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Development of a distance detection system in water with an active sonar

Desarrollo de sistema de detección de distancia en agua mediante sonar activo

Belman Jahir Rodríguez1, Felipe A. Vallejo M.2, Daniel Fernando Ramírez3 1brodriguez@usbbog.edu.co, 2fvallejo@usbbog.edu.co, 3dframirez@academia.usbbog.edu.co

Universidad de San Buenaventura Bogotá, Colombia

Artículo de investigación

Abstract

The increasing exploration of fresh and salt water bodies of aquatic species, images of the sea floor in conditions of low luminosity and the detection of submerged objects, among others, has been developed mostly by SONAR systems. The present work focuses on the revision of some distance detection systems in shallow water by means of active SONAR of different costs that exist in the current market, with the objective of developing a system of detection of aquatic species and the visualization of the ground under water. A detailed evaluation of the operation of these devices, some of their applications, the signals they can handle in terms of both frequency and amplitude, the processing of signals to obtain distance when sound waves are propagated in water and, how aspects such as salinity and temperature can affect the sound speed in the water.

Keywords: SONAR, active SONAR technologies, Signal Processing. Resumen

La creciente exploración en cuerpos de agua dulce y salada de especies acuáticas, imágenes del suelo marino en condiciones de baja luminosidad, la detección de objetos sumergidos, entre otros, ha sido desarrollada en su mayoría por sistemas SONAR. El presente trabajo se enfoca en la revisión de algunos sistemas de detección de distancia en aguas de poca profundidad por medio de SONARES activos de diferentes costos que existen en el mercado actual, con el objetivo de desarrollar un sistema de detección de especies acuáticas y la visualización del suelo bajo el agua. Se presentará una evaluación al funcionamiento de estos dispositivos, algunas de sus aplicaciones, las señales que pueden manejar en tanto a frecuencia y amplitud, el procesamiento de señales para la obtención de distancia cuando las ondas sonoras se propagan en agua y cómo interfieren aspectos como la salinidad y la temperatura en este fenómeno de propagación sonora.

Palabras clave: Sonar, Ultrasonido, tecnologías de sonares activos, Procesamiento de señales.

© 2017. IAI All rights reserved

Actas de Ingeniería Volumen 3, pp. 106-114, 2017

http://fundacioniai.org/actas

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1. Introducción Muchas de las tecnologías actuales que desarrolla el

ser humano, son basadas en la naturaleza. La eco localización es la forma de navegación e identificación de distancias y objetos que usan animales como murciélagos, especies marinas como ballenas y otros mamíferos acuáticos. Desde 1966 en la primera convención Animal Sonar Systems, realizada en Frascaty, Italia en 1966, se evidencio la necesidad en investigación sobre el diseño y desarrollo de sistemas tecnológicos con propiedades que se aproximen a los sistemas biológicos. Desde entonces han existido desarrollos significativos relacionados a los sistemas sonares biológicos y sus aplicaciones en el campo ingenieril [1].

La tecnología SONAR cuyas siglas corresponden a las palabras SOund Navigation and RAngin, puede ser pensada como una forma acústica del RADAR. Estas tecnologías SONAR y RADAR se encuentran tradicionalmente directa o indirectamente relacionadas con los gobiernos y agencias militares encaminadas en la guerra antisubmarina (ASW) Anti-Submarine warfare. Su principio de funcionamiento es netamente acústico y consta de un transductor, que emite ondas ultrasónicas (20 KHz – 500 KHz) hacia un objetivo, y un receptor, el cual captura las ondas reflejadas por el objeto. El uso del SONAR es bastante extendido en nuestros días. Sus aplicaciones van desde dispositivos electrónicos para estacionamiento de vehículos, hasta sistemas especializados para pesca y determinación de la biomasa en océanos [2].

Los sistemas SONAR son dispositivos que se usan en los procesos de navegación, comunicación o detección de objetos en el aire o agua. En general estos dispositivos se dividen de acuerdo a su construcción en: sonares activos, sistemas que emiten y a la vez detectan ondas sonoras y los sonares pasivos, que únicamente pueden detectar perturbaciones sonoras [3, 4].

El presente trabajo forma parte de una propuesta para desarrollar un sistema para detección de objetos en el agua de corto alcance por medio de SONAR activo, y determinar la influencia de diferentes factores como temperatura, salinidad entre otros, en el funcionamiento del sonar. Se implementarán sensores de salinidad, temperatura y transductores ultrasónicos integrados a

un microprocesador Raspberry Pi [5], para el procesamiento de los datos y la visualización en una interfaz gráfica de la distancia contra el tiempo. 2. Procesamiento de señales acústicas 2.1 En agua

El procesamiento de señales acústicas en el agua se

suele clasificar en tres tareas principales: Detección, Estimación y Clasificación [3]. En Detección el objetivo principal es determinar si la señal recibida por el detector posee o no una señal deseada, esto se reduce a una decisión binaria (existe o no existe esta señal). En el problema de Estimación, lo usual es extraer los valores numéricos de ciertos parámetros físicos ya sean propios a la señal detectada, la fuente de esta o algún parámetro del medio. A los problemas de estimación más complejos en los que se ven involucrados tanto propiedades del detector, el medio y la fuente se les suele denominar Problemas Inversos, ejemplos de estos son la extracción de propiedades del fondo marino (densidad, temperatura, etc.) de la señal recibida o la caracterización de una fuente u objetivo, a este problema inverso a veces se le conoce como clasificación.

El sistema propuesto, consiste en el procesamiento de señales acústicas por detección, en este caso el objetivo es determinar si la señal es recibida o no, es decir si es reflejada o no, para estimar una distancia en caso de la existencia reflexiones al objeto a estudio. Inicialmente se realiza un análisis de los sensores comerciales para detección de distancia en aire para determinar las señales ultrasónicas generadas, sus características en cuanto a amplitud y frecuencia y de esta manera generar un sistema propio para detección de objetos en agua.

2.2 En aire

Los dispositivos existentes el mercado para la

detección de distancia en aire analizados son de tipo SONAR activo, como el HC-SR04 y JSN-B02. El sensor de la Figura 1, el HC-SR04, es un dispositivo que se puede implementar en Arduino o Raspberry Pi, este posee un transductor emisor y uno receptor que trabajan a una frecuencia de 40KHz, es comercializado como un sensor de distancia.

Figura 1. Sensor HC-SR04, Transductor ultrasónico, Sensor JSN-B02

El dispositivo JSN-B02 es un dispositivo similar al HC-SR04, este puede ser resistente al agua pero no trabaja como dispositivo para cálculo de distancias al interior del agua, el dispositivo JSN-B02 implementa un solo transductor como el que se observa en la Figura 1. Este transductor cumple la función de ser emisor y receptor a 40KHz, por lo tanto también es considerado como SONAR activo. El transductor es usado comúnmente como

sistema de alarma de proximidad en algunos vehículos. El transductor de salida es el encargado de reproducir la señal acústica de alta frecuencia (ultrasonido) y el transductor de entrada es el encargado de recibir las reflexiones existentes emitidas por el transductor de salida en el medio de propagación. Este transductor de entrada debe tener las características físicas para poder recibir las señales de alta frecuencia (Figura 2).

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Figura 2. Esquema general de detección

El transductor de salida, o emisor, consiste en una

cápsula piezoeléctrica diseñada para generar su mayor amplitud a una frecuencia específica, 40 Khz. La señal emitida se propaga en el medio, en este caso aire y es reflejada cuando llega a alguna superficie, parte de la energía incidente a esta superficie es absorbida y otra parte es reflejada, esto depende de la composición del material de la superficie, esta propiedad se define como coeficiente de absorción [4]. Las ondas acústicas reflejadas vuelven hacia el transductor de entrada, que también es una cápsula piezoeléctrica y transforma la energía acústica recibida en una señal de voltaje de menor amplitud que la señal enviada por el transductor de salida. Los dispositivos de propagación en aire HC-SR04 y JSN-B02, son similares en funcionamiento, difieren por los transductores ultrasónicos, estos dispositivos funcionan para el microcontrolador Arduino o microprocesador Raspberry Pi, y se encargan de generar la activación de la señal ultrasónica y registrar el tiempo de envío y recepción de las señales ultrasónicas.

Los dispositivos HC-SR04 y JSN-B02, tienen 4 pines: Vcc, Gnd, (Entrada) Echo, (Salida) Trig. Los pines Echo y Triger son de salida digital y entrada digital respectivamente. El funcionamiento de estos dispositivos inicia por la activación (+5v TTL) de un pulso enviado desde un microcontrolador al pin Trig, de 10µs de duración. Esta activación permite al dispositivo generar una ráfaga periódica de ocho pulsos rectangulares de 40 KHz, para la generación de señal acústica ultrasónica como se puede observar en la Figura 3. Esta ráfaga de pulsos es emitida periódicamente con una separación aproximada de 60ms, la separación permite un espacio para la recepción de las reflexiones, por lo tanto en cada ráfaga se puede analizar una distancia cada 60ms.

Figura 3. Diagrama de tiempos en pulsos de envío y recepción ultrasónica

La señal acústica se propaga en el aire y puede ser reflejada o no; si es reflejada, puede regresar al otro transductor ultrasónico que recibe la señal ultrasónica. El transductor de recepción convierte la señal acústica en señal de voltaje, posteriormente la señal de voltaje pasa por un detector de envolvente para demodular la señal y finalmente, la señal pasa por un comparador de voltaje

cuya función es generar un dato lógico “1” si la señal recibida es mayor al ruido del sistema (caso de detección) o “0” si no hay reflexión es decir que la señal es inferior al valor definido en el comparador.

La salida del comparador es una señal lógica TTL, es enviada a un microcontrolador Arduino o Raspberry Pi [5], el microcontrolador o el microprocesador como se mencionó anteriormente, registra el tiempo de emisión (salida binaria de activación a Echo) y el tiempo de recepción (entrada binaria de recepción), y determina la distancia por la ecuación (1), como la diferencia de tiempo entre el pulso de salida Trig y el pulso de entrada Echo y la velocidad del sonido, dividido en 2.

𝐷𝑖𝑠𝑡 =(𝑇𝑒𝑐ℎ𝑜−𝑇𝑡𝑟𝑖𝑔)∗𝑐

2 (1)

Donde Ttrig es el tiempo de activación del dispositivo y envío de señal ultrasónica Techo es el tiempo de recepción del pulso ultrasónico y c es la velocidad del sonido. Es dividido entre dos debido a que el pulso hace recorrido de ida y vuelta a la superficie reflejante, por lo tanto la distancia es solamente la existente entre el dispositivo y la superficie reflejante.

De acuerdo con la ecuación (1) y los tiempos de pulsos definidos en la Figura 3, el sistema HC-SR04 y JSN-B02 pueden calcular una distancia máxima, correspondiente a la separación entre ráfagas, que es 60ms. Por lo tanto, aplicando la ecuación (1) y teniendo en cuenta que la velocidad del sonido en el aire para condiciones normales de temperatura (20 grados centígrados) y humedad (50%) es 343.2 m/s, que el tiempo de triguer es a los 0 segundos y el tiempo de recepción o T, echo es 60 ms (ecuación (2)).

𝐷𝑖𝑠𝑡 =(0.06𝑠−0𝑠)∗343.2𝑚/𝑠

2 = 10.29 m (2)

Por lo tanto, el medidor de distancia depende de la separación de los pulsos de ráfaga, a mayor tiempo de separación mayor distancia. Como ejemplo se presenta un código implementado en arduino que calcula la distancia en aire, para los sensores HC-SR04 y JSN-B02.

1 long tiempo; 2 int salida_trig= 9; 3 int entrada_echo= 10; 4 float distancia; 5 void setup() 6 { 7 pinMode(salid_trig, OUTPUT); 8 pinMode(entrada_echo, INPUT) 9 Serial.begin(9600); 10 } 11 void loop() 12 { 13 digitalWrite(salida_trig, HIGH); 14 delayMicroseconds(15); 15 digitalWrite(salida_trig, LOW); 16 tiempo = (pulseIn(entrada_echo=, HIGH)/2); 17 distancia = float(tiempo * 0.343); 18 Serial.println(distancia); 19 delay(1000); 20 }

En las primeras cuatro líneas se definen las variables a utilizar, cuales son de entrada y salida y se mandan por los pines 7 y 8 del microcontrolador. En las líneas 7 a 9 se definen que las variables “disparador” y “entrada” que son de salida y entrada, también se define la velocidad del puerto serial para visualizar los datos en pantalla por el monitor serial. En las líneas 13 a 15 se genera una señal de “1” lógico (+5v) con una duración de 10us, sirve para

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activar la señal ultrasónica del sensor, esta señal es enviada al pin trig del sensor, como se puede observar en la línea triger input de la Figura 3. En la línea 16 se registra el tiempo de regreso de la reflexión, en la línea 17 se calcula la distancia como el tiempo dado en microsegundos multiplicado 0.343 correspondiente a la velocidad del sonido. Por lo tanto si el tiempo que tarda es 25 ms en ida y regreso de la señal ultrasónica, la distancia resultante será (25000/2)*0.343=4.28 metros. Finalmente, en las líneas 18 y 19 se imprime la distancia y se espera un segundo para la toma del siguiente dato.

En este punto se concluyen las partes del Sistema de detección de distancias en aire por medio de ultrasonido, el siguiente paso es implementar transductores ultrasónicos que funcionan en agua, sin embargo, en este caso otros factores como la salinidad y la temperatura también influyen en la propagación de ondas acústicas en agua, a continuación, se expone cómo manipular estas variables para calcular la velocidad del sonido en agua. 2.3 En agua

La velocidad del sonido en el agua es pequeña en

comparación a la velocidad de las ondas electromagnéticas en aire por un factor de (2 × 105) [6]. Las variaciones de la velocidad del sonido, c, en el océano son relativamente pequeñas. Generalmente, c está comprendida entre 1450 y 1540 m/s. Pero sin embargo estos pequeños cambios afectan la propagación del sonido en el agua [7].

Los diferentes factores como salinidad, temperatura, turbidez, profundidad y frecuencia de propagación de la onda sonora, son propiedades que se ven influenciadas entre sí, e influyen en la velocidad de la onda propagada. La salinidad y la temperatura son características que determinan la densidad del agua de los océanos. La densidad del agua aumenta mientras más fría y más sal contenga, y se ve afectada por las precipitaciones dando como resultado la estratificación del océano. La salinidad es relevante en algunos procesos del cambio climático como las formaciones de aguas densas en las altas latitudes o en la circulación atmosférica en latitudes tropicales.

En la actualidad, para medir salinidad, se utilizan sensores de conductividad, sensores ultrasónicos, interferometría radiométrica con satélites, y sensores CTD (Conductivity, Temperature and Depth) [8]. El efecto de factores como salinidad y temperatura en el agua pueden causar que la velocidad de propagación del sonido cambie, por lo que es necesario mantener un monitoreo de los diferentes factores, para obtener un adecuado funcionamiento del sistema (sonar). Con este fin se implementa el sensor digital de temperatura (DS18B20) y el sensor análogo de salinidad o conductividad (A1003v1). 3. Sensores 3.1 De conductividad

La conductividad eléctrica se define como la capacidad que tienen las sales inorgánicas en solución (electrolitos) para conducir la corriente eléctrica. Los

iones cargados positiva y negativamente son los que conducen la corriente, y la cantidad conducida dependerá del número de iones presentes y de su movilidad. Para medir la conductividad de un fluido existen tres grupos de sensores: inductivos, capacitivos y celdas de dos o más electrodos [9]. Por lo tanto, la salinidad también influye en la propagación de las ondas sonoras en agua. Si el agua es más densa la ondas sonoras viajarán a mayor velocidad.

Se implementa un sensor análogo de salinidad A1003v1 (Figura 4), se compone de tres elementos: la sonda con los electrodos, un elemento de conversión y una conexión compuesta de tres terminales: Gnd, Vcc y Out. Esta salida de voltaje es de tipo analógico y por lo tanto debe ir a un conversor análogo digital para comunicarse con el microprocesador Raspberry Pi, la cual únicamente cuenta con entradas digitales en sus puertos GPIO(General Purpose Input Output) [10]. El sensor de salinidad mide la conductividad en un rango de 0-5000 microS/cm, (3.2ppt a 17 grados centígrados) (ecuación (3)).

35 ppt (part per thousand) = 53mSimen/cm (3)

Figura 4. Sensor de Salinidad A1003v1

3.2 De temperatura

El sensor DS18B20 es un dispositivo que obtiene la

temperatura en el agua y la comunica de forma digital al microcontrolador (Raspberry Pi). El sensor utiliza un protocolo de comunicación llamado OneWire [11], el cual utiliza un solo cable para enviar y recibir los datos, estos son enviados en grupos de 8 bits. Este sensor tiene un rango de operación de -50 a 125 grados centígrados, cuenta con 3 pines: Vcc, Gnd y digital, el cual realiza la comunicación bidireccional OneWire desde el sensor hasta un pin de entrada GPIO (General Purpose Input Output) de la Raspberry Pi. Es necesario utilizar una resistencia de pull-up conectada a la alimentación. El esquema de conexión se puede observar en la Figura 5.

Figura 5. Sensor de temperatura DS18B20

La propagación de las ondas acústicas en agua está dada por la ecuación (4), que es válida para temperaturas entre 0 y 35 grados centígrados, salinidad entre 0 y 45% y profundidades entre 0 y 1000 metros. La velocidad del

110

sonido aumenta con la temperatura, salinidad y profundidad [7].

𝑐 = 1449.2 + (4.6 ∗ 𝑡) − (0.055 ∗ 𝑡2) + (0.00029 ∗ 𝑡3) + (1.34 −

0.01 ∗ 𝑡) ∗ (𝑠 − 35) + (0.016 ∗ 𝑑) (4)

Donde: 𝑡 = 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎, 𝑠 = 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑 en partes por mil %0 𝑦 𝑑 = 𝑝𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑

Suponiendo primero un caso hipotético de

propagación de sonido en agua dulce, a temperatura de 20 grados centígrados, sin salinidad y a una profundidad de 10 metros entonces c es aproximadamente 1481 metros por segundo. Esta velocidad se tendrá en cuenta para futuras pruebas en agua dulce. Es claro entonces que la temperatura tiene una mayor influencia en la velocidad del sonido que la salinidad o la profundidad, pero este factor pierde importancia a medida que aumenta la profundidad. Teniendo en cuenta los parámetros que influyen en la propagación del sonido en el agua, para el cálculo de la distancia, se deben integrar los sensores que calculan estas variables al microprocesador como se puede observar en la Figura 6. Finalmente, es necesario implementar en esta etapa los transductores de ultrasonido acuáticos para el sistema completo de cálculo de distancia en agua.

Figura 6. Diagrama de conexión sensores-microprocesador

Raspberry Pi

4. Transductores ultrasónicos para agua

Es necesario implementar transductores ultrasónicos que trabajen en el agua a diferencia de los implementados en aire HC-SR04 y JSN-B02, para poder determinar la distancia hacia alguna superficie reflejante en agua, ya sea un objeto o la superficie acuática. Se implementan entonces dos transductores como los que se muestran en la Figura 7. Estos transductores según el fabricante trabajan a 200Khz.

Figura 7. Montaje de pruebas emisión y recepción

Sin embargo es necesario evaluar la capacidad de estos transductores de emisión y recepción, inicialmente evaluando su respuesta en frecuencia ingresando un barrido frecuencial por generador de señales. En la Figura 8 se puede observar la implementación de la prueba y las señales resultantes con los transductores de 200 kHz. Estos transductores emisor y receptor son ubicados para lograr la máxima relación de emisión/recepción la cual se logra colocándolos en el mismo plano como se puede ver en la Figura 8. Las gráficas demuestran que la máxima recepción se logra cuando la señal enviada es 200 kHz y de onda cuadrada, por otra parte cuando la señal enviada es de menor frecuencia la señal recibida es mínima.

Figura 8. Señal amarilla (Emisor 8v,200Khz), Señal azul (Receptor)

5. Implementación de sistema de detección

Después de evaluar el funcionamiento de los transductores ultrasónicos y los sensores de variables de temperatura y humedad, se procede a implementar el sistema que genere la señal ultrasónica y acondicione la señal recibida. El sistema propuesto se puede observar en la Figura 9.

Este sistema parte de la generación de señal ultrasónica, la amplificación de esta señal, el envío de esta señal por los transductores acuáticos. La señal es propagada en agua y se refleja en la superficie, esta reflexión presenta variaciones de amplitud dependiendo de la magnitud de las reflexiones.

Figura 9. Flujo de señal sistema de detección acuático

Estas reflexiones vuelven al transductor el cual convierte la señal acústica en voltaje, posteriormente debe ser

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amplificada nuevamente y pasar a un detector de envolvente. Después, continua a un comparador que genera una señal binaria para ser enviada nuevamente al microprocesador Raspberry Pi, el cual registra el tiempo de envío y recepción para el cálculo de distancia.

Por lo tanto, el paso inicial consiste en generar una señal cuadrada de 200kHz intermitente, desde el microcontrolador para ser enviada a los transductores HC-SR04 y JSN-B02.

Figura 10. Pulsos generados por el microcontrolador para transductor emisor, parte superior Ráfagas de pulsos intermitentes, parte inferior Ráfaga de señal ultrasónica

5.1 Generador de pulsos señal cuadrada de 200khz intermitentes

Es necesario generar desde el microcontrolador ya

sea Arduino o Raspberri Pi, una señal intermitente para de esta manera detectar continuamente la diferencia entre los pulsos emitidos y los pulsos recibidos como se describió en la Figura 3. Para generar esta señal es necesario activar y desactivar una salida digital del microcontrolador con ciclo útil de 50% y con duración 2.5µs en uno lógico y 2.5us en 0 lógico, esta señal debe durar lo suficiente para excitar el transductor y obtener una reflexión, después debe mantenerse en 0 lógico para esperar la señal recibida. La duración del tren de pulsos de prueba corresponde a 8 periodos de señal ultrasónica es decir 40 us, como se puede ver en la Figura 10.

La separación entre las ráfagas de pulsos es de 30 ms, es decir que la máxima distancia que podría medir en este caso corresponde a un tiempo de reflexión inferior a este valor. Si la velocidad del sonido en agua dulce es aproximadamente 1481 m/s y 1500 m/s en agua salada y teniendo en cuenta la ecuación (5).

𝐷𝑖𝑠𝑡 =(𝑇𝑡𝑟𝑖𝑔−𝑇𝑒𝑐ℎ𝑜)∗𝑐

2 (5)

T trig = 0

T echo = 30ms

La distancia máxima medida en agua dulce para estas condiciones es 22.2 metros. Y la distancia máxima medida en agua salada para estas condiciones es 22.5 metros. Por lo tanto, si se requiere medir una mayor distancia, la separación entre los pulsos emitidos debe ser mayor para que la reflexión pueda tardar más tiempo en regresar al transductor de entrada. Después de esta etapa la señal se amplifica para lograr que la reflexión tenga un nivel de ganancia adecuado para mejorar la relación señal a ruido y poder identificarla fácilmente. 5.2 Amplificador de señal ultrasónica

El amplificador de la señal de salida del

microcontrolador debe funcionar a las frecuencias manejadas por los transductores es decir 200kHz, para

verificar el funcionamiento se implementa el amplificador operacional LF353, según su hoja de especificaciones funciona para altas frecuencias. 5.3 Detector de envolvente

De acuerdo a la Figura 3, los pulsos recibidos deben

pasar a una etapa donde bajan de frecuencia, para poder ser identificados con mayor claridad, esta etapa corresponde a un detector de envolvente, básicamente comprende un diodo, un condensador y una resistencia, como se puede ver en la Figura 11.

Figura 11. Circuito detector de envolvente

El diodo permite el paso de los semiciclos positivos

recibidos, mientras que el condensador y la resistencia mantienen el voltaje para detectar la envolvente de la señal recibida, similar al funcionamiento de un receptor de radio AM, que implementa como demodulador un detector de envolvente para bajar la frecuencia de ondas de radio a ondas sonoras audibles, el cálculo de la resistencia y el condensador dependen de la frecuencia de la señal recibida y su ancho de banda de acuerdo con la ecuación (6).

1

𝑓 ≪ 𝑅𝐶 ≪

1

𝑊 (6)

Donde f, es la frecuencia del transductor 200KHz y W es el ancho de banda de la señal que en este caso es aproximadamente 10KHz, pues la respuesta del transductor se mantiene constante a valores de 195 KHz y 205 KHz. De acuerdo a la ecuación (6) valores posibles de resistencia y condensador son R=10K, y C=100nF. A continuación, se evalúa el funcionamiento de la etapa de detector de envolvente ingresando diferentes señales a diferentes frecuencias para verificar su comportamiento. Es necesario, de esta manera como se puede ver en la

112

Figura 12. Que la señal recibida debe ser mayor a 0.7v, pues el diodo trabaja a voltajes superiores a este valor, si

la señal es inferior, el diodo no puede rectificar la señal entrante.

Figura 12. Detector de envolvente: Amarillo (Señal de entrada), Azul (Señal de salida). a) 100 Hz, b) 1 Khz, c) 10 Khz, d) 200 Khz

5.4 Comparador Posteriormente a la etapa de detector de envolvente se debe implementar un comparador cuya función es generar valores lógicos TTL a partir de los voltajes análogos captados por los transductores de recepción ultrasónica, esos valores lógicos posteriormente deben ingresar a los puertos de entrada digitales del microntrolador, ya sea Arduino o Raspberry Pi. El comparador es implementado con el circuito de la Figura 13, que implementa el amplificador operacional LF353 evaluado anteriormente. A continuación se presentan las pruebas de funcionamiento del comparador con señal de entrada 200 KHz, sin embargo la señal entrante a esta etapa corresponde a una señal de más baja en frecuencia debido al detector de envolvente.

Figura 13. Circuito Comparador

5.5 Medición de distancia con sistema propio

Después de comprobar el funcionamiento de cada una de las etapas para el cálculo de distancia, se procede a evaluar el funcionamiento completo y el análisis de la señal en general. Es importante aclarar que los transductores de salida y entrada ultrasónica son exactamente iguales, por lo tanto, un solo transductor puede funcionar como emisor y receptor simultáneamente. La señal generada por el microprocesador es transmitida por el transductor al

medio de propagación, esta se mueve longitudinalmente a través del medio (agua) hasta el punto donde encuentra un obstáculo o superficie reflejante, en este punto parte de la señal regresa nuevamente al transductor. La señal que es recibida por el transductor pasa a un circuito (Figura 13), este se encarga de acondicionar la señal, para ser ingresada nuevamente al micro controlador y de allí enviar el dato de distancia a un microprocesador por medio de comunicación serial para graficar los datos de distancia casi en tiempo real. En la Figura 15 se observa la señal generada, la señal captada por el detector de envolvente y la señal de salida del comparador, correspondiente a la señal emitida y la reflejada.

La señal de salida del comparador (Figura 14) tiene valores 0 o 1 lógico TTL, es decir esta señal en esta etapa es apta para entrar al microcontrolador, al entrar al microcontrolador el software debe registrar este tiempo y así determinar la distancia desde los transductores a la superficie reflejante del objeto o de la superficie. Es importante aclarar que a mayor frecuencia de trabajo de los transductores son más direccionales, por esta razón el objetivo a evaluar en distancia debe estar ubicado en frente a los transductores.

Figura 14. Comparador con señal de 200 KHz, verde (Señal de

entrada), cyan (Señal de salida)

113

Figura 15. Evaluación de señal en sistema propio: señal emitida y reflejada en detector de envolvente, señal emitida y

reflejada en comparador

En la figura anterior, la distancia visualizada por los cursores del osciloscopio corresponde a un aproximado de 60 cm. En la Figura 16 se presenta el cálculo presentado por un software desarrollado en Python e implementado en una Raspberry Pi 3, similar al explicado inicialmente, desarrollado para Arduino con los módulos HC-SR04 y JSN-B02.

Figura 16. Visualización en software de distancia en agua

El software muestra un valor aproximado al estimado

por el análisis en osciloscopio, una temperatura de 20 grados centígrados y sin salinidad, esta prueba es realizada con agua dulce. La Figura 17 corresponde al funcionamiento de la interfaz gráfica, con una profundidad de un metro y variando la altura del transductor se pueden evidenciar los cambios de distancia constantemente en el tiempo.

Figura 17. Visualización de distancia variando la posición del

transductor

La versión inicial del software, es desarrollada en la Raspberry Pi por sus características como: reducido tamaño, puertos digitales de entrada y salida TTL GPIO que permite comunicación digital (UART, I2C, SPI) a los diferentes sensores y el sistema operativo Linux. El código se elaboró en el lenguaje de programación Python que posee licencia de código abierto y el microcontrolador Arduino. Una versión inicial del software calcula la distancia directamente en la Raspberry Pi, y otra versión captura la distancia desde

Arduino y la envía por comunicación digital a la Raspberry Pi, la cual muestra en una gráfica de dos dimensiones el tiempo versus la distancia, en tiempo real.

El sistema está compuesto de dos partes: sensores y procesadores. Los sensores implementados son el sensor digital de temperatura ds18b20 con comunicación haciendo uso del protocolo OneWire, el sensor análogo de salinidad A1003v1 que necesitó además un conversor análogo-digital, en este caso el AD/DA (PCF8591T) el cual cuenta con una resolución de 8 Bits y se comunica con la Raspberry Pi a través del protocolo I2C y una pantalla OLED para verificar variables de salinidad y temperatura. Para la emisión y recepción de ultrasonido en agua se utiliza un transductor de 200 KHz. 6. Conclusiones

El Sistema implementado cumple con los objetivos propuestos, se implementó un generador de señal ultrasónica, una serie de sensores para determinar con mayor exactitud la velocidad del sonido en las condiciones del medio y un acondicionamiento de toda la señal acústica y de voltaje para una óptima recepción y análisis por el software desarrollado.

El software desarrollado fue implementado en dos plataformas, Raspberry Pi en lenguaje Python, donde calcula la distancia directamente por los puertos de entrada GPIO, y también se desarrolló un código en Arduino que calcula la distancia por los tiempos de emisión y recepción de los pulsos ultrasónicos. Esta información de distancia es enviada posteriormente a la Raspberry Pi, la cual implementá la interfaz gráfica para mostrar la distancia en agua hacia un objetivo o superficie constantemente en cuasi-tiempo-real.

El sistema implementado puede funcionar de igual manera para determinar las distancias en aire. Únicamente se debe tener en cuenta que los transductores sean para aire y la frecuencia específica de oscilación, ya el proceso de captura es muy similar, únicamente varia la propagación del sonido pues en aire es aproximadamente 344 metros por segundo. Para mayor exactitud se pueden hacer correcciones en la velocidad del sonido teniendo en cuenta la temperatura y la humedad relativa del medio al implementar el software de visualización.

Para lograr más distancias y un funcionamiento óptimo se deben utilizar transductores de mejores características sobre todo en relación señal a ruido.

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