos que se

encuentren a cierta distancia de su posición y en este documento se presentan los

resultados de esta investigación.

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Productos obtenidos:

1.- Construcción de un prototipo electrónico para medir la distancia de objetos distantes

utilizando sensores ultrasónicos.

2. Construcción de un prototipo electrónico para medir la distancia de objetos distantes

utilizando sensores infrarrojos.

3.- Codificación de 33 patrones acústicos representativos de imágenes geométricas

básicas, evolución de la construcción de conocimiento en invidentes y análisis

estadístico de los datos para constatar el aprendizaje de patrones acústicos.

I.- Prototipo de Medición de Distancia con Sensores

Ultrasónicos∗

Introducción

El diseño y construcción de este prototipo busca continuar y alimentar el quehacer de la

línea de Investigación en Formación Ingeniería de Prototipos del CIIDIR UNIDAD

OAXACA, este prototipo forma parte del instrumental de autoequipamiento que se está

desarrollando, ya que permitirá en un futuro formar parte de la infraestructura necesaria

para desarrollar y evaluar nuevos equipos.

Este prototipo es resultado del proyecto de investigación titulado “Desarrollo

mecatrónico de sistemas sensoriales aplicados a la percepción remota de objetos

distantes”, Clave SPI 20061322. LO

Este sistema ultrasónico permite medir a que distancia se encuentran los objetos

frontales con respecto al transductor, sus aplicaciones son diversas dependiendo ello del

uso específico que se le quiera dar. Por ejemplo, se pretende desarrollar un sistema de

visión ultrasónica para personas que tienen limitaciones visuales, ya que estas personas

no poseen las mismas facilidades de desenvolverse en el medio que lo rodea, ni navegar

por espacios complejos debido a los obstáculos que se van presentando. Otra aplicación

∗ Este prototipo es un producto de la propuesta de estudio: “Desarrollo mecatrónico de sistemas sensoriales

aplicados a la percepción remota de objetos distantes”, SPI 20061322

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es en el área de la navegación robótica por escenarios aleatorios, en donde los robots

deben de sensar los obstáculos que se encuentran en su trayectoria de desplazamiento.

La arquitectura electrónica involucra sistemas y componentes de alta tecnología, gracias

a ello la voluminosidad de los prototipos es mínima.

Objetivos generales y específicos

Este prototipo tiene por objetivo hacer la obtención numérica de la distancia entre el

dispositivo y un objeto cualquiera utilizando como base, la emisión y recepción de

ondas sónicas a través de transductores de ultrasonido. A futuro, este sistema será

acoplado a un dispositivo de visión ultrasónica para personas que tienen limitaciones

visuales el cual, con la información adicional que le será proporcionada por el circuito

ultrasónico, podrá conocer su ubicación precisa de un área desconocida para el usuario.

Se planteó una nueva arquitectura electrónica, con base a una nueva familia de

microcontroladores la AT. La construcción de un prototipo y la realización de pruebas

en las que a partir de su encendido, el sistema deberá realizar muestras constantemente

e indicar la distancia a la que se encontraran los objetos.

Problemas a resolver

Una de las partes importantes y fundamentales dentro del desarrollo de

este prototipo fue encontrar una arquitectura electrónica apropiada para

detectar la distancia entre el sujeto y el objeto a medir resultando ser para este

proyecto el sistema de transductor emisor-receptor ultrasónico. Este sistema

satisfizo nuestras expectativas y necesidades técnicas que fueron: el ángulo de

emisión, distancia de detección y la detección de objetos pequeños.

Otro problema a resolver fue la selección del microprocesador, ya que existe

una gran variedad de ellos en el mercado, una de las condiciones planteadas

es que este debería de ser capaz de procesar la información obtenida por el

transductor ultrasónico.

Alcances y limitaciones

La amplitud de la señal depende de la distancia existente entre el emisor

de las ondas ultrasónicas y el receptor de las mismas; ya que entre mayor es la

distancia mayores son sus pérdidas en intensidad, debiéndose a las pérdidas

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de la señal durante su trayecto. En otras palabras, mientras más lejos se

encuentre el dispositivo emisor, más trabajo le costará al receptor sensar la

señal emitida ya que ésta se irá debilitando en proporción a la distancia.

Por otro lado también se puede apreciar que la señal obtenida

comprende, a lo más, algunos milivolts de amplitud (600mVp-p max), por lo que

se requiere una etapa de amplificación.

Figura 1.- Ángulo de Emisión.

Sus principales limitaciones se encuentran en: el ángulo de emisión, ya

que solo puede detectar objetos que se encuentren dentro de un radio de 50º,

la otra limitación se encuentra en la distancia de detección que va de 4 cm. a

4 m. y por último el grosor de los objetos que tienen que ser mayores de

2.5cm, ver Figura 1.

OBTENCIÓN ELECTRÓNICA DE LA DISTANCIA

Análisis y planteamiento del problema.

Una vez comprendido el funcionamiento teórico del dispositivo SRF05 el

planteamiento principal ahora se divide en dos nuevos objetivos. El SRF05

requiere de un pulso de 10µ s como mínimo, por lo cual, el primer objetivo

consiste en la generación de dicho pulso. La segunda etapa electrónica se ve

conformada nuevamente, por un microcontrolador. El dispositivo ATMEGA16

realiza la función de generar el pulso que inicializa al circuito del SRF05.

Sencillamente, el ATMEGA ofrecerá dicho pulso en el pin 0 de salida del puerto

C, como muestra la Figura 12.

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Para obtener dicho estímulo será necesario inicializar el Timer1 del

dispositivo ATMEGA16. El temporizador/contador 1 que para poder obtener un

pulso lo más aproximado a11µs se recurre a una subrutina que nos los da con

el menor número de instrucciones posibles, aunque dentro de las

especificaciones del fabricante del SRF05, no se indica cual es el valor máximo

que puede tener de ancho dicho pulso. Esta configuración indica que, cada 8

pulsos de reloj. El timer trabaja con el reloj interno Fosc/1.

Figura 12.- Pulso inicializador.

Interfase visual.

Una vez obtenido el pulso de respuesta, el microcontrolador ATMEGA

realiza las operaciones necesarias para convertir este valor de tiempo en un

número equivalente a distancia. Ya generado internamente ese dato, éste

debía de ser mostrado al usuario. Como se mencionó en el capítulo anterior por

medio de un LCD.

Prototipo y programa

El puerto C se establece en el nivel lógico alto (1) al momento de iniciar la

cuenta. Cuando se alcanza el valor deseado de tiempo, indicación realizada

por el módulo de comparación, el puerto C se establece nuevamente en su

nivel lógico original, bajo (0).

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La preescala del temporizador se estableció de esta manera inicialmente

debido a las primeras condiciones de diseño del sistema, sin embargo se

comprobó que el resto de las preescalas también resultan útiles y precisas para

realizar esta tarea.

Figura 13.-Fotografía del prototipo ultrasónico de medición de distancia.

Una vez obtenido el pulso inicializador, la siguiente cuestión se concentra en

medir electrónicamente el tiempo de duración del pulso de respuesta. El

timer/counter1-TIMSK se configura en modo de captura, Figura 14.

Figura 14.- Medición del tiempo de duración del pulso.

El módulo de captura TIMSK se debe configurar inicialmente, para

captura en flanco de subida. Este mecanismo permite obtener el valor en el que

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se encuentra el timer/counter1 en el preciso instante en el que se recibe un

flanco de subida en el pin de entrada PC0.

Este valor se escribe en los registros del módulo y dicho número es copiado a

otros registros independientes para su almacenamiento que son ICR1L y

ICR1H. Es decir, cuando se reciba un cambio de nivel lógico de bajo a alto, se

captura el valor del temporizador en los registros del módulo TIMSK.

Nuevamente dicho número se guarda en otras celdas de memoria.

Las siguientes líneas representan las instrucciones, en lenguaje ensamblador,

que realizan las siguientes funciones.

Conclusiones

Para brindar continuidad a los proyectos iniciados en el Departamento

De Ingeniería Para El Desarrollo De Tecnologías del CIIDIR UNIDAD OAXACA

este prototipo de posicionamiento ultrasónico busca complementar con un

grupo de sistemas automatizados que brinden vanguardia y mayores

capacidades a los dispositivos que ya se encuentran además brindar al

departamento la información con respecto a nuevas variables que

anteriormente no se tomaban en cuenta, la posición de objetos en un área

determinada.

De esta manera los usuarios de este dispositivo contarán con nuevas

referencias que le permitirán acrecentar sus habilidades para tomar nuevas y

mejores decisiones, lo cual lo llevará a realizar tareas con mayor facilidad.

En esta investigación se implementó el uso de señales ultrasónicas para

poder calcular la distancia a la que se encuentra un objeto del sistema emisor.

La continuidad de este proyecto involucra que un siguiente alumno acople este

sistema posicionamiento ultrasónico a un chaleco con lo cual se le pueda

adaptar al usuario con limitada visión y pueda detectar obstáculos que se

encuentran en el medio que lo rodea.

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Durante el proceso en que se realizó esta investigación, conseguir y

adquirir el transductor correcto llevó a la elección de éste entre varias opciones,

algunas mejor que otras. Sin embargo, como se mencionó anteriormente,

circunstancias ajenas llevaron a la compra de los transductores ofrecidos por la

compañía Daventech ®. Algunas de estas circunstancias comprendían que, en

algunas distribuidoras, la adquisición de un par o dos pares de transductores

era imposible, su venta solo se podía realizar en cantidades superiores a los 25

pares, cosa que para efectos de este proyecto resultaba irracional.

La compañía mencionada anteriormente ofrecía sus transductores

acoplados a un sistema de precontrol, donde el usuario debía de

despreocuparse por la ampliación de las señales analógicas generadas por los

transductores.

Debido a estas facilidades se decidió adquirir el dispositivo SRF05, que facilita

el manejo de las ondas ultrasónicas para medir distancia.

Una vez que se obtuvo este importante elemento del sistema, se buscó

la forma para interpretar las señales que requería y ofrecía el componente.

Para cumplir con las necesidades demandadas por el SRF05, al igual que para

ejecutar las operaciones electrónicas primordiales, se decidió utilizar el

microcontrolador ATMEGA16. Este dispositivo de rango medio procesaría la

información necesaria para la segunda y última etapa de control.

La ventaja que nos ofrece el dispositivo ATMEGA16 con respecto a

otros, es que se puede almacenar un gran número de instrucciones en

memoria y realizar las tareas necesarias para este proyecto en un tiempo

relativamente reducido, sin tener complicaciones en su uso, aplicación y

acondicionamiento. Otra de las ventajas que ofrece el dispositivo es que

permite almacenar resultados de operaciones internamente y no en una

memoria externa, la cual incrementaría el precio del sistema además de su

reducido costo.

Una vez realizado el estudio anterior se programó el software en el

microcontrolador para genera el pulso iniciador del SRF05. Se debe de

mencionar que inicialmente se contó con algunos problemas ya que los

componentes para poder usar los ATMEL no se tienen en laboratorio por lo

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que se tuvo que construir su quemador y conseguir el programa para grabarlo.

El problema fue resuelto satisfactoriamente.

Ya obtenido el pulso y revisado el buen funcionamiento del ATMEL, se

prosiguió a la captura del pulso de respuesta del SRF05.

Resuelto lo anterior se pudo obtener los diferentes pulsos de respuesta

proporcionales a la preescala del temporizador se estableció de esta manera

inicialmente debido a las primeras condiciones de diseño del sistema, sin

embargo se comprobó que el resto de las preescalas también resultan útiles y

precisas para realizar esta tarea (en pulsos de reloj) de dicho pulso. A

continuación se debía de traducir dicho número a microsegundos y

posteriormente convertirlo, con un factor equivalente, a centímetros.

Realizar estas operaciones resultó en una de las mayores dificultades de

este proyecto debido a que, dentro del rango de instrucciones que posee el

lenguaje programador del ATMEL, no existe la posibilidad de ejecutar una

multiplicación y una división directamente entre sus registros. Para poder

realizar las anteriores operaciones se requiere de ejecutar un importante

número de iteraciones, sumas, restas, corrimientos, conteos e incrementos. El

procedimiento anterior se complicó, sobre todo, porque las multiplicaciones y

divisiones involucraban números de 16 hasta 32 bits. Finalmente, obtenido el

valor de la distancia en decimal, mostrar los datos en el Display de Cristal

Liquido (LCD) fue relativamente sencillo.

Una vez culminada la construcción del sistema, durante las pruebas, se

pudo apreciar ciertos fenómenos que no se tenían contemplados. Inicialmente

se fijó el emisor/receptor del SRF05 y se dejó a éste medir una distancia

constante. Con las pruebas se apreció el pulso de respuesta que entrega el

dispositivo. Dentro de esta observación se podía apreciar que el pulso en sí, no

era constante, incrementaba y reducía su ancho en un bajo pero constante

error.

Este fenómeno provoca que el valor mostrado en el LCD se encuentre

alternando constantemente, con una variación de + 1 a 3 milímetros. También

se pudo apreciar que, mientras mayor era la distancia, el error se incrementaba

considerablemente.

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Por ello, a distancias superiores a 2 metros, el error se aproximaba a los

+ 5 centímetros, lo cual resulta considerable.

Para solución que se puede tomar la medida de varias muestras y

posteriormente obtener un promedio. La exactitud se puede incrementar si se

aumenta el número de muestras. Sin embargo realizar este procedimiento

involucra incrementar el tiempo de respuesta y cálculo, por ello esta solución

no fue acoplada al sistema, la otra posible solución es utilizar la fusión de dos

sensores, que lo hagan en diferentes tiempos para que no se alteren entre

ellos.

Otro fenómeno que se observó, fue que el valor de la distancia variaba

ligeramente día con día. Esta situación se presentaba por el cambio de ciertas

condiciones ligeramente día con día. Esta situación se presentaba por el

cambio de ciertas condiciones meteorologías como la temperatura y la

humedad del ambiente donde se realizó el experimento. Como ya se había

mencionado en el anteriormente.

Para solucionar lo anterior y también para robustecer el sistema, se

propone la caracterización de las variables anteriores mediante sensores, para

ser consideradas en las ecuaciones que calculan la distancia y así obtener,

independientemente de las alteraciones que dichas variables sufran, y las

mediciones sean aún más precisas.

En el proceso de construcción del dispositivo, la anexión de baterías

puede otorgar independencia y movilidad al sistema.

Debido a que es prácticamente inevitable que la superficie donde se

coloca el dispositivo no intervenga en la emisión de las ondas ultrasónicas, se

recomienda que ésta se encuentre recubierta por algún material que impida el

regreso de la onda sónica que podría ser el terciopelo, material que por sus

características, absorbe las ondas sonoras y reduce, casi en su totalidad, el

reflejo de éstas.

Como se había mencionado en un principio, este proyecto busca tener

continuidad para mejorar las habilidades de algunos dispositivos. Muestra el

posible acoplamiento del dispositivo ultrasónico a un chaleco pectoral.

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Finalmente cabe mencionar que una de las razones por las cuales fue

adquirido el dispositivo SRF05, fue sus reducidas dimensiones y su facilidad

para acondicionarlo dentro de un sistema.

BIBLIOGRAFÍA

http://www.atmel.com/dyn/products/product_card.asp?part_id=2010

http://www.robodacta.com/PDFs/SRF05.pdf

http://www.monografias.com/trabajos11/infcinc/infcinc.shtml

http://www.elo.utfsm.cl/~lsb/elo325/clases/miniproyectos/Ultrasonido1/Ultrasonido1.doc

http://www.xtec.es/centres/a8019411/caixa/ondas.htm

2.- Desarrollo de un sistema de medición de distancia para invidentes con dispositivos de rayos infrarrojos RESUMEN

El sistema desarrollado es el inicio de la aplicación teórica que permitirá

en un futuro acrecentar las capacidades de los invidentes para navegar dentro

de ambientes comunes, mediante dispositivos infrarrojos. Este sistema

permitirá al invidente saber a que distancia se encuentra un objeto, abarcará

toda el área frontal del invidente utilizando para ello la teoría de la fusión

sensorial.

INTRODUCCIÓN

El rayo infrarrojo, a manera sencilla en término de amplitud y longitud se

entiende como una señal por debajo de lo que comúnmente conocemos

como el color rojo que no puede ser captada por la vista humana, sirve en

múltiples aplicaciones y es en muchos casos la manera de dar solución a

problemas de una manera menos costosa, pero de acuerdo a la aplicación su

implementación puede ser de mayor o menor complejidad.

Toda radiación al incidir sobre un objeto, en parte se refleja, en parte se

transmite y en parte es absorbida. Si además, hay un movimiento relativo entre

la fuente de radiación y reflector, se produce un cambio en la frecuencia de la

radiación. Todas estas propiedades de la interacción de una radiación con un

objeto han sido aplicadas a la medida de diversas magnitudes físicas.

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El sistema electrónico que recibe la información proporcionada por el

sensor infrarrojo se compone principalmente, por un microcontrolador de la

familia de los ATMEL, el cual convierte los valores de voltaje analógico en

datos binarios para después poder mostrarlos en un display.

Dentro de los componentes utilizados se determinó el funcionamiento del

sensor Sharp GP2D12, el cual es el elemento principal del estudio a realizar, ya

que sin él no podremos observar el comportamiento que debe tener cada uno

de los sistemas que lo componen. El sistema que llevó a cabo el proceso de

medición es el microcontrolador ATMEGA16.

Teoría del funcionamiento del sensor infrarrojo

La teoría de funcionamiento de este circuito esta basada en la emisión

de una señal infrarroja el fotoemisor y un elemento fotodetector (receptor) para

poder captar este tipo de señales ya que no son visibles por nuestros ojos, ver

figura 1.

Figura 1.- Detector de reflexión

MICROCONTROLADORES

Descripción y características de modelo Atmega16 de la marca ATMEL

El Atmega16 de 8 bits, esta diseñado con memoria flash para los que

requieren la programación o mejoras en el campo de aplicación. El CPU tiene

la capacidad de leer mientras se escribe en memoria y se puede programar o

reprogramar el bloque de memoria flash vía el SPI, USART, o la interfaz de dos

hilos, mientras que el código actualmente en uso se está ejecutando en el

bloque del cargador. El MCU funciona hasta 16 MIPS con frecuencia de

12

16Mhz, de baja potencia con tecnología cmos basado en la arquitectura AVR

tipo RISC. Ejecutando instrucciones en un solo ciclo de reloj, el ATmega16

alcanza los rendimientos de procesamiento que acercan a 1 MIPS por Mhz

permitiendo que el diseñador de sistema optimice el consumo de energía

contra velocidad de procesamiento.

El ATMEGA16 AVR combina un sistema de instrucciones basado con

32 registros de propósitos generales para su funcionamiento. Los 32 registros

están conectados directamente con la unidad aritmética lógica (ALU),

permitiendo que dos registros independientes sean ejecutados en una sola

instrucción por ciclo de reloj.

El ATmega16 proporciona las siguientes características: l6KB de

memoria flash borrable y programable en Sistema, 512 Bytes de memoria

EEPROM, 1KB de memoria SRAM, 32 registros de propósitos generales, 32

líneas bidireccionales, una interfaz JTAG para límite y exploración que ayuda a

eliminar errores de programación, tres Timer/Counters flexibles que comparan

las interrupciones de diferentes modos, internas y externas, un USART

programable serial, una interfaz en serie de dos hilos orientadas a bytes, 8-

canales de 10-bit para el ADC con la etapa diferenciada opcional a la entrada,

un contador de tiempo programable (perro guardián con el oscilador interno),

un puerto serial de SPI, y seis modos seleccionables de ahorro de energía del

software. El modo sleep para la CPU mientras que permite que el USART

realice la interfaz de dos hilos.

Convertidor Analógico Digital

Convierte un voltaje de la entrada analógica a un valor digital de 10-bits a

través de aproximaciones sucesivas. El valor mínimo es representado por

GND y el valor máximo representado es el voltaje en el pin AREF menos 1

LSB. Se puede conectar el voltaje al pin AREF configurando REFS en el

registro ADMUX. La referencia de voltaje interna puede ser desacoplada por un

condensador externo. El canal de entrada analógica y la ganancia diferencial

son seleccionadas escribiendo en los bits de MUX en ADMUX.

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GP2D12: Sensor medidor de distancias

La familia de sensores Sharp GP2Dxx es una de las más utilizadas tanto

en lo que viene a denominarse robótica móvil casera como en el ámbito de

investigación debido principalmente a su facilidad de integración y su bajo

costo. En la Figura puede verse una imagen de un GP2D12 (es un sustituto del

GPEYOA21YK)

Figura 2.- Curva característica del sensor GP2D12

14

Los GP2D12 dan una salida analógica entre 0 y 3 voltios en función de

la distancia a la que se encuentre el objeto. La salida analógica no es lineal

sino que sigue una curva como la que se muestra en la Figura 2. En

aplicaciones de robótica móvil es común la utilización de un convertidor

analógico-digital con el que se puede adaptar esa tensión para su tratamiento

digital. Cuando además interese conocer la medida con exactitud y no un valor

aproximado de la cercanía de los objetos, se debe realizar una calibración del

dispositivo que permita dar una magnitud de la distancia junto con una medida

del error cometido.

Estos sensores se basan en el principio de triangulación para realizar las

medidas. El elemento a la izquierda del sensor según vemos la Figura es un

led infrarrojo que emite un haz que será rebotado por el objeto y posteriormente

recogido por el elemento situado a la derecha. Este Último se conoce como

PSD (Position Sensing Device, Dispositivo de Percepción de Posición) y puede

entenderse como una lente situada sobre un arreglo de células sensibles a la

luz

El GP2D12 es un dispositivo que emplea el método de triangulación a

través de un pequeño Sensor Detector de Posición (PSD) lineal para

determinar la distancia o la presencia de los objetos dentro de su campo de

visión. Básicamente su modo de funcionamiento consiste en la emisión de un

pulso de luz infrarroja, que se transmite a través de su campo de visón que se

refleja contra un objeto o que por el contrario no lo hace. Si no encuentra

ningún obstáculo, el haz de luz no se refleja lo cual indica que no hay ningún

obstáculo. En el caso de encontrar un obstáculo el haz de luz infrarroja se

refleja y crea un triángulo formado por el emisor, el punto de reflexión

(obstáculo) y el detector.

La información de la distancia se extrae con la medición del ángulo α

puesto que abtg =α ;

αtgba = y como b siempre es conocida y cuando medimos

b podemos obtener a, ver Figura 3.

15

GP2D12/GP2D15

Figura 3.- Concepto de medida por triangulación

PRUEBAS Y RESULTADOS

Como se mencionó en el capítulo anterior, la distancia a la que se

encuentra un objeto del sistema infrarrojo depende del ángulo recepción del

haz de luz infrarroja. Para poder obtener el valor numérico de la distancia, es

necesario indicar determinadas especificaciones que llevan a realizar los

cálculos matemáticos adecuados.

Tabla de conversión

En este caso no vamos a realizar una calibración real del sensor ya que

esto implicará comparar las lecturas devueltas por cada GP2D12 con patrones

específicos para cada medida y disponer de un sistema lo suficientemente

preciso y con error conocido que nos permitiese determinar a su vez los errores

en las medidas del sensor. Estos sistemas suelen ser bastante caros o difíciles

de conseguir y normalmente se utilizan servicios de laboratorios

especializados.

16

Para la elaboración de este proyecto no se realizó una tabla de

conversión correspondiente o equivalente del voltaje con respecto a la

distancia, de la gráfica de la curva característica ofrecida por el fabricante, sino

se utiliza una sencilla fórmula la cual fue obtenida a través de analizar la forma

de la curva característica, ya que como podemos observar es muy similar a la

curva característica que nos presenta la ecuación Χ

=Υ1

DONDE:

Para nosotros Y: es la distancia medida u obtenida.

X: es el voltaje entregado por el sensor Sharp y ya convertido

digitalmente.

Nosotros haremos un cambio en el dividendo ya que en lugar de tener el valor

de 1 lo cambiaremos por el valor de 25300 y así de esa forma obtener valores

de distancia y voltaje correspondientes y entonces poder coincidir con la curva

característica del fabricante.

Por lo que nuestra nueva fórmula seria la siguiente:

digitalVoltajeciadis 25300tan =

Aplicamos esta fórmula en el microcontrolador y con cuenta el voltaje

entregado por el sensor de infrarrojos que medimos con un multímetro cada 5

cm. y luego tomamos lectura y finalmente obtenemos la siguiente tabla de

conversión, ver Tabla 1.

Tabla 1.- Relaciones de conversión

DISTANCIA

(cm.)

VOLTAJE

(mV)

VALOR MOSTRADO EN EL DISPLAY

(cm.)

80 313 80.83

75 333 75.4

17

70 362 69.88

65 391 64.75

60 423 59.81

55 458 55.25

50 502 50.39

45 560 45.17

40 635 39.84

35 715 35.35

30 830 30.48

25 993 25.47

20 1235 20.48

15 1665 15.19

10 2400 10.54

En el Tabla 1.- ofrecemos la correspondencia entre la distancia medida

de forma aproximada en centímetros y el valor devuelto por el conversor. Para

la generación de los valores se ha utilizado una superficie como la

recomendada por el fabricante en la hoja de datos del GP2D12, con el ángulo

de incidencia del haz infrarrojo perpendicular a la superficie. El sistema estaba

alimentado con una tensión regulada de 5 voltios. Estos valores pueden ser

completados con otros ángulos de incidencia o con otras superficies.

Se puede observar en el cuadro que los valores mostrados en el display

y los valores reales de medición solo presentan márgenes de error de tan solo

unas cuantas décimas, por lo que se podría decir que este proyecto si cumple

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con el objetivo principal que en este caso es poder tener una medida exacta o

muy aproximada de la posición de un objeto cualquiera a nuestra placa.

Podemos añadir unos cuantos comentarios a partir del análisis de los

valores recogidos en la tabla. El valor mínimo dado por el fabricante es de 10

cm. aunque vemos que es posible obtener lecturas que siguen haciendo crecer

los valores hasta los 8 cm. A partir de ese momento, las lecturas comienzan a

descender. En cualquier caso se recomienda que se sigan los criterios dados

por el fabricante ya que el error cometido en la estimación de la distancia en el

propio sensor puede ser considerablemente correspondiente al centro del

intervalo según la documentación manejada.

En el otro extremo ocurre igual. El fabricante indica que la mínima

lectura correspondiente a la máxima distancia es de 80 cm. Empíricamente se

ha comprobado que la máxima distancia real que puede obtenerse es de 120

cm. aunque las recomendaciones anteriores sobre el error de estimación

también debe tenerse en cuenta en este caso. El error a partir de los 80 cm. es

considerable.

Con lo cual se hizo una grafica de acuerdo con los datos obtenidos en el

cuadro anterior, y dio la curva característica muy similar a la que nos

proporciona el fabricante, ver Figura 4.

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Figura 4.- Curva característica obtenida de la distancia Vs. Voltaje.

cargará de convertirlo en un valor binario y entonces poder manipularlo

para después entregar un valor a través del puerto B que es el puerto en el cual

se conectará el display.

Interfase Visual.

Una vez obtenido el ángulo de recepción del haz de luz por el sensor de

infrarrojos y entregado un valor en este caso un voltaje analógico el

microcontrolador ATMEGA realiza las operaciones necesarias para convertir a

través del ADC con el que cuenta internamente, este valor de voltaje en un

número equivalente a una distancia. Ya generado internamente ese dato, éste

deberá ser mostrado al usuario. Como se mencionó anteriormente, esto será a

través de un LCD para mostrar las mediciones obtenidas.

Eficiencia del sistema.

Una vez construido el sistema o el medidor de distancias y que se ha

comprobado su funcionamiento, la siguiente etapa consiste en llevar acabo una

serie de pruebas con respecto al tiempo, para analizar la precisión y exactitud

del proyecto.

Por lo que ya es sabido existen diferentes factores ambientales

(temperatura, humedad, densidad del aire, polvo e iluminación del día), que

pueden intervenir en los resultados y provocar algún error en la lectura del

dispositivo.

Un error que en el dispositivo se puede dar, es el de captar una señal

infrarroja emitida anteriormente cuando el sistema se encontraba posicionado

en otro lugar, por ello, el primer resultado que se despliega puede resultar

erróneo. Ello lleva a esperar un nuevo periodo de tiempo para que el sistema

se estabilice y exista un nuevo cálculo preciso de la distancia.

RESULTADOS

En esta investigación se implementó con éxito el uso de señales

infrarrojas para poder calcular la distancia a la que se encuentra un objeto del

sistema emisor. La continuidad de este proyecto involucra que este sistema de

medición infrarroja se acople a un chaleco con lo cual se le pueda adaptar al

20

usuario con limitada visión y pueda detectar obstáculos que se encuentran en

el medio que lo rodea.

Una vez que se obtuvo este importante elemento del sistema, se buscó

la forma para interpretar las señales que requería y ofrecía el componente.

Para cumplir con las necesidades demandadas por el GP2D12, al igual que

para ejecutar las operaciones electrónicas primordiales, se decidió utilizar el

microcontrolador ATMEGA16. Este dispositivo de rango medio procesaría la

información necesaria para la segunda y última etapa de control.

La ventaja que nos ofrece el dispositivo ATMEGA16 con respecto a

otros, es que se puede almacenar un gran número de instrucciones en

memoria y realizar las tareas necesarias para este proyecto en un tiempo

relativamente reducido, sin tener complicaciones en su uso, aplicación y

acondicionamiento. Otra de las ventajas que ofrece el dispositivo es el

almacenamiento de resultados de operaciones internamente y no en una

memoria externa, la cual incrementaría el precio del sistema además de su

reducido costo.

Una vez realizado el estudio anterior se programó el software en el

microcontrolador para iniciar la conversión analógica-digital y sus debidas

operaciones aritméticas.

Realizar estas operaciones resultó en una de las mayores dificultades de

este proyecto debido a que, dentro del rango de instrucciones que posee el

lenguaje programador del ATMEL, no existe la posibilidad de ejecutar una

multiplicación y una división directamente entre sus registros. Para poder

realizar las anteriores operaciones se requiere de ejecutar un importante

número de iteraciones, sumas, restas, corrimientos, conteos e incrementos. El

procedimiento anterior se complicó, sobre todo, porque las multiplicaciones y

divisiones involucraban números de 16 hasta 32 bits.

Finalmente, obtenido el valor de la distancia en decimal, mostrar los

datos en el display de Cristal Liquido (LCD) fue relativamente sencillo. Una vez

culminada la construcción del sistema, durante las pruebas, se pudo apreciar

ciertos fenómenos que no se tenían contemplados.

21

Al realizar las pruebas con diferentes tipos de objetos de diferentes

colores se podía observar que en una distancia constante los valores arrojados

en el display no eran los mismos, tenían un pequeño margen de error entre

ellos en unidades de unos milímetros de diferencia.

Este fenómeno provoca que el valor mostrado en el LCD se encuentre

alternando constantemente, con una variación de + 1 a 5 milímetros. También

se pudo apreciar que, mientras mayor era la distancia, el error se incrementaba

considerablemente. Por ello, a distancias superiores a 70 centímetros, el error

se aproximaba a los + 1 centímetros, lo cual resulta considerable.

CONCLUSIONES

Para solución de este problema se puede tomar la medida de varias

muestras y posteriormente obtener un promedio. La exactitud se puede

incrementar si se aumenta el número de muestras. Sin embargo, realizar este

procedimiento involucra incrementar el tiempo de respuesta y cálculo, por ello

esta solución no fue acoplada al sistema, la otra posible solución es utilizar la

fusión de dos sensores, que lo hagan en diferentes tiempos para que no se

alteren entre ellos.

Otro fenómeno que se observó, fue que el valor de la distancia variaba

ligeramente día con día. Esta situación se presentaba por el cambio de ciertas

condiciones ligeramente día con día. Como son ciertas condiciones

meteorologías como la temperatura, claridad del día y la humedad del ambiente

donde se realizó el experimento. Como ya se había mencionado en él

anteriormente.

Para solucionar lo anterior y también para robustecer el sistema, se propone la

caracterización de las variables anteriores mediante sensores, para ser

consideradas en las ecuaciones que calculan la distancia y así obtener,

independientemente de las alteraciones que dichas variables sufran, y las

mediciones sean aún más precisas.

BIBLIOGRAFIA

David Benson, Easy PIC´n , A begginner´s guide to using PIC microcontrollers,

Equare 1, Version 3.1, 1997, ISBN-0-9654162-0-8

22

PAGINAS Web

http://www.x-robotics.com

http://www.robodacta.com

http://www.unicrom.com/Tut_fotodiodo.asp

http://es.wikipedia.org/wiki/Fototransistor

www.SuperRobotica.com

http://jdlope.tripod.com/

http://www.dia.fi.upm.es/~jdlope/

http://www.sharp.co.jp/ecg/opto/products/ird/qr18-01.html

http://www.joinme.net/robotwise/tutor ircompare.htm

3.- Codificación de 33 patrones acústicos representativos de

imágenes geométricas básicas, evolución de la construcción de

conocimiento en invidentes y análisis estadístico de los datos

para constatar el aprendizaje de patrones acústicos.

Resumen

En este trabajo se presentan tanto la metodología como las diferencias obtenidas en la

evaluación del aprendizaje de videntes vs. invidentes después de que ambos grupos

fueron sometidos a un proceso educativo básico de aprendizaje de patrones acústicos.

Donde estos patrones acústicos son el resultado de la transformación de imágenes

geométricas básicas a imágenes acústicas codificadas, con la finalidad de ofrecer un

sistema de ayuda para los invidentes durante su navegación por escenarios complejos.

El grupo seleccionado de videntes se caracterizó por tener una experiencia musical,

queriendo decir con esto que pueden ejecutar o ejecutaron algún instrumento musical en

alguna etapa de su vida. Su entrenamiento consistió en cinco sesiones de aprendizaje

con los patrones acústicos, en donde en las tres primeras sesiones el invidente sensó

táctilmente el borde (silueta) de un elemento geométrico que estaba plasmado en forma

resaltada sobre la tarjeta, formando así un total de 32 objetos, cada una de estas

imágenes geométricas posee una correspondencia lineal y única con un patrón acústico

además de tener un nombre. Finalmente se logró con esto la creación de conceptos de

23

figuras geométricas acústicas, lo que equivale a la lectura de texto acústico. En forma

paralela se siguió la misma metodología con invidentes y en este documento se

presentan los resultados de ambos grupos.

Entre los resultados más importantes de este trabajo es que ambos grupos tienen la

capacidad para decodificar los patrones acústicos, lo cual significa que se puede

desarrollar la lectura del texto acústico, por otro lado se muestra la posibilidad de enviar

al cerebro información correspondiente a la forma de un objeto real mediante la

obtención de su silueta. Este procedimiento de enviar datos físicos a través del sonido se

conoce como sonificación.

Palabra clave: Invidentes, prótesis acústica, patrones acústicos, sonificación.

Metodología

Estos experimentos realizados tienen como finalidad demostrar la hipótesis de que tanto

los videntes como invidentes tienen la capacidad de decodificar ciertos patrones

acústicos, después de haberse sometido un entrenamiento básico; por otro lado se

obtuvieron datos veraces que nos orientan sobre la complejidad de decodificación de

ciertos patrones, principalmente los relacionados con curvas.

El grupo seleccionado de videntes tenían en común el contar con una experiencia

musical considerable, ya que pueden ejecutar o ejecutaron algún instrumento musical en

alguna etapa de su vida. Su entrenamiento consistió en cinco sesiones de aprendizaje de

los patrones acústicos, en donde en las tres primeras sesiones el invidente sensó

táctilmente el borde (silueta) del patrón acústico que estaba plasmado en forma resaltada

sobre tarjetas y debería de relacionarlo tanto con su correspondiente nombre y con su

patrón acústico. Logrando con esto la construcción de conceptos de figura geométrica

acústica, lo que equivale a la lectura de texto acústico. Cabe mencionar que es algo así

como aprender un nuevo idioma, tarea que no es simple.

En la cuarta sesión se les pidió a los oyentes que ya sin el uso de tarjetas escucharan los

patrones acústicos y los dibujarán sobre una hoja de papel, después de esta sesión

pasaron a una última sesión en donde se escogieron en forma aleatoria 8 patrones del

grupo de 32, y se estimularon a los sujetos siguiendo la distribución de cuadrado latino,

finalmente se les pidió a los oyentes que dibujaran los ocho patrones seleccionados y se

hizo la evaluación correspondiente. Este proceso fue exactamente igual para los

24

invidentes, excepto que en lugar de dibujar las imágenes se les pidió que describieran

estas.

Los patrones acústicos están constituidos por 50 notas musicales escogidas del piano.

Estos patrones tendrán la capacidad de describir acústicamente desde una línea recta

hasta formas geométricas bidimensionales. Como referencia comparativa tenemos al

sistema Braille, el cual como es bien sabido es utilizado por los invidentes como

interfase de lectura basándose en la sensibilidad del tacto y el conocimiento profundo

del código creado por Luis Braille1 en 1825.

Se hizo la conversión del borde de la imagen a patrón acústico, a través de un programa

el cual va recorriendo todos los pixels y con base a este recorrido va escribiendo las

coordenadas respectivas en un archivo texto el cual será posteriormente compilado por

el lenguaje Csound, ver Richard Boulanger 2, con el objetivo de crear un archivo wav

en donde ya estará inmerso el patrón acústico. Este archivo .wav fue el que finalmente

se presentó al vidente.

Diseño experimental

Dentro del campo de experimentación subjetiva la aplicación de los cuadrados latinos3

se ha convertido en una herramienta estadística muy eficaz, debido a que cuando un

sujeto se expone sucesivamente a un cierto número de estímulos (para este caso en

particular, a estímulos acústicos), es lógico que el sujeto sea afectado tanto por el

proceso surgido con anterioridad, como por el número de procesos históricos que el

sujeto recibió previamente. Cuando llega un estímulo a nuestro cerebro, éste deja

plasmada una huella y según haya sido la magnitud del estímulo ésta huella va a afectar

a la percepción de los sonidos subsecuentes, ya sea enmascarándolos o resaltándolos.

1 El Sistema Brialle.- http://www.nodo50.org/utlai/lucer11.htm

2 Richard Boulanger, “The Csound book, Perspectives in software síntesis sound design, signal

processing, and programming”. Massachusetts Institute of Technology, 2000. Nota.- Es un lenguaje

desarrollado para sintetizar música del MIT Media Laboratories.

3 J. Denes, “Latin Squares and their applications”, Academic Press.

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El diseño de cuadrado Latino usado estuvo basado en el trabajo de T. M. Little y F.

Jackson H.4, en donde la distribución aleatoria de los tratamientos se restringe mediante

la agrupación de los mismos, tanto en columnas como en hileras (bloques). Así pues

resulta posible eliminar la variabilidad del error experimental asociada con ambos

efectos. Cada tratamiento ocurre el mismo número de veces (una sola vez) en cada

hilera y columna.

Un Cuadrado Latino requiere al menos tantas repeticiones como tratamientos existan;

por lo tanto no resulta práctico para experimentos con un gran número de tratamientos.

Los Cuadrados Latinos más comúnmente utilizados son aquellos que tienen entre cuatro

y ocho tratamientos, con una sola unidad experimental por tratamiento en cada columna

e hilera.

Las pruebas de la percepción de los patrones acústicos caen dentro del área de la

acústica subjetiva. Por ejemplo, supongamos que un sujetos a sido expuesto a diferentes

patrones acústicos, primeramente fue expuesto a un estímulo de patrón acústico de

rectángulo y posteriormente es estimulado por el patrón acústico de círculo, el efecto del

estímulo del patrón acústico de círculo en el sujeto puede verse afectado por el primero

(el del estímulo del patrón acústico del rectángulo) y si los invirtiéramos tal ves el

efecto sería diferente.

Resultados Experimentales

Como se mencionó anteriormente se seleccionaron del universo de los 32 patrones una

muestra aleatoria de 8 patrones los cuales son representativos del universo en cuestión.

En la Tabla 1 se presentan estos patrones.

Tabla 1.- Muestra aleatoria formada por los 8 patrones

Nombre del patrón acústico Representación de la

Figura

4 Thomas M. Little y F. Jackson Hills.- “Métodos estadísticos para la investigación en la agricultura”,

Editorial Trillas, 2002.

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Vertical izquierda y

horizontal alta.

Círculo

Vertical izquierda,

horizontal arriba y

vertical derecha

Línea Vertical

Cubo

Vertical izquierda y

horizontal baja

Horizontal Baja

Línea descendente y

ascendente

Los sujetos fueron sometidos a varias sesiones de entrenamiento, cada sesión se lleva

aproximadamente 45 minutos, durante cinco días. Es importante comentar que la

selección de las personas ha sido un punto crucial en la parte de aprendizaje y

evaluación, ya que la condición de que hayan tenido una formación musical ha

complicado las cosas, además de que estén dispuestas y comprometidas a seguir un plan

27

de entrenamiento. A continuación se presentan los resultados de los dos grupos de ocho

personas, ocho videntes y ocho invidentes.

Siguiendo los principios de la estadística descriptiva la cual sugiere que es mejor una

gráfica que un grupo de datos; con base en esto se tiene la siguiente Figura 1, la cual es

una descripción de los datos. Aquí se observa y se concluye muy claramente que una de

las figuras más difícil de identificar es el círculo. Con estos primeros resultados

experimentales podemos concluir que subjetivamente son difíciles de decodificar los

patrones acústicos los cuales representen curvas. Por otro lado se observa que el patrón

ascendente y descendente al mismo tiempo es difícil de decodificar por los invidentes;

las causas pueden ser muchas y tratar de explicarlas caeríamos en la tentación de

lucubrar mentalmente. Es aquí donde es pertinente utilizar las técnicas estadísticas para

ver si existe una diferencia significativa entre ambos grupos.

Figura 1.- Gráfica de barras de los patrones acústicos vs. Porcentaje de aprendizaje.

Con base a los datos representados en la Figura 1, se procedió a calcular la t student de

donde se concluye que no existe una diferencia significativa entre los grupos en lo que

respecta a la decodificación de patrones acústicos después de haber llevado un proceso

de construcción de conocimiento adecuado y pertinente a su inexperiencia con respecto

a este nuevo sistema.

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Conclusiones

El avance hasta aquí presentado está sustentado con sujetos con visión normal y con

experiencia musical vs. invidentes, demostrándose que ambos tienen la misma

capacidad de ir construyendo su propio conocimiento ante un sistema totalmente

desconocido el cual le permite recrear en su mente la imagen geométrica

correspondiente a partir de un patrón acústico.

El siguiente paso es que a partir de este constructo lograr en el futuro hacer más

estrecho el puente que existe aun entre estas imágenes geométricas básicas y las

imágenes reales de nuestro mundo circundante. Con el objetivo de brindarles a los

invidentes una prótesis que permita hacerles saber que forma posee la silueta del cuerpo

que se encuentra frente a ellos mediante un nuevo lenguaje acústico que aquí lo

mencionamos como patrón acústico.

Bibliografía

1. José Rodolfo Martínez y Cárdenas; Carlos Martínez Álvarez. “El concepto de earcon como una posibilidad para el desarrollo de texto Acústico”, 10º. Congreso Internacional Mexicano de Acústica. Puebla de los Ángeles, Pue., Del 26 al 28 de Noviembre 2003.

2. José Rodolfo Martínez y Cárdenas; Rolando Menchaca García. “El concepto de sonificación, el contorno de los objetos, la aculogía su lectura como texto acústico”, 11º. Congreso Internacional Mexicano de Acústica. Morelia, Michoacán, México, Del 6 al 8 de Octubre 2005.

3. José Rodolfo Martínez y Cárdenas; Rolando Menchaca García; Virginia Berrón Lara. “ Planteamiento de los patrones acústicos utilizados como un primer código de sonificación para invidentes y su análisis de varianza utilizando cuadrados latinos”, 12º. Congreso Internacional Mexicano de Acústica. Sta. Cruz, Tlaxcala, México, Del 26-28 de Octubre 2005.

4. Rodolfo Martínez y Sergio Beristain, “La percepción sensorial auditiva vista desde el punto de vista de la reversibilidad del mapeado de la imagen del mundo”, First Pan-American Meeting on Acoustics, 2-6 Dec., Cancún, México, 2002.

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