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IMPLEMENTACION DE SENSORES DE ULTRASONIDOS EN UN SISTEMA AUTONOMO DE TIEMPO REAL.Ma Esther Gilaberte Sanz 18 de marzo de 2003

Indice generalV

AGRADECIMIENTOS PROLOGO INTRODUCCION

VI VII X

I

FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS 1. . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 3 4 5 6 7 7 8 8 9 10 12 13 15 15 16 17

1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS 1.1. Introduccin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 1.2. Denicin de sensor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 1.3. Conceptos necesarios o terminolog necesaria . . . . . . . . a 1.3.1. Zona muerta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2. Mximo rango sensible. . . . . . . . . . . . . . . . . . a 1.3.3. Angulo de emisin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 1.3.4. Dimetro del cono de emisin. . . . . . . . . . . . . . a o 1.3.5. Frecuencia de disparo. . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.6. Inclinacin del haz de ultrasonidos. . . . . . . . . . . o 1.4. Caracter sticas f sicas de la onda ultrasnica. . . . . . . . . . o 1.5. Estudio de las restricciones de percepcin: sensores de ultrao sonidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.1. Sensores basados en el tiempo de vuelo . . . . . . . . 1.5.2. Sensores basados en desplazamiento de fase. . . . . . 1.6. El sistema ultrasnico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 1.6.1. Descripcin general del sistema . . . . . . . . . . . . o 1.6.2. El transductor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6.3. El mdulo electrnico. . . . . . . . . . . . . . . . . . o o

i

INDICE GENERAL 1.6.4. Medida del eco. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6.5. Resolucin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 1.7. Funcionamiento del sensor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.8. Conguraciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.8.1. Conguracin de un solo sensor. . . . . . . . . . . . . o 1.8.2. Conguracin de varios sensores. . . . . . . . . . . . o 1.8.3. Conguraciones para extraccin de caracter o sticas. . . 1.9. Incidencias del medio ambiente. . . . . . . . . . . . . . . . . 1.10. Errores de medida con ultrasonidos. . . . . . . . . . . . . . . 1.11. Aplicaciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.11.1. Introduccin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 1.11.2. Ventajas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.11.3. Diferencia entre deteccin de proximidad y medida del o rango. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.11.4. Campos de aplicacin. . . . . . . . . . . . . . . . . . o 1.11.5. Aplicaciones t picas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ii 17 18 19 20 20 22 27 28 29 31 31 31

. 32 . 33 . 34

II

Sistemas empotrados.

3839 40 40 42 42 45

2. Sistemas empotrados. 2.1. Introduccin.La era Post-PC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 2.2. Los cinco pilares del crecimiento de los sistemas empotrados. . 2.3. Para qu sirven? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e 2.4. Sistemas empotrados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5. Aplicaciones de los Sistemas de Tiempo Real dentro de 25 aos. n

III

Fundamentos del procesador ajile80 y JStamp 47. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 49 49 49 50 50 51 52 54 55 55

3. Java y el tiempo real. 3.1. Introduccin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 3.2. La plataforma JAVA. . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1. El lenguaje de programacin Java. . . . o 3.2.2. La mquina virtual Java. . . . . . . . . . a 3.2.3. Aplicaciones de Java en objetos mbiles. o 3.2.4. Conclusin. . . . . . . . . . . . . . . . . o 3.3. Tiempo Real. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1. Origen de los sistemas de tiempo real. . 3.3.2. Denicin de sistemas de tiempo real. . . o 3.3.3. Clasicacin. . . . . . . . . . . . . . . . o

INDICE GENERAL 3.3.4. Las limitaciones de tiempo en los sistemas real. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. Real-Time Java. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1. Introduccin. . . . . . . . . . . . . . . . . o 3.4.2. La debilidad de Java para las aplicaciones real. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.3. Principios a seguir. . . . . . . . . . . . . . 3.4.4. Diseo e implementacin. . . . . . . . . . n o 3.4.5. La Real Time Specication for Java. . . de tiempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . de tiempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

iii

. 56 . 57 . 57 . . . . 57 58 58 60 62 63 63 67 67 68 68 68

4. Fundamentos del procesador ajile80 y JStamp 4.1. Introduccin a Java. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 4.2. Qu es JStamp ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e 4.3. Software de desarrollo necesario para el JStamp. . . . . . . . 4.3.1. JEMBuilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2. Charade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. El procesador aJ-80. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1. Introduccin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 4.4.2. La arquitectura Java para sistemas Java empotrados de tiempo real ecientes. . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.3. The JEM2 direct execution Java microprocesor core. 4.4.4. Soporte hardware para hilos de Java en tiempo real. 4.4.5. Un entorno de ejecucin Java escrito enteramente en o Java. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.6. Manejo de memoria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.7. Manejo de interrupciones y bloqueo. . . . . . . . . . 4.4.8. Personalizacin del conjunto de instrucciones. . . . . o 4.4.9. Varias mquinas virtuales de Java concurrentes. . . . a 4.4.10. Multiple JVM Manager (MJM). . . . . . . . . . . . . 4.4.11. aJ-80: Un microcontrolador de Java para sistemas empotrados de tiempo real. . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.12. Timer/Counter (TC). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5. Acerca de Systronix Inc. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . .

. 69 . 70 . 72 . . . . . . 73 73 74 74 74 75

. 75 . 80 . 80

IV

Dise o. n

8788 89 89 90

5. Dise o. n 5.1. Requisitos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Descripcin de la tecnolog usada. . . . . . . . . . . . . . . . o a 5.3. Conexionado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

INDICE GENERAL 5.3.1. Conexiones en el JStamp. . . . . . 5.3.2. Circuito auxiliar. . . . . . . . . . . 5.3.3. Alimentacin. . . . . . . . . . . . . o 5.4. Programacin. . . . . . . . . . . . . . . . . o 5.4.1. Generacin del pulso de disparo. . . o 5.4.2. Lectura del eco de respuesta. . . . . 5.4.3. Calculo de la distancia. . . . . . . . 5.4.4. Comportamiento del robot. . . . . 5.5. Descripcin de la conguracin adoptada. o o 5.6. Programacin en JBuider8. . . . . . . . . . o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

iv 91 91 92 94 94 95 96 97 97 97

V

Apndices e

99100 104 107 113 120 125

A. Abreviaturas de Java. B. Datos del procesador aJ-80. C. Planos del procesador aJ-80. D. Datos del JStamp. E. Planos del JStamp. F. Regulador de tensin MC7808C. o

VI

Bibliograf a.

132133

Bibliograf a.

Al nal todo acaba funcionando. Carlos A. Garc a.

v

AGRADECIMIENTOSAnte todo agradecer a mis padres todo su apoyo y paciencia porque sin ellos nada de todo esto habra sido posible. Y GRACIAS tambin a todos aquellos (amigos, compaeros, profesores,...) e n que me han apoyado y ayudado durante todos estos aos. n

vi

PROLOGOLos sistemas autnomos son sistemas complejos dif o ciles de desarrollar. Integran mltiples sensores y actuadores, tienen muchos grados de libertad y u deben reconciliar tareas de tiempo real con sistemas que no pueden cumplir con los tiempos de entrega. Los robots autnomos son sistemas completos que operan dentro de eno tornos complejos sin la actuacin directa del ser humano. Ellos procesan o seales, establecen relacciones, toman decisiones en tiempo de ejecucin y n o adaptan sus planes de actuacin a las diferentes circunstancias externas. o La informacin que reciben les hace autoprogramables, alterando sus proo gramas en funcin de las condiciones de contorno. Estos sistemas incluyen o ciertas tcnicas de inteligencia articial en sus comportamientos. En la mae yor de los casos, la informacin requerida es la posicin, velocidad, el par, a o o aceleracin, fuerza, tamaos y formas de objetos y temperatura. La cuantio n cacin de estas medidas se realiza a travs de sensores mecnicos, pticos, o e a o trmicos, elctricos, ultrasnicos,... e e o Los robots mviles son una de las tecnolog que ms inters ha despero as a e tado en la industria por cuanto su posible aplicacin a una gran diversidad o de tareas de forma cooperante con el ser humano. Conforme la tecnolog se a ha ido desarrollando ha crecido en importancia el concepto de Autonom a el cual sobrepasa el concepto de sistema automtico. La autonom es un a a requerimiento adicional importante. Para denir la autonom podemos rea, currir a deniciones suministradas por el etlogo Smithers que dice: La idea o central del concepto de autonom se identica en la etimolog del trmino: a a e autos (propio) y nomos (ley o regla). Se aplic por primera vez en la ano tigua Grecia para referirse a aquellas ciudades o estados que se reg por an leyes propias en lugar de vivir acorde al poder de un gobierno externo. Es util contrastar el concepto de autonom con el de sistema automtico... Los a a sistemas automticos se autoregulan pero ellos no establecen las leyes que a sus reguladores intentan satisfacer. Estas leyes les son suministradas o estn a vii

PROLOGO

viii

inmersas en su construccin. Los sistemas automticos son capaces de cono a ducirse a lo largo de un camino corrigiendo y compensando los efectos de las perturbaciones externas. Los sistemas autnomos son capaces de generar por o ellos mismos las leyes y estrategias con las que regularan su comportamiento: se autogobiernan y se autoregulan. Determinan el camino a seguir y se conducen sobre l. e Esta denicin recoge la cuestin esencial, para ser autnomo primero o o o tiene que ser automtico. Esto implica sentir el entorno y ejercer acciones a sobre l de manera beneciosa para el agente y las tareas que debe desarrollar. e Pero la autonom va ms all que el automatismo, porque se supone que a a a la base de autoregulacin se genera desde la propia capacidad del agente de o componer y adaptar sus principios de comportamiento. Ms an, el proceso a u de construccin y adaptacin es algo que tiene lugar mientras el agente opera o o en su entorno. Para conseguir esto, el robot requiere una serie de capacidades que en gran medida se agrupan bajo el concepto de inteligencia. Se puede considerar que la inteligencia se centra en la habilidad de un sistema de mantenerse a s mismo mediante la creacin y uso de representa o ciones. Muy estrechamente ligada a la autonom est la capacidad de percibir el a a entorno y actuar sobre el mismo. Esta propiedad es la que permite al robot obtener datos sobre su entorno (sensacin) por medio de unos sensores y o elaborarlos para su utilizacin (percepcin) por medio de procesos de fusin o o o ms o menos elaborados. Parece claro que a mayor capacidad de autonom a a , mayor es la capacidad de percepcin y actuacin necesaria. En el proceo o so de percepcin no slo se ven involucrados los sensores, con el objeto de o o medir el tiempo de vuelo de una seal o una cantidad de luz. Tambin es n e necesario percibir situaciones errneas o peligrosas. Para esto adems de la o a capacidad de sentir y percibir es necesaria una cierta inteligencia en forma de conocimiento, bien previo o aprendido. Por otro lado, la inteligencia, a su vez, requiere de una capacidad de percepcin para poder evolucionar y o adaptarse. Esto lleva a un bucle cerrado en el cual no hay un principio y un nal. Es decir, no hay un antes ni un despus. Es cada vez ms admitido e a entre la comunidad investigadora que la capacidad de percepcin de un robot o construye o modica su inteligencia computacional, la cual a su vez decide su actuacin o interaccin con todo lo que le rodea cerrndose todo el ciclo. o o a Esta idea caer lejos de lo que en robtica aplicada a la industria podr a o amos denir como un control clsico de un robot, pero tambin es cierto que los a e

PROLOGO

ix

robots que hoy en d se utilizan en la industria, en el 90 % de las ocasiones a lo hacen en entornos estructurados y poco dinmicos, por lo cual sus necesia dades de percepcin y por tanto la inteligencia desarrollada es m o nima. Los grandes retos hoy por hoy de la robtica mvil se encuentran en : o o Capacidad de construccin de representaciones del entorno autnomas. o o Capacidad de trabajo en entornos cambiantes y dinmicos como los a entornos al aire libre (outdoor). Avances en los sistemas de visin articial. o Capacidad de cooperar en grupos de robots. Capcidad de comunicacin entre el robot y el hombre de forma natural. o Avances en percepcin y su relacin con la inteligencia. o o

INTRODUCCIONEste proyecto se engloba dentro de uno mucho ms ambicioso cuyo n es a la investigacin de las tcnicas de control de sistemas autnomos. Se pretende o e o crear un robot que reaccione ante lo imprevisto. Como plataforma de desarrollo se parte de un modelo de radio control de Tamiya, tipo Bigfoot, que aporta estabilidad, capacidad de carga y potencia motriz, y es de pequeo tamao lo que le dota de movilidad en n n interiores. Esta plataforma ha sufrido algunas modicaciones: Se le ha suprimido el control remoto. Se ha sustituido el servo de direccin por otro de par mayor, este cambio o es necesario debido al aumento de peso que va a experimentar el coche al dotarlo de sensores, bater procesadores, circuitos auxiliares,... as, Se han cambiado los engranajes metlicos por otros que proporcionan a una mayor durabilidad. Se le han eliminado los amortiguadores originales. Adems en la fase de diseo se tuvo en cuenta la distribucin de todos a n o estos componentes para facilitar el cambio y mantenimiento de los mismos. Este sistema autnomo tiene un cerebro principal situado en un armario o de control de la rma Honeywell, situado en el centro de clculo del Dea partamento de Ingenier de Sistemas y Automtica(DISAM) de la Escuela a a Tcnica Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad Politcnica de e e Madrid. Este cerebro es un computador con procesamiento en paralelo y se comunica con el coche mediante una red inalmbrica 802.11b del IEEE. a x

INTRODUCCION

xi

Figura 1: Plataforma. Dentro del coche se han incorporado dos procesadores: El procesador principal es una placa Wafer 5820, con factor de forma de 3,5 pulgadas, que ofrece un completo PC con procesador Pentium, ethernet y todos los puertos necesarios ocupando un espacio m nimo y con un consumo muy pequeo, adems de la poca disipacin de calor n a o que produce, con el consecuente ahorro en cuanto a problemas de diseo n se reere. La red inalambrica comunica esta placa Wafer con el cerebro principal. Un procesador secundario que se encarga de gestionar la informacin o procedente de los sensores y actuar en consecuencia, as como de con trolar el servo instalado. Como procesador secundario se usa el aJ-80 dentro del entorno de desarrollo JStamp que tiene como principal caracter stica su arquitectura nativa Java y su pequeo tamao (1 x 2 n n pulgadas). El objetivo de este proyecto ser dotar de informacin al sistema mediana o te la implantacin de sensores de ultrasonidos de BOSCH y programar el o

INTRODUCCION

xii

procesador para que acte en funcin de la informacin recibida, dotando u o o as de autonom al sistema. a

Parte I FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS

1

Cap tulo 1 FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS

2

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS 3

1.1.

Introduccin. o

Los sensores de ultrasonido estn siendo utilizados de forma creciente a en los ultimos 10 aos por parte de los diseadores de robots autnomos. n n o Los principales motivos son la buena relacin precio-cantidad de informacin o o proporcionada, que dichos sensores poseen. En la mayor de las implementaa ciones, la distancia a la que se encuentran los objetos se determina mediante el calculo del tiempo de vuelo de la seal (Time of Fligth T.o.F.). Es posin o ble, mediante el uso de varios de estos sensores, evitar obstculos de forma a rpida y sin interferencias entre los dispositivos. a

1.2.

Denicin de sensor. o

Los sensores van a ser en el robot la fuente de datos sobre los cambios tanto en el entorno (distancias a objetos, luz ambiental) como en s mismo (nivel de las bater as...). Entorno a los sensores conviene antes de entrar en profundidad en los mismos denir una terminolog a: Transductor : aquel dispositivo que transforma una magnitud f sica de entrada (por ejemplo luz) en otra de salida (normalmente voltaje). Procesador de seal : dispositivo que realiza una cierta operacin con n o una seal como un ltrado, amplicacin etc. n o Sensor : estar compuesto de uno o ms transductores y algn procea a u sador de seal. n Esta ser una denicin bajo un punto de vista de bloques. De forma funa o cional podemos decir que un sensor es un dispositivo que capta la magnitud de una variable f sica en un sistema f sico o entorno. Cualquier dispositivo que es alterado por las variacines de una manitud f o sica de una forma predecible y medible es un sensor para esa magnitud. As un sensor viene caracterizado , por su funcin de transferencia, que relaciona el valor de la magnitud f o sica con el valor que ste suministra en su salida. e Las caracter sticas que denen un sensor son: Accesibilidad. Es la zona del entorno f sico en la que las variaciones de la magnitud medir afectan al sensor. a

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS 4 Dimensin. Segun el valor sea escalar, vectorial, n-dimensional... o Rango de operacin. Loa sensores operan slo en un determinado o o rango de valores de la magnitud a medir e incluso de otras magnitudes. Datos. Formato de los datos. Discretos o cont nuos, procesamientolocal, ancho de banda, capacidades de compresin de la informacin... o o Sensibilidad. Especicaciones sobre exactitud y precisin. o Localizacin. Local o remoto al lugar de procesamiento. o Inteligencia. Se dice que un sensor es inteligente si tiene capacidades de procesamiento o decisin. El uso de sensores inteligentes permite o establecer un compromiso entre computacin y comunicacin. Las cao o pacidades de procesamiento local pueden reducir las necesidades de ancho de banda para una red de sensores. En robtica mvil se usan una gran variedad de sensores que miden distino o tas magnitudes. De todos ellos aquellos que ms se utilizan son los orientados a a resolver uno de los problemas fundamentales de todo sistema autnomo: o la determinacin de la posicin. Bsicamente este problema se resuelve meo o a diante medidas relativas de posicin o mediante sistemas absolutos de posio cionamiento. De todos ellos hay uno que destaca por ser utilizado en gran parte de las plataformas mviles, me estoy reriendo a los sensores de ulo trasonidos. Estos han sido utilizados desde los primeros robots dedicados a la investigacin hasta las ms recientes plataformas comerciales, con pocas o a variaciones en la tecnolog Junto con estos, los sensores basados en luz son a. otros de los sensores utilizados para determinacin de distancias a objetos y o por tanto para la construccin de mapas de entorno. o

1.3.

Conceptos necesarios o terminolog necea saria

Entorno a los sensores de ultrasonidos conviene antes de entrar en profundidad en ellos denir algunos conceptos:

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS 5

1.3.1.

Zona muerta.

Los sensores de ultrasonidos tienen una zona muerta en la cual no pueden detectar exactamente el objeto u obstculo. Esta es la distancia entre la mema brana sensora y el m nimo rango de sensibilidad. Si el objeto est demasiado a cercano, la seal ultrasnica puede chocar contra el objeto antes de que dicha n o seal haya dejado el transductor, por tanto, la informacin del eco devuelta n o al sensor es ignorada por el transductor, puesto que ste est todav transe a a mitiendo y no recibiendo. Si el objeto est demasiado cerca puede ocurrir a otro problema, que el eco generado se reeje sobre la membrana sensora y viaje de nuevo hacia el objeto. Estos ecos mltiples pueden dar lugar a errores u cuando el objeto est dentro de la zona muerta. a

Figura 1.1: Zona muerta.

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS 6

1.3.2.

Mximo rango sensible. a

El rango mximo en el que se puede detectar cada objeto y cada aplicacin a o se determina mediante experimentacin. En las guras 1.1 y 1.3 se muestran o las caracter sticas de sensibilidad y las distancias sensibles t picas para el sensor de ultrasonidos.

Figura 1.2: Cono de emisin. o

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS 7

Figura 1.3: Comparaciones.

1.3.3.

Angulo de emisin. o

El ngulo del cono de emisin est formado por los puntos del espacio a o a en los que la seal del sensor es atenuada por lo menos 3dB. Fuera de este n cono la seal de ultrasonidos existe pero es bastante dbil. Este cono debe n e determinarse experimentalmente y dentro de l pueden detectarse los objetos. e

1.3.4.

Dimetro del cono de emisin. a o

El sensor de ultrasonidos emite un haz de sonido en forma de cono que elimina los lbulos laterales. Es importante el tamao del objeto respecto del o n tamao de la zona que abarca el haz. Tericamente, el objeto ms pequeo n o a n detectable es aquel que mide la mitad de la longitud de onda de la seal del n sensor de ultrasonidos. Para 215KHz, la longitud de onda de la seal es de n 0.063, por lo que, bajo condiciones ideales, estos sensores son capaces de detectar objetos con un tamao m n nimo de 0.032. Normalmente los objetos son grandes, por lo que son detectados a varias distancias. para determinar

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS 8 el rea que abarca el sensor de ultrasonidos a una determinada distancia a (dimetro del cono de emisin), se usa la frmula: a o o

Box 2 X tan

2

(1.1)

Donde Box es el dimetro del cono de emisin a la distancia X. a o X es la distancia del objeto (obstculo) al sensor. a es el ngulo del cono de emisin. a o

1.3.5.

Frecuencia de disparo.

La mxima frecuencia a la que un sensor es capaz de dispararse o pararse a depende de varias variables, las ms signicativas son: a el tamao del objeto n el material del que est hecho a la distancia a la que se encuentra. De este modo la mxima frecuencia para un objeto pequeo ser menor a n a que para un objeto grande. Los materiales que absorben de sonido altas (algodn, esponja,...) son ms dif o a ciles de detectar que el acero, el cristal o el plstico. De este modo, ellos tienen tambin una menor mxima de frecuencia a e a cambiante. La distancia del objeto al sensor es muy importante para determinar el mximo de frecuencia de disparo. El sensor manda una seal ultrasnica por a n o el aire, la seal deja el sensor, viaja hasta el objeto, choca contra l y vuelve n e hasta el sensor como un eco.

1.3.6.

Inclinacin del haz de ultrasonidos. o

Si un objeto liso es inclinado ms de 3o con respecta a la normal al eje a del haz de emisin de la seal de ultrasonidos, parte de la seal es desviada o n n del sensor y la distancia de deteccin disminuye. Sin embargo, para objetos o pequeos situados cerca del sensor, la desviacin respecto a la normal puede n o

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS 9 aumentar hasta 8o . Si el objeto est inclinado ms de 12o respecto a la a a normal, toda la seal es desviada fuera del sensor y el sensor no responder. n a La seal que choca contra un objeto de supercie rugosa (como un material n granulado) se difunde y reeja en todas las direcciones y parte de la energ a vuelve al sensor como un eco dbil. e

Figura 1.4: Dependencia del rango de inclinacin. o

1.4.

Caracter sticas f sicas de la onda ultrasnica. o

Las ondas de ultrasonido se han utilizado para la determinacin de la o distancia desde hace muchos aos, as mismo se han empleado para la ubin cacin de un objeto en el espacio, en sistemas militares, de construccin, o o control industrial y robtica. o El funcionamiento bsico del sensor de ultrasonidos se basa en la medida a del tiempo transcurrido entre la emisin de un ultrasonido y la recepcin del o o eco correspondiente al mismo. Conocido el tiempo, y siguiendo la velocidad de propagacin del sonido en el aire la expresin o o v = 331,6 + 0,6 T (1.2)

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS10 (T en o C y v en m/s), la distancia a la que se encuentra el objeto que ha devuelto el eco se calcula segn la ecuacin : u o d = (331,6 + 0,6 T ) t 2 (1.3)

Donde t representa el tiempo transcurrido entre la emisin y la recepcin. o o Este tiempo es dividido por 2 para calcular slo el tiempo que tarda en o llegar la onda al objeto. El empleo de ondas de ultrasonidos en lugar de ondas electromagnticas se justica por los siguientes puntos: e Las ondas acsticas, al contrario que las electromagnticas, requieren u e de un medio para transmitirse; como puede ser el aire. La velocidad de transmisin de las ondas ultrasnicas es mucho menor o o que la de las electromagnticas (velocidad de la luz). Esta caracter e stica permite emplearlas para la medida de distancias pequeas. n La longitud de onda de un ultrasonido a 50KHz. es de 6.8mm:, medida que es mayor que la rugosidad de la mayor de las supercies, lo cual a permite que la reexin que se produce en la mayor de los objetos o a sea especular y no difusa. La apertura del cono de emisin constituye en realidad una aproximacin o o del lbulo central de emisin, pues la expresin de la onda emitida es en o o o realidad mas compleja, siguiendo un patrn como el mostrado en la gura o [1.5]

1.5.

Estudio de las restricciones de percepcin: sensores de ultrasonidos o

Los sensores de ultrasonidos no son ideales, es decir producen lecturas bastante aproximadas a la realidad, pero su repetibilidad es casi nula, como se puede observar en la gura, que muestra los mapas que se reconstruyen en tiempo real de un mismo entorno de navegacin, en diferentes experimentos. o Los sensores de distancia por emisin de ultrasonidos permiten modelar o el entorno en el que se mueven los robots mviles basndose en la forma en o a la que emiten y recogen las ondas de sonido.

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS11

Figura 1.5: Energ emitida por la onda ultrasnica en todas las direcciones a o del entorno. Observar como el lbulo central abarca un ngulo de 30o . o a

Existen bsicamente tres posibles aproximaciones al problema de la mea dida de la distancia a un objeto: Los sensores basados en el tiempo de vuelo de un pulso de energ a que viaja hacia un objeto en el que se reeja, para volver de nuevo al receptor. Los sensores basados en la medida del desplazamiento de fase, que necesitan una transmisin de seal cont o n nua, en lugar de emitir pulsos. Los sensores basados en un radar de frecuencia modulada. Esta tcnica e est bastante relacionada con la anterior. a

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS12

1.5.1.

Sensores basados en el tiempo de vuelo

La mayor parte de los sensores usan esta tcnica. El pulso de energ con e a el que se lleva a cabo la medida, puede provenir tanto de un generador de ultrasonidos, como de uno de energ ptica, o uno de radiofrecuencia. a o Por lo tanto, debido a esto, los parmetros importantes para llevar a a cabo la medicin son la velocidad del sonido en el aire, y la velocidad de la o luz. El tiempo medido es un representacin de la distancia existente entre el o dispositivo medidor, y el objeto que ha reejado la onda. La ventaja de estos sistemas, viene de su naturaleza directa de la medicin, y del hecho de que un mismo dispositivo puede actuar tanto como o generador, como receptor. La distancia al objetivo, puede obtenerse directamente de la salida del sensor, y no es necesario realizar ninguna suposicin o sobre si las supercies son planas, ni sobre la orientacin existente entre estas o y el sensor. Sus desventajas, vienen del hecho de que no se puede llevar a cabo un esquema de triangulacin, debido a la nula distancia existente entre emisor o y receptor. en cualquier caso, estos sistemas mantienen una buena precisin, o siempre y cuando el obstculo que se analiza presente un eco able. a Las fuentes de errores en la medida, vienen fundamentalmente de la imprecisin de la medida del tiempo, de las variaciones en la velocidad de onda o transmitida, de las deciencias en el circuito temporizador, o por interaccin de la onda con la supercie en la que debe reejarse. A continuacin se o o incluye una breve descripcin de cada uno de estos problemas. o Velocidad de propagacin de la onda: Para las aplicaciones de robtica o o mvil, las variaciones en la velocidad de propagacin de las ondas electroo o magnticas, puede ser totalmente ignorada. Este no es el caso sin embargo de e los sistemas acsticos, donde la velocidad del sonido, est muy inuenciada u a por la temperatura y en menor medida por la humedad. Incertidumbre de la deteccin: Estas variaciones vienen motivadas o por la distinta reexin de las ondas en distintos tipos de objetos. Algunos o las reejan con una intensidad mayor que otros, lo que hace que los sistemas de deteccin respondan de forma ms rpida ante los primeros, y por lo o a a tanto hagan que esos objetos parezcan ms prximos. Por este motivo, es a o muy importante la seleccin del valor umbral, a partir del cual se inicia la o deteccin de la onda. o

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS13 Incertidumbre en la medida del tiempo: Debido a la relativamente lenta velocidad del sonido en el aire, en comparacin con la de la luz, los o sistemas acsticos, tienen unos requisitos de velocidad muy inferiores a los de u sus contrapartidas basadas en la luz. La velocidad a la que se transmiten las ondas electromagnticas, obliga a imponer en los circuitos electrnicos unos e o requisitos de velocidad muy fuerte, requiriendo circuiter que responda en a tiempos inferiores al nanosegundo. Para obtener precisiones de tan solo 1cm, se necesita una circuiter con temporizaciones de 3 nanosegundos. Conseguir a esto resulta muy caro, y aparta estos sistemas de medida de las aplicaciones normales. Interaccin con las supercies: Cuando la onda se reeja en un objeto, o solo una pequea fraccin de la seal vuelve al receptor. El resto de la energ n o n a se reeja en otras direcciones, o es obserbida por la propia supercie. La energ reejada en distintas direcciones puede, a su vez, volver a reejarse a en ms objetos, y llegar nalmente al receptor siguiendo una l a nea que no es recta, o volver reejada a un receptor que no corresponde con el lugar desde el que fue emitida. A esto se lo conoce como habla cruzada.

1.5.2.

Sensores basados en desplazamiento de fase.

En este caso no se emite un haz de onda ultrasnica, sino una seal de o n larga duraccin hacia el objeto en cuestin. Una pequea parte de la seal o o n n volver al detector, siendo comparada con una seal de referencia igual a la a n emitida, pudiendo as medir la diferencia de fase entre ambas. El desplaza miento de fase puede expresarse en funcin de la distancia como: o = 4d (1.4)

donde es el desplazamiento de fase. d es la distancia al objeto. es la longitud de onda de la seal emitida. n De esta expresin podemos obtener que : o d= v = 4 4f (1.5)

Donde f es la frecuencia de modulacin de la seal. Para altas frecuencias, el o n desplazamiento de fase se puede medir multiplicando las dos seales (entrante n y de referencia mediante un dispositivo electrnico y hallando la media sobre o

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS14 dichos ciclos). Este proceso de integracin puede ser costoso en tiempo, por o lo que se har dif con una frecuencia de muestreo alta. Este proceso se a cil expresa matemticamente como a 1 T T l mT

(sin(o

2v 4d 2v + ) sin( ))

expresin que puede reducirse a: o = A cos( 4d ) (1.6)

esta formulacin para la obtencin de la distancia puede presentar un probo o lema de ambigedad de intervalo cuando la distancia medida excede la lonu gitud de onda de la seal modulada. Este problema reduce el atractivo de n los sistemas de desplazamiento de fase, ya que se hace necesario mecanismos adicionales para eliminarla o bien asumir su posible aparicin. Entre o las posibles soluciones se encuentra limitar la distancia mxima medible a lo a permitido por el intervalo de ambigedad, realizando dos medidas a distintas u frecuencias de modulacin. o

Figura 1.6: Efecto del desplazamiento de fase

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS15

1.6.

El sistema ultrasnico. o

El sistema se compone fundamentalmente de un transductor electrosttico, a y de una pequea placa electrnica en la que est la circuiter encargada de n o a a emitir los pulsos, recibirlos, y procesarlos. Para determinar la distancia a un objeto, se mide de forma externa, el intervalo transcurrido entre la emisin o y la recepcin del pulso ultrasnico. o o Con el uso de un reloj apropiado, se pueden obtener precisiones elevadas. Si se necesita una precisin muy alta, es necesario llevar a cabo correcciones, o segn la temperatura del aire. u

1.6.1.

Descripcin general del sistema o

La determinacin de distancias por medio de un sistema de medicin de o o ecos es un proceso muy simple. Un pulso corto de energ ultrasnica se a o genera de forma electrnica, se amplica y se env a un transductor. La o a seal viaja a travs del medio 8 en general el aire), se reeja en un objeto, y n e vuelve al transductor. Esta seal se recibe, se amplica, y se procesa por el n sistema electrnico. El tiempo que ha tardado en viajar la seal se puede usar o n para determinar la distancia a la que est el objeto, al conocer la velocidad a a la que se transmite el sonido en el aire. El sistema de medida ms simple se compone tan solo de dos mdulos, el a o mdulo electrnico, y el transductor. El transductor, de tipo electrosttico o o a o piezoelctrico, se usa tanto para emitir el pulso, como para recibir el eco. e El segundo mdulo, contiene toda la circuiter necesaria para generar la o a seal que se transmitir, enviarla al transductor, recibir el eco, y procesar la n a informacin obtenida de ste. o e La distancia del transductor al objetivo, puede determinarse por un circuito adicional que conozca la velocidad del sonido en el aire, y el intervalo de tiempo transcurrido entre la emisin y la recepcin de la seal. o o n Esta amplicacin llevada a cabo en el receptor, es la parte ms como a plicada del sistema, ya que debe ser de caracter exponencial (al igual que lo es la atenuacin del sonido en el aire), y tiene que partir desde valores o de amplicacin pequeos hasta subir la intensidad de la seal recibida en o n n varios ordenes de magnitud.

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS16 Para minimizar el peligro de que pequeos ruidos confundan al sistema y n ste no crea recibir falsos ecos, el sistema dispone de un integrador, en el que e se recibe la seal entrante. Solo cuando a la salida del integrador se alcance n un nivel determinado se considera que se ha recibido un eco autntico. e Las seales de salida, indican los instantes en los que se envi el pulso, n o y el instante en el que se recibe el eco, por lo que resulta sencillo llevar a cabo funciones de control, as como medir el tiempo transcurrido entre ambos eventos.

1.6.2.

El transductor.

La parte ms importante del sistema es el transductor electrosttico. a a Est compuesto por una membrana muy na, una lmina recubierta de oro a a para formar el electrodo negativo de un diafragma de vac El electrodo posio. tivo, es una lmina recubierta de aluminio, que tambin sirve como estructura a e resonante para el diafragma.

Figura 1.7: Transductor del sensor de ultrasonidos La seal no se transmite de forma lineal en l n nea recta, a partir del transductor, sino que en lugar de esto se genera una seal que se extiende formando n un cono.

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS17

1.6.3.

El mdulo electrnico. o o

La electrnica del sistema de sonar est reunida en un unico mdulo, o a o usando circuitos integrados espec cos para realizar las funciones digitales y analgicas. Estos dos circuitos integrados, estn unidos junto con los compoo a nentes discretos necesarios, en una pequea placa de tan solo 2cm de ancho n y 4 de largo. Cuando se activa el sistema, estos circuitos generan una serie de pulsos a frecuencias discretas distintas. La seal se amplica en un transformador n incluido en la placa. La componente cont nua se mantiene en el transductor, por medio de un condensador de almacenamiento, mientras este acta como u micrfono para recibir el eco. El transductor se bloquea durante unos pocos o microsegundos, para evitar la recepcin del eco que se genera al salir la seal o n del propio transductor, y a partir de ese instante pasa a actuar como un micrfono. o Para compensar la prdida de energ de la seal al recorrer mayores e a n distancias, la ganancia del amplicador que trabaja en la recepcin de la o seal, se va incrementando en funcin del tiempo, adems de disminuir en n o a ancho de banda para disminuir los efectos del ruido. Cuando una seal es recibida por el sistema, y si esta seal supera un n n nivel umbral m nimo, se activa una fuente de corriente, que va cargando un condensador hasta que alcance ste los 1.2V. En este instante, se considera e que la seal recibida es el eco, y se genera una seal lgica. n n o Para medir el intervalo de tiempo transcurrido entre las dos seales hay n que recurrir a un circuito externo. Al multiplicar este valor por la velocidad del sonido, y teniendo en cuenta que la seal se ha recorrido dos veces, divin diendo entre dos, se obtiene la distancia a la que se encuentra el objeto del transductor.

1.6.4.

Medida del eco.

Mientras que el hecho de medir el eco recibido es relativamente simple, algunos de los procesos involucrados en l no lo son. La propagacin de la e o energ acstica a travs de un medio uido es muy compleja, pero afortua u e nadamente, a las frecuencias con las que se trabaja est bastante bien estua diada, y la mayor parte de los factores de atenuacin, reexin, refraccin, o o o etc. pueden ser simplicados de una forma bastante satisfactoria.

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS18 Los factores acsticos que ms afectan al rendimiento del sistema de meu a dida por sonar estn relacionados con el rendimiento del transductor, su a frecuencia de trabajo, y la distancia mxima a la que se desee llegar con las a medidas. Dejando a un lado los aspectos electrnicos, el aspecto que ms interesa o a es la relacin existente entre el alcance y la frecuencia de trabajo. Esta es o debida a la atenuacin que tiene cada frecuencia al viajar por el aire. El o mecanismo de esta perdida es bastante complejo, dependiendo de factores tales como la temperatura, humedad, etc. El efecto de atenuacin debido a o la humedad es mximo, al trabajar con valores intermedios de la misma. a

1.6.5.

Resolucin. o

En general, con un sistema de medida de ecos ultrasnicos, se puede llegar o a alcanzar una resolucin del orden de la longitud de onda de la seal que se o n transmite. Esto, por supuesto, depende del tipo de sistema de deteccin empleado. o En estos sensores se usa una sencilla tcnica de integracin. Cuando la seal e o n que se recibe, supera un umbral determinado, se activa una fuente de corriente que empieza la carga de un condensador. Existe un drenaje continuo de la carga de este condensador, para garantizar que pequeos picos de ruido n consecutivos no vayan cargando el condensador, y lo lleven al valor umbral en el que se identica la seal como positiva. n Usando una velocidad de carga de este condensador, diez veces superior a la velocidad de descarga, se consigue un esquema que puede alcanzar una resolucin de aproximadamente unos 6mm, siempre y cuando el objetivo o est jo respecto al sensor, y se cumplan algunas otras restricciones. e Si se necesita alcanzar realmente esta precisin mxima, es necesario conoo a cer de forma precisa la velocidad del sonido en el aire. La velocidad del sonido en el aire, puede ser determinada de acuerdo con la expresin: o v = 331,4 ( T 1 )2 273 (1.7)

donde T es la temperatura en grados Kelvin y se ve que existe una fuerte dependencia de la temperatura.

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS19 Si se trabaja dentro de un margen de temperaturas de entre -30o C y 30o C, entonces esta expresin puede aproximarse por: o v = 331, 4 + 0,607 t donde t es la temperatura en grados cent grados. Es fcil ver que la dependencia de la temperatura es muy fuerte, y por a lo tanto si se desea obtener una precisin alta, es necesario llevar a cabo la o compensacin. En un entorno en el que la temperatura pueda oscilar en un o rango de 60o C, la variacin de la velocidad del sonido llega a un 5 %. La o correcin de este valor puede llevarse a cabo bien por el sistema de medicin, o o o bien por el procesador que vaya a analizar los datos obtenidos. (1.8)

1.7.

Funcionamiento del sensor.

El funcionamiento t pico de un sensor de ultrasonidos viene dado por un ciclo de operacin que sigue los siguientes pasos: o 1. El circuito de control dispara el transductor, quedando a la espera de una seal que conrme el comienzo de la transmisin. n o 2. El circuito de recepcin es blanqueado durante un tiempo, para evitar o que ondas residuales de la transmisin puedan ser interpretadas como o falsos ecos. 3. Las seales recibidas son amplicadas mediante un amplicador de n ganancia variable, el cual compense la atenuacin del medio en aquellas o seales que han recorrido una mayor distancia. n 4. Las seales recibidas que superen un determinado nivel son reconocidas n como ecos, calculndose la distancia a la que se encuentra el objeto que a lo ha provocado. De los puntos anteriores se deduce que la distancia m nima a la que un sensor responder, vendr dada por el tiempo de blanqueo. Para el caso a a del sensor usado es de 2.38 ms sustituyendo este valor en la ecuacin [1.2] se o obtiene una distancia m nima de 20cm. Por otro lado, la distancia mxima a vendr dada por la atenuacin de la onda ultrasnica en el medio en el que a o o se propague (aire) y por la ganancia del amplicador que recoge los ecos. En

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS20 los sensores usados esta distancia es de 10.5cm. La seal emitida por cada n sonar tiene una duracin de 300s., y consta de los siguientes pulsos: 8 a o 60KHz..8 a 57KHz.,16 a 53KHz. y 24 a 50KHz.. El hecho de transmitir pulsos a varias frecuencias tiene como objetivo reducir las perturbaciones que pueda inducir un objeto a una determinada frecuencia en una seal ultrasnica. n o Emitiendo a varias frecuencias se asegura que aunque una frecuencia se vea perturbada, las otras no lo sern. En la gura 1.10 se muestra un cronograma a del funcionamiento de este tipo de sonar. La apertura del cono de emisin de o la onda ultrasnica se calcula a partir de la expresin: o o = arcsin( 0,61 ) r (1.9)

Donde es la longitud de onda, y r el radio del anillo exterior del sensor. Los sensores de ultrasonidos tienen un transductor acstico que vibra a u frecuencias ultrasnicas . Los pulsos son emitidos en haz cnico y apuntan o o a un objeto. Los pulsos se reejan en el objeto y vuelven al sensor en forma de ecos. El instrumento de medida mide el tiempo de retraso entre cada emisin y el pulso de eco para determinar exactamente la distancia del seno sor al objeto. Los sensores de ultrasonidos detectan todos los objetos sean del material que sean e independientemente del color que tengan. Detectan objetos claros, transparentes y brillantes tan fcilmente como los oscuros y a opacos. Esta habilidad permite a los sensores de ultrasonidos detectar todo el rango de materiales, desde una botella de cristal transparente hasta neumticos de goma negra. Si un material se cubre, el sensor puede deteca tar de manera exacta y repetidamente el material cubriente a pesar de lo brillante o claro que sea (no como ocurre con los sensores infrarrojos). Los sensores de ultrasonidos funcionan bien en ambientes toscos (humos, polvo, ruido).

1.8.1.8.1.

Conguraciones.Conguracin de un solo sensor. o

Se puede usar para detecar la presencia de un objeto o calcular su distancia respecto al sistema autnomo un slo sensor de ultrasonidos rotatorio. o o El sensor se va girando pasos pequeos, tomando varias posiciones para la n o medicin completa del entorno(360 ). Como se mencion anteriormente, la o o

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS21 intensidad de la seal va variando para diferentes ngulos respecto del centro n a del sensor y no supone que la deteccin del objeto se lleve a cabo mediante o el lbulo ms sensible que es el central, puede producirse la medida por uno o a de los laterales. El problema en estas zonas es que la seal tiene la intenn sidad suciente para activar el disparo por anco y por tanto estimar una medida, pero no tiene la suciente potencia como para hacerlo pronto, con lo cual se produce un incremento del tiempo en la estimacin del vuelo. Como o consecuencia de esto la estimacin de la distancia es mayor. En resumen, el o sensor de ultrasonidos tiene un cono de recepcin ancho y puede sobrestimar o distancias si el eco es dbil. e Con el objeto de determinar las medidas que pertenezcan al lbulo ceno tral (ya que son ms ables) y desestimar en la medida de lo posible las de a los lbulos laterales, se propone un modelo de sensor. Este modelo de intero pretacin de las medidas est basado en el concepto de Regin of Constant o a o Depth (RCD), que permite eliminar las estimaciones de distancia originadas por ecos dbiles. El problema de este mtodo es el tiempo de medida, puesto e e que se requieren varios minutos para una prueba de 360o , lo cual es impracticable para un modo de operacin normal de un sistema autnomo. o o Por tanto se puede adoptar una variante al mtodo anterior. La base de e este modelo se encuentra en la siguiente idea: Con la cantidad de informacin o o generada por un barrido de todas las posiciones posibles para los 360 , es imposible eliminar los ecos dbiles. Si un objeto es detectado slo por un e o eco, no es posible discernir si se trata de eco fuerte o dbil. Pero si el mismo e objeto se detecta en ms de un eco, se puede incrementar la calidad de la a informacin que se genera. Se puede decrementar las medidas sobrestimadas o de ecos dbiles tomando todos los m e nimos de los ecos de la misma RCD. Por otro lado, la incertidumbre angular tambin puede ser decrementada e haciendo que el objeto sea detectado en una zona donde los ecos de las lecturas se solapen. Un conjunto de ecos se considera que pertenecen al mismo objeto si son adyacentes en la lectura y adems su estimacin de la distancia a o al objeto no diere ms de un valor umbral de valor 3 cm. De esta forma se a dene una lectura como el agrupamiento de uno o ms ecos adyacentes, y su a valor de medida de distancia es la m nima de todos los ecos que la componen. Cabe resaltar que los ecos dbiles se producen para ngulos mayores de 20o , e a siendo la diferencia entre dos ecos consecutivos de 18o , por tanto menor. Esto asegura que no suceda el que dos ecos consecutivos den una medida de distancia errnea. En la gura 1.8 se puede ver cual es el mtodo de o e agrupamiento empleado y el cono efectivo que produce.

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS22

Figura 1.8: Agrupacin de medidas. o

1.8.2.

Conguracin de varios sensores. o

Cuando dos o ms sensores se montan cerca, es posible que existan intera ferencias acsticas. Si se evita la multiplexacin de los sensores, solamente u o transmitir uno cada vez. Pero si se sincronizan todos los sensores para que a transmitan al mismo tiempo, se pueden conectar todos juntos. Multiplexacin de sensores. o Se pueden conectar varios sensores de ultrasonidos a un slo amplicador. o Ellos se pueden conectar en paralelo o en serie segn se muestra en las guras. u Si se conectan en paralelo, todos los sensores se dispararn a la vez, a en el mismo instante. El sensor ms cercano al objeto proporcionar la a a distancia al amplicador. La informacin proveniente del resto de los o sensores es ignorada. Como mximo se pueden conectar seis sensores a en paralelo y se tienen que colocar diodos y una resistencia de pull-up como se muestra en la gura 1.9. Si se conectan en serie, solamente se dispara un sensor cada vez proporcionando la medida de la distancia. Este sensor se deshabilita y se habilita el siguiente. La multiplexacin en serie se hace con alimentao ciones externas al amplicador.Como puede verse en la gura 1.10.

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS23

Figura 1.9: Conexin de sensores de ultrasonido en paralelo. o Todas las seales entre el amplicador y los sensores pueden conectarse n en paralelo a excepcin de la seal de START y la de STOP. El pulso o n de disparo es generado por el amplicador e inicia el ciclo del sensor. El pulso de parada es generado por el sensor e indica que un eco ha sido recibido. Estos pulsos pueden ser multiplexados desde un sensor a otro mediante relevos o demultiplexando mediante circuitos integrados. Anillos de sensores. La conguracin en anillo es muy comn en los robots mviles hoy en o u o d Generalmente se trata de un nmero de sensores dispuestos alrededor a. u del robot formando un per metro, con el objeto de detectar todo el entorno circundante sea cual sea la posicin del robot. Las conguraciones pueden o variar desde unos pocos sensores a 24. En la mayor de ellos el transductor es a de tipo POLAROID, o bien su mismo sistema de determinacin del TOF. El o problema principal que tienen que resolver estas conguraciones se encuentra en la eliminacin de interferencias y ruidos entre los transductores que posee o el robot y que estn emitiendo seales peridicamente. Cuantos ms sensores a n o a se usen, se reducir la probabilidad de choque dada la alta capacidad de a

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS24

Figura 1.10: Conexin de sensores de ultrasonido en serie. o percibir informacin del entorno que posee el sistema autnomo, pero por o o otro lado, se incrementa la cantidad de ruido en el entorno de dos formas: Ruido por sensores de otro robot: Cuando en el mismo entorno tenemos varios robots operando, puede darse la circunstancia de que seales n de un transductor de un robot, lleguen en forma de eco a otro robot distinto. Estas interferencias suelen ser discretas en el tiempo y ocurren a distancias por encima de los 20 metros. Ruido por sensores del mismo robot (interferencias): Este tipo de ruido se da cuando un sensor de un robot recibe como eco la seal que ha n emitido otro transductor del mismo robot. Borestein deni cmino o a cr tico como aquel camino que lleva a cabo una seal de ultrasonidos n desde un sensor a otro u otros, diferente del que lo emiti. En la gura o 1.11 se pueden ver dos casos de camino cr tico. En el primer caso se produce camino cr tico directo ya que los sensores vecinos al que emite la seal recogen el eco. Pero el segundo caso es un n camino cr tico indirecto ya que el eco se recoge por sensores no vecinos a quien emite la seal debido a reexiones en el entorno. Este ultimo caso es n el ms complejo de resolver. a

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS25

Figura 1.11: Ejemplos de posibles caminos de la seal que provocan interfern encias en un anillo de ultrasonidos. La primera aproximacin para solucionar el problema de las interfereno cias consiste en la comparacin de dos medidas consecutivas. En principio o dos medidas consecutivas en ausencia de ruido deber ser idnticas (no an e totalmente idnticas por la naturaleza discreta de la medida). De esta fore ma podemos rechazar medidas errneas por causas externas mediante este o mecanismo, sin ms que limitar su diferencia a un factor T . a Pero este mtodo no es util para solucionar el problemas de las intere ferencias entre sensores. Como se puede ver en la gura 2.6 dos medidas consecutivas debidas a una interferencia tambin se diferenciaran en poco e en la mayor de los casos, ya que el camino seguido por la seal en ambas a n ocasiones ser el mismo. a Por eso se combina el mtodo de comparacin de medidas consecutivas e o con el de esperas alternadas. Estas esperas alternadas no son ms que tiempos a de espera introduccidos entre dos disparos consecutivos de un sensor con el objeto de desincronizar las interferencias en otros sensores y conseguir as que dos medidas consecutivas de sensor sean semejantes slo si son generadas por o el propio sensor y no por interferencias de otros. Por ello, se escogen para todo sensor dos tiempos de espera Ti,espera,a y Ti,espera,b . La condicin que deben o

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS26 cumplir los tiempos seleccionados para los K sensores del sistema autnomo o es que: |Tx,espera,a Ty,espera,a | |Tx,espera,b Ty,espera,a | > 2T Y tambin que: e |Tx,espera,a Ty,espera,b | |Tx,espera,a Ty,espera,a | > 2T (1.11) (1.10)

para permitir comenzar con cualquiera de los dos valores de espera. Esto debe cumplirse x, y 1..k, x = y. Por ultim, la estrategia descrita anteriormente se mejora con un mtodo o e alternado de disparo de los sensores. Esto tiene como objeto evitar las interferencias por camino directo. Del estudio del comportamiento de los sensores se dedujo que para este tipo de interferncia los sensores afectados son los tres vecinos prximos. Por este motivo los sensores se disparan en grupos de o cuatro emitiendo slo uno de ellos cada vez. o Finalmente el disparo de los sensores se produce de la siguiente forma: Los sensores 1 al 4 son disparados en los instantes 0,15,30 y 45 ms. Los siguientes grupos de cuatro sensores utilizan los mismos intervalos. A este periodo de disparo de cada sensor se le debe aadir un tiempo n de espera con valores a y b que se suman de forma alternativa a los tiempos de disparo. De esta forma un sensor se dispara cada 60 ms. La seleccin real de tiempos para la prueba se llev a cabo de acuerdo con o o los criterios matemticos que deb cumplir, las restricciones del hardware a an y el tiempo m nimo que deb transcurrir en el disparo de un sensor de un a grupo de cuatro (15 ms). Finalmente se simplica la prueba con doce sensores justicando esto en la no necesidad de llevar a cabo medidas detrs del robot, a sino solo en la parte delantera. Las pruebas realizadas demostraron que con la metodolog adoptada a se produc entre 1 % y 2 % de errores, frente al 30 % que se produc en an a plataformas donde no se ten en cuenta las interferencias. an

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS27 Esta soluccin fue aportada por Borestein, se llama, EERPUF (Error o Eliminating Rapid Ultrasonic Firing), y da una idea de la complejidad y problemas que puede acarrear el usar un conjunto grande de sensores en un sistema autnomo, siempre que se quieran usar todos de forma simultnea. o a Anillo de sensores para tratamiento geomtrico. e Una opcin alternativa a los anillos de sensores, son las conguraciones o de varios sensores a distancias conocidas, con el objeto de reconocer alguna caracter stica del entorno (planos, esquinas o vertices). La conguracin o hardware de este mtodo ser la siguiente. Un sistema sensorial de 32 sene a sores de ultrasonidos con frecuencias que van desde los 40 kHz a los 200 kHz (tambin se puede hacer con un solo tipo de sensores). Cada sensor dispone e de una targeta de electrnica propia. La seal de dichos sensores es manejada o n por un DSP TMS320C25, llevando a cabo una adquisicin y procesamiento o en paralelo de 5 medidas. Este mdulo de procesamiento de la seal puede o n trabajar como esclavo en un sistema VME o directamente conectado a un PC mediante un puerto RS-232. La aplicacin al reconocimiento geomtrico o e del entorno se lleva a cabo mediante la introduccin en una red neuronal o del tiempo de vuelo de la seal estimado de cada uno de los tres transducn tores que forman un plane array, devolviendo la red una estimacin de la o distancia y el ngulo que formaban con el sensor central. a

1.8.3.

Conguraciones para extraccin de caracter o sticas.

El conjunto de arquitecturas sensoriales para ultrasonidos tienen en comn u su diseo orientado a deteccin de caracter n o sticas del entorno. Son sensores formados por varios transductores y que operan como un todo en conjunto. De esta forma el sensor en s ya no es un elemento aislado como se ha visto hasta ahora, sino un conjunto de dispositivos. El sensor ms bsico dentro de a a este grupo es un sensor para la localizacin y clasicacin de caracter o o sticas del entorno 2D (planos, esquinas y vrtices), que tiene una extensin para 3D e o (al medir en tres dimensiones se pueden cometer menos errores al fusionar con otros sensores). Estos sensores consiguen una exactitud alta por medio de un gran ancho de banda de la seal, una estimacin ptima del instante de tiempo en que n o o se detecta un eco y por ultimo por el uso de plantillas para modelar la forma

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS28 de la seal de eco y una tcnica de matched ltering 1 en su uso. n e

1.9.

Incidencias del medio ambiente.

Temperatura. La velocidad del sonido en el aire depende de la temperatura. Un sensor interno de temperatura puede adaptar la frecuencia del reloj del contador y la frecuencia de la portadora para ayudar a compensar las variaciones de la temperatura del aire. Sin embargo, las uctuaciones grandes de temperatura dentro del camino que recorre la onda ultrasnica pueden causar dispersin y o o refraccin de la seal de ultrasonidos, afectando negativamente a la exactitud o n y estabilidad de la medida. Si se quiere detectar un objeto caliente, habr que a experimentar posicionando el sensor y el objeto en un plano vertical y apuntar a la parte del objeto ms fr De esta manera, se pueden evitar las corrientes a a. de aire caliente y lograr la operacin satisfactoriamente. o Presin del aire. o Los cambios normales en la presin atmosfrica del aire no tienen efectos o e sustanciales en la exactitud de la medida. Pero se aconseja no usar sensores de ultrasonidos con presiones de aire bajas o demasiado elevadas. Humedad. El efecto de la humedad en la medida es virtualmente insignicante, slo o cambia un 0.07 % para un cambio en la humedad relativa de 20 %. Sin embargo, la absorcin del sonido aumenta con el aumento de la humedad. As o , la mxima distancia de medida es reducida muy poco. a Turbulencias en el aire. Las corrientes de aire, turbulencias, y capas de distinta densidad causan refraccin de la onda de sonido. Un eco puede ser producido y la seal debilo n itada o desviada y por tanto el eco no es recibido. El mximo rango sensible, a la precisin de medida y la estabilidad de medida pueden deteriorarse bajo o estas circunstancias.Matched ltering es el proceso de estimacin del tiempo de vuelo que se lleva a cabo o buscando la mxima correlacin entre un eco recibido y un conjunto de plantillas previaa o mente almacenadas1

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS29

1.10.

Errores de medida con ultrasonidos.

La medida de distancias con ultrasonidos est sometida a diferentes fuentes a de error, lo mas comunes son los detallados a continuacin. o 1. Errores de origen natural La velocidad de propagacin del sonido en el aire depende de la o temperatura. (Ver ecuacin [1.2]) o

Figura 1.12: Cronograma del proceso de emisin y recepcin de una onda o o ultrasnica mediante el sensor de ultrasonidos. Se aprecia como se emiten o varios pulsos y son recibidos de igual manera varios ecos. Segn sea la rugosidad de los objetos, estos sern reectantes o u a difractantes. Aunque este efecto se corrige en parte con la emisin o de un pulso de varias frecuencias, existen objetos que pueden atrapar la onda, devolviendo una distancia mayor de la que en realidad se encuentra.

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS30 El patrn de emisin de la onda no es completamente cnico (Ver o o o gura 1.5), si no que existen unos lbulos laterales de emisin que o o pueden provocar un eco. 2. Errores de origen electrnico o El amplicador de ganancia variable que contrarresta el efecto de la atenuacin en el aire es aproximado por 16 niveles de amplio cacin. Los puntos de discontinuidad en esta grca provocan un o a error en la correccin. o El nivel que determina si un eco es reconocido como tal se realiza mediante la carga de un condensador. Los ecos de objetos cercanos cargan este condensador en tres periodos, sin embargo los ecos de objetos mas lejanos necesitan mas periodos, por lo que aparentarn encontrarse a una distancia mayor. a 3. Errores debidos a la posicin relativa Sonar-Objeto Segn sea la posio u cin relativa de los snares frente a un objeto, se pueden producir o o diferentes efectos que pueden hacer que un objeto que est mas cere cano aparezca como mas lejano o viceversa, que sea inapreciable... Las secuencia de grcos de la gura 1.13 muestra alguno de los errores a ms comunes. a

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS31

1.11.1.11.1.

Aplicaciones.Introduccin. o

Los sensores de ultrasonidos proporcionan al mercado un mtodo de e deteccin ecaz a bajo coste con unas propiedades unicas que no poseen o otras tecnolog de deteccin. Usando un gran variedad de transductores ulas o trasnicos y varios rangos distintos de frecuencia, un sensor de ultrasonidos o puede ser diseado para resolver muchos problemas de aplicacin que no se n o pueden hacer por su coste elevado o simplemente porque no pueden resolverse mediante otros sensores. Gran rango de deteccin: En la deteccin industrial mediante sensores, o o much simas aplicaciones requieren deteccin a larga distancia. Los sensores o de ultrasonidos detectan a distancias superiores a los cuarenta pies, mientras que los sensores inductivos no lo pueden hacer. Area de deteccin ancha: Mientras que algunos sensores fotoelctrio e cos pueden detectar a largas distancias, carecen de la habilidad de detectar sobre reas grandes sin usar un nmero elevado de sensores. La ventaja de a u los sensores de ultrasonidos es que pueden cubrir tanto reas anchas como a estrechas. Permiten detectar todo tipo de materiales: Slamente los sensores o de ultrasonidos estn capacitados para detectar todo tipo de materiales, sea a cual sea su composicin. El material detectado puede ser claro, slido, l o o quido, poroso, blando, madera, y de cualquier color porque todos son detectados. Miden distancias sin necesidad de contacto: Se mide el tiempo que tarda el sonido desde que deja el transductor hasta que vuelve a l, por lo e que la medida de la distancia es sencilla y exacta con un margen de error de 0.05 %.

1.11.2.

Ventajas.

Las ventajas de estos sensores con respecto a otros son: Miden y detectan distancias a objetos en movimiento.

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS32 Es independiente del tipo de material, supercie y color del objeto a detectar. Detectan objetos pequeos a distancias grandes. n Son resistentes frente a perturbaciones externas tales como vibraciones, radiacciones infrarrojas, ruido ambiente y radiacin EMI. o No son afectados por el polvo, suciedad o ambientes humedos. No es necesario que haya contacto entre el objeto a detectar y el sensor.

1.11.3.

Diferencia entre deteccin de proximidad y meo dida del rango.

El sensor de ultrasonidos se puede usar para: La deteccin de proximidad: Un objeto pasando por algn sitio deno u tro del rango de alcance presente del sensor puede ser detectado y generar una seal de salida. El punto de deteccin es independiente del tamao del n o n objeto, de su material o del grado de reexin.Las aplicaciones de deteccin o o de proximidad incluyen la deteccin de la presencia o ausencia de personas y o objetos de inters. El sensor detectar el objeto que est dentro del cono de e a e emisin y reexin de la seal de ultrasonidos. La deteccin de objetos situo o n o ados a grandes distancias requiere que el objeto sea grande o est orientado e de modo que la seal que reeja llegue al ultrasonido. n La medida de la distancia: La distancia precisa a un objeto en movimiento del sensor se mide v el intervalo de tiempo entre la seal ultrasnica a n o transmitida y la recepcin de la reejada. El ejemplo muestra la deteccin de o o un objeto que est a seis pulgadas de distancia del sensor y al rato, al moverse, a est a 10 pulgadas. La distancia cambiante se calcula cont a nuamente.

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS33

1.11.4.

Campos de aplicacin. o

Mquinas constructoras: Los sensores de ultrasonidos son usados para a el control del movimiento, el control del nivel o para dimensionar o detectar proximidad en mquinas que se usan en construccin. Estas son comunes en a o aplicaciones dentro de la industria de transformacin, impresin, del caucho, o o de los metales, la textil y otras industrias de manufactura. Automatizacin: Los sensores de ultrasonidos reducen los costes de auo tomatizacin proporcionando mtodos de control de tamaos y deteccin de o e n o posicin o proximidad de objetos en los procesos de produccin. La informao o cin proporcionada por los sensores es usada para: o Aceptar o rechazar objetos basandose en el tamao, posicin o nivel de n o llenado. Para tomar decisiones sobre el camino que deben seguir los paquetes basandose en el tamao o posicin. n o Controlar el ujo de l quidos, slidos o materiales granulados. o Indicar cuando un objeto est cercano o en la posicin debida. a o Determinar tolerancias. Proporcionar una seal de alarma cuando los objetos no estn en la n a posicin debida, estn a punto de llenarse o vaciarse. o a

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS34 Para indicar la terminacin de un proceso. o Control de procesos: Las aplicaciones comunes incluyen medida del nivel de materiales en un tanque o lata, o controlar la cantidad de material dispersado desde un contenedor. Se puede dar cuenta de la medida del nivel de un tanque a una computadora mediante un red de datos. Las alarmas pueden dispararse debido a un nivel bajo, un determinado nivel establecido, un nivel elevado u otras condiciones. Informacin y diversin: se puede detecar a gente que se aproxima a o o una cabina, o se puede controlar su distancia para establecer una determinada respuesta.Tambin se puede usar la deteccin de personas y objetos en e o determinados juegos. Derroche de agua: Se pueden medir los niveles de depsitos de agua o para controlarlos. El ujo de agua de un canal abierto se mide para dar informes y establecer un control.

1.11.5.

Aplicaciones t picas.

Para medida del dimetro de un arrollamiento, para control de enrola lado o desenrrollado, o para medida de la tensin de una tela. Esto o es usado en: La fabricacin de papel o tela, la fabricacin de gomas o o o neumticos, el procesado del acero. a

Para el control de nivel de tanques (tanto de l quidos como de granulados), o para el control del nivel de llenado de botellas o latas. Usado en la industria alimenticia, qu mica o de plsticos. a

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS35 Para medida de distancia, para el posicionamiento de piezas de trabajo en robots, y para medida de tamao (dimensionamiento). Se usa en la n industria de la automatizacin, el trabajo con metales y en equipos de o ensamblaje.

Para medida de tamao o anchura o para el empaquetamiento. Se usa n para el manejo de materiales o para trabajar con metales.

Para la deteccin de presencia o ausencia, o para deteccin de partes o o claras o de cristal o vidrio. Se usa en la industria alimenticia, manejo de materiales o para equipos de ensamblaje.

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS36 Para control de movimiento, deteccin de personas, seguridad y para o muchas otras cosas.

CAP ITULO 1. FUNDAMENTOS DEL SENSOR DE ULTRASONIDOS37

Figura 1.13: Posibles errores debido a la disposicin relativa entre el sonar o y el objeto. La gura (a) muestra una medida de distancia correcta. En la gura (b) se muestra el problema de no poder determinar el ancho del objeto que reeja la onda, debido a la apertura del cono. En la gura (c) se obtiene una distancia mas corta de la que en realidad existe al objeto, debido a que el eco producido se debe al extremo del cono, no a la parte central. En la gura (d) se muestra un objeto inapreciable, ya que los ecos no regresan al punto de emisin. La gura (e) muestra el mismo problema para el caso de o una esquina. En la gura (f ) la medida obtenida es mayor de la real debido a los falsos ecos producidos por sucesivos rebotes.

Parte II Sistemas empotrados.

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Cap tulo 2 Sistemas empotrados.

39

CAP ITULO 2. SISTEMAS EMPOTRADOS.

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2.1.

Introduccin.La era Post-PC. o

Desde ya hace un tiempo se han comenzado a oir noticias relativas al inminente inicio de una nueva era, la era Post-Pc. Tecnolgicamente hablano do, es posible que ya nos econtremos en esta nueva era, y posiblemente lo estemos desde hace bastante. La computerizacin de dispositivos se encuentra en un estado muy avano zado si tenemos en cuenta que segn la IDC (International Data Corporation) u se fabrican 2000 millones de microprocesadores cada ao y que el 95 % de los n mismos va destinado a equipos electrnicos en general y no a ordenadores o personales (PC), que se lleva el 5 % restante (Art culo de Rick Lehrbaum publicado en la revista Linux Jornal de agosto del 2000 sobre sistemas empotrados). Lamentablemente, estos dispositivos electrnicos generales, como o automviles, lavadoras, equipos de aire acondicionado, etc. No cuentan con o un sistema de interconexin capaz de producir una sinergia, tan drsticao a mente plasmada en el mundo del PC como lo es la red de redes: Internet. La era Post-Pc, demanda cinco claves, cinco pilares sobre los que se sustenta, por lo que un punto de estudio o discusin importante, se centra en o estimar si estos cinco pilares se encuentran es un estado de madurez ptimo o como para soportar el peso de una tecnolog global, una nueva era tecnolgia o ca.

2.2.

Los cinco pilares del crecimiento de los sistemas empotrados.

Internet Pocos comentarios que no se hayan dicho ya caben en estas l neas. La red de redes ha sido un revulsivo que ha puesto el concepto de conectividad por delante de muchos otros, demostrando las ventajas de un mundo global, donde el acceso, tanto a personas como sistemas (equipos) se ha transformado en un motor de crecimiento de la humanidad. Redes de rea local (LAN) inalmbricas a a El aumento inevitable de los equipos con acceso a red esta demandado no solamente una arquitectura y calidad de red cada vez ms potente y able a

CAP ITULO 2. SISTEMAS EMPOTRADOS.

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sino adems, el crecimiento de soluciones inalmbricas con el n de evitar el a a problema f sico del cableado. GNU/Linux empotrado (sistemas abiertos empotrados) El sistema operativo GNU/Linux y su motor, la licencia GPL se han transformado en una plataforma ideal para el desarrollo de sistemas empotrados. Las versiones de GNU/Linux orientadas a ejecutarse en SOCs (System On Chip), no han tardado en aorar, siendo el avance en este campo uno de los mayores. El que GNU/Linux no sea dependiente de la arquitectura debido a la multitud de adaptaciones realizadas, su alto grado de escalabilidad, modularidad y exibilidad, as como su mayor ventaja, su arquitectura abierta, han sido los principales culpables de este avance. Tipos de interfaz La multitud de sistemas computarizados que poco a poco comienzan a convivir con nosotros, nos obliga al aprendizaje de multitud de interfaces siendo muchos de ellos una barrera en el uso y adaptacin a los equipos. o Poco a poco la tecnolog est logrando vencer estas barreras generando a a interfaces no solamente ms sencillas sino unicndolas bajo un mismo asa a pecto: Interfaces WEB. Pequeos servidores web comienzan a ser un clsico n a dentro de los sistemas empotrados actuales. Por otra parte, si bien estos interfaces han facilitado mucho las cosas, todav queda bastante por avanzar siendo uno de los objetivos a perseguir a el reconocimiento del habla como interfaz universal. Sistemas en un chip Las compan diseadoras y fabricantes de circuitos integrados desde as n siempre han participado en la carrera por obtener dispositivos ms potentes, a basando esta potencia en una aumento de la velocidad (que trajo consigo la consiguiente disminucin del tamao), as como en el aumento de los recursos o n internos del dispositivo. Respecto a esto ultimo, el avance ha sido vertiginoso. En los aos 80 un n simple controlador de disquetera conten ms del doble de los componentes a a que hoy en d tiene un ordenador. Todas las decisiones arquitecturales como a RISC vs CISC, Hardvard vs Princeton, Firmware vs Wired, etc, se fueron concentrando gracias al avance de la VLSI (Very Large Scale Integration), hasta llegar a ser decisiones internas a un solo chip, ya que en el mismo, es

CAP ITULO 2. SISTEMAS EMPOTRADOS.

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posible encontrar recursos tales como CPU, memorias, perifricos de comue nicaciones, control, potencia, interfaz, etc. Es decir, los SOC, son una realidad de nuestros d y los llamados mias crocontroladores tienen gran culpa de ello. De todas maneras, el avance de los SOC, tiene ya una frontera, siendo esta no funcional, sino arquitectural. Muchos de los diseos que se realizan no se pueden resolver con un SOC, n ya que por motivos de optimizacin de recursos (redundantes o sobrantes) es o necesario disear en base a circuitos integrados aislados. n Los SOC, con el n de abordar el problema del diseo de sistemas empon trados se han caracterizado por ofrecer soluciones con una mayor capacidad de interfaz en detrimento de la capacidad de procesador o clculo. a

2.3.

Para qu sirven? e

Un sistema embebido est diseado para realizar funciones que pueden a n ser peligrosas, repetitivas o que requieran de tiempos de respuesta imposibles de alcanzar para los seres humanos. Existen sistemas embebidos para realizar los ms variados tipos de a aplicaciones usando una amplia gama de tecnolog diferentes. as

2.4.

Sistemas empotrados.

En primer lugar, resulta signicativo el hecho de que cada vez es mayor el nmero y variedad de sistemas de tiempo real que toman la forma de sisu temas empotrados en todo tipo de sistemas de ingenier y de consumo. El a abaratamiento del hardware ha hecho posible la extensin de los sistemas o de tiempo real empotrados, que hasta hace poco se limitaban a sistemas de alto coste y alta tecnolog a los productos de uso cotidiano. As los a, , sistemas de tiempo real ya no se encuentran unicamente en sistemas de con trol de aviones o cohetes, control de fbricas o sistemas de telecomunicacin a o complejos, sino que tambin forman parte, a menudo invisible, de productos e como telfonos mviles, reproductores de discos DVD, televisores e incluso e o afeitadoras o aspiradoras. Varios estudios de mercado estiman en unos 5000 millones de dlares el mercado de los sistemas empotrados en el 2001, con o

CAP ITULO 2. SISTEMAS EMPOTRADOS.

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una tendencia creciente. Otros estudios cifran el mercado de sistemas empotrados conectados a Internet en el ao 2005 en unos 6500 millones de dlares. n o Los mercados con una tendencia al alza ms signicativa, segn estos mismos a u estudios son, los de consumo domstico y telecomunicaciones avanzadas. Es e de suponer que esta tendencia continuar durante los prximos 25 aos, y a o n que los sistemas empotrados de tiempo real sern cada vez ms comunes y a a permitirn construir sistemas cada vez ms autnomos. a a o Por otro lado, todo hace pensar que en los sistemas del futuro convergern a una serie de tecnolog cuya evolucin hay que tener en cuenta si queremos as, o tener al menos un atisbo de cuales sern sus caracter a sticas ms importantes. a Algunos de estos campos son: Comunicaciones. Los medios de comunicacin para sistemas de tiempo real tienen que o cumplir un requisito fundamental: es necesario poder predecir la duracin o mxima del tiempo de transmisin de los mensajes. Esta realidad slo se a o o ha manifestado recientemente y ha dado lugar a la aparicin en los ultimos o aos de protocolos de comunicacin con tiempo de transmisin determinista. n o o Aunque el motivo principal de estos desarrollos ha sido la necesidad de implementar sistemas de tiempo real distribuidos en la industria del automvil, o se ha extendido rpidamente a otros campos de aplicacin. Es de esperar a o que esta tendencia contine y que en un futuro prximo se generalicen los u o protocolos de comunicacin con comportamiento temporal previsible, junto o un mayor ancho de banda y tolerancia de fallos. El desarrollo de protocolos de comunicacin por radio, adems, facilitar previsiblemente el desarrollo o a a de sistemas empotrados porttiles. a Ingenier de software. a El abaratamiento del hardware y el incremento de la densidad de integracin facilita la realizacin de sistemas de tiempo real cada vez ms como o a plejos. Es de preveer que esta tendencia contine en un futuro prximo, lo u o que hace necesario disponer de mtodos y herramientas adecuados para dee sarrollar sistemas de tiempo real complejos, teniendo en cuenta adems que a la dicultad de desarrollar este tipo de sistemas es mayor que en el caso de sistemas convencionales. Esto se debe a que hay que considerar los requisitos temporales y de abilidad, ya que los fallos de estos sistemas pueden causar cuantiosos daos materiales, e incluso en ocasiones la prdida de vidas n e humanas. Por este motivo, resulta preocupante la visin, ingnua pero frecuente, o e

CAP ITULO 2. SISTEMAS EMPOTRADOS.

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de que el desarrollo de sistemas empotrados se simplica utilizando sin ms a los mtodos de desarrollo de software que han dado buenos resultados en e otros campos de aplicacin, o que hacer sistemas de tiempo real consiste o unicamente en hacer sistemas ms rpidos o ms ecientes. a a a Para poder desarrollar este tipo de sistemas de forma que satisfagan los requisitos de determinismo temporal y abilidad que les son inherentes manteniendo unos costes razonables, es absolutamente necesario disponer de tcnicas de ingenier de software ms avanzadas. En este sentido, se dispone e a a de un buen bagaje de tcnicas de diseo y anlisis desarrolladas en su mayor e n a parte en los ultimos diez aos, que se puede utilizar de manera efectiva para n conseguir estos objetivos. No obstante resulta preocupante el hecho de que en algunos desarrollos recientes de lenguajes de programacin o de sistemas o operativos se hayan ignorado casi completamente los avances tecnolgicos o realizados en los ultimos aos en este campo. n Inteligencia articial. La complejidad de las aplicaciones de sistemas de tiempo real del futuro hace pensar que ser necesario emplear tcnicas de inteligencia articial para a e adaptar su comportamiento a los cambios del entorno, aprender y emplear tcnicas de toma de decisiones, y para aumentar su autonom y prestaciones. e a Estas tcnicas ya se utilizan en muchos tipos de sistemas informticos, pero e a la satisfaccin de requisitos temporales presenta dicultades adicionales que o no siempre se sabe resolver de manera adecuada. El desarrollo de tcnicas e que permitan compatibilizar los mtodos de la inteligencia articial con un e comportamiento temporal previsible dar todav trabajo a la prxima gena a o eracin de investigadores. o Sistemas distribuidos. Es previsible que la mayor de los sistemas de tiempo real del futuro sean a distribuidos. La necesidad de utilizar diversos computadores estar motivada a por la necesidad de disponer de una gran potencia de cmputo, por la diso tribucin f o sica de estos sistemas y por la necesidad de hacer que toleren una mayor cantidad y variedad de fallos. Problemas como la sincronizacin de los o relojes de los diversos procesadores, el determinismo temporal y la distribucin dinmica de la carga son algunos aspectos que debern ser solucionados o a a de forma adecuada. Tolerancia de fallos. La necesidad de disponer de sistemas ables y que puedan funcionar de

CAP ITULO 2. SISTEMAS EMPOTRADOS.

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manera cont nua es cada vez ms frecuente, y es previsible que se acreciente a en el futuro prximo. Para tal n, las tcnicas de tolerancia de fallos, tanto o e de hardware como de software, debern tener en cuenta los requisitos tempoa rales, de forma que la recuperacin y el tratamiento de los fallos de hardware o y de software no impliquen una degradacin inadmisible del comportamiento o temporal del sistema.

2.5.

Aplicaciones de los Sistemas de Tiempo Real dentro de 25 a os. n

La previsin consiste en que los sistemas de tiempo real sern una teco a nolog de base para desarrollar sistemas de control empotrados con una serie a de caracter sticas comunes. Sern autnomos, en el sentido que tendrn prea o a jadas sus funciones y las realizarn sin intervencin humana directa. Para ser a o capaces de realizar esta funciones, ser imprescindible disponer de sistemas a sensoriales avanzados que les permitan conocer el estado de los elementos del entorno, segn sea necesario. Dispondrn de capacidades de comunicacin u a o inalmbricas, lo que les permitir comunicarse con los humanos, entre ellos y a a con centros avanzados de control. Tendrn capacidades de aprendizaje y de a adaptacin a entornos cambiantes. o Los dispositivos generales descritos tendrn una aplicacin espec a o ca en distintos campos, que se analizan a continuacin con algo ms de detalle. o a Transporte. Uno de los campos de aplicacin ms importantes de los sistemas de tiemo a po real ha sido tradicionalmente el control de los medios de transporte como aviones, trenes, etc. Una de las tendencias ms interesantes en relaccin con a o este tipo de sistemas es la de conseguir un funcionamiento autnomo de los o mismos. Esto ya se ha conseguido en algunos trenes con recorridos sencillos y velocidad limitada, como los que circulan en algunos aeropuertos o en algunas l neas de metro. Obviamente, la complejidad es mayor en el caso de otros medios de transporte como los aviones, trenes o automviles. Los avances o que se estn produciendo en sistemas de navegacin, sensores e inteligencia a o articial permiten esperar un progreso notable en aplicaciones como el desprgue, aterrizaje y navegacin de avione, o en el funcionamiento automtico de o a los sistemas de control y circulacin de trenes. En cuanto a los automviles, o en la actualidad se estn investigando mtodos de navegacin que permitan a e o

CAP ITULO 2. SISTEMAS EMPOTRADOS.

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conseguir formas limitadas de conduccin automtica en autopistas. Para o a lograr este comportamiento, los sistemas empotrados en loscoches debern a de disponer de sensores inteligentes y muy ecaces para detectar cualquier desviacin del sistema, con objeto e corregirla a tiempo. Los veh o culos estarn interconectados entre s y con centros de control. Esto permitir avisar a a con tiempo de maniobras y adaptar el comportamiento de los veh culos a las circunstancias del trco. a Fabricacin automtica. o a La utilizacin de las tecnolog descritas en la industria permite esperar o as el desarrollo de fbricas automticas. Un conjunto de robots y mquinas esa a a peciales se encargarn de fabricar los productos con m a nima intervencin de o operadores. La capacidad de adaptacin y reconguracin de estos compoo o nentes podr permitir cambiar las caracter a sticas del producto fabricado en un tiempo muy reducido. De esta manera aumentar la exibilidad de esta a instalaciones y ser posible el desarrollo de productos a la carta. a Los componentes de una fbrica podr estar conectados a los centros de a an planicacin mundiales de la compa lo que permitir ajustar la cantidad o na, a y el tipo de productos a fabricar. Aplicaciones domsticas. e La conguracin de los hogares es previsible que cambie en este lapsdo o de tiempo. Actualmente se trabaja en redes de comunicacin para el hogar, o con el objetivo de interconectar los dispositivos. En algunos casos, esta meta se puese conseguir en un espacio de tiempo pequeo. No parece descabellado n pensar en la conexin de cmaras de seguridad o de vigilancia del cuarto de o a los nios que se conectan a una red de rea local y que permiten desde el n a televisor digital observar lo que captan. De la misma manera parece factible interconectar todos los elementos de la casa, de forma que se muestre un mensaje de aviso en la televisin cuando tremine la lvadora o cuando el frigor o co solicite la revisin de las 1000 horas. La aplicacin de robots autnomos en el o o o hogar podr resultar en obviar toda esa serie de labores tediosas y necesarias a que hay que realizar a diario en cualquier hogar. CONCLUSION. Teniendo en cuenta la velocidad con que los avances tecnolgicos han o cambiado nuestras vidas durante los ultimos aos, es dicil predecir cmo n o ser este cambio en los prximos 25 aos. a o n

Parte III Fundamentos del procesador ajile80 y JStamp

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Cap tulo 3 Java y el tiempo real.

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CAP ITULO 3. JAVA Y EL TIEMPO REAL.

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3.1.

Introduccin. o

El mercado de los sistemas empotrados y de tiempo real ha estallado en la era POST-PC, especialmente gracias a internet. Los sistemas empotrados de tiempo real estn llegando a ser comunes en mercados como a el de las telecomunicaciones, la automatizacin industrial, control de hogao res, sistemas automviles e instrumentacin mdica. El contenido software o o e de estos aparatos est evolucionando y creciendo,poniendo especial inters y a e esfuerzo en el desarrollo de recursos puesto que son muy escasos. El desarrollador de sistemas de tiempo real empotrados se encuentra tambin con un e entorno de trabajo extremadamente heterogneo, con una gran cantidad de e procesadores, sistemas operativos y tipos de perifricos. De este modo, los e ingenieros estn cada vez ms interesados y estudian ms las tecnolog Jaa a a as va, para proporcionar un entorno de desarrollo para sistemas empotrados de tiempo real ms productivo y portable. Estas tecnolog incluyen el lenguaje a as de programacin orientado a objetos Java, las Java Virtual Machines, y la o gran cantidad de librer de clases de ejecucin. as o

3.2.

La plataforma JAVA.

La plataforma Java debut en 1995 como un entorno de trabajo y de o lenguaje server, aunque fue originalmente desarrollado como un lenguaje de programacin orientado a objetos para sistemas empotrados. La plataforma o neutral, el modelo de objetos simplicado, las fuertes nociones de seguridad y garant y el soporte multihilos de la plataforma Java proporcionan muchas a, ventajas para una nueva generacin de sistemas empotrados de tiempo real o que funcionan a travs de la red. e

3.2.1.

El lenguaje de programacin Java. o

El lenguaje de programacin orientado a objetos Java, con su sintaxis o similar al lenguaje C y su modelo de objetos simplicado, es ms fcil de a a dominar que C++, y ha demostrado ser un 25 % - 40 % ms efectivo. La a inexistencia en Java de los punteros y el direccionamiento automtico de a memoria son puntos frecuentemente citados como factores clave en el progreso del software en cuanto a productividad y robusted se reere. El lenguaje

CAP ITULO 3. JAVA Y EL TIEMPO REAL.

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Java tambin soporta multihilos y la palabra sincronizacin proporciona un e o signicado particular y elegante de ejecucin mutua y exclusin. o o

3.2.2.

La mquina virtual Java. a

La ejecucin de un programa Java es soportada por una mquina virtual o a (JVM) estandar donde los programas son compilados. Este diseo permite n a Java ser portable puesto que los programas Java pueden ejecutarse en cualquier sistema que soporte una JVM. Adems, el aparato donde se tiene a implementado el sistema est aislado de la propia aplicacin por la JVM, se a o este modo se aumenta la seguridad y garant del cdigo. a o El conjunto de instrucciones de la JVM est basado en una arquitectura a de 32 bits con un nmero de instrucciones unicas, as como invocacin de u o mtodos virtuales con deteccin de bloqueo. En un entorno de ejecuccin e o o Java t pico, las aplicaciones portables o applets compilados en cdigo de JVM o son interpretadas por una implementacin software JVM, Just-In-Time (JIT) o compilando al cdigo mquina nativo o directamente son ejecutados por un o a microprocesador Java. Un microprocesador Java es ms eciente desde el punto de vista del a espacio y el tiempo para ejecutar el cdigo Java. Los interpretes de cdigo o o son lentos y requieren memoria para almacenar el cdigo del interprete. JITs o requier