Patr´ on de Se˜ nal y Caracterizaci´ on de Sonares

El patr´on de la se˜nal es la huella de radiaci´on que tiene un transductor trabajando a una frecuencia espec´ıfica. Para verificar la huella que un sonar tiene en un espacio es necesario tener una relaci´on entre el ´angulo de la normal del sonar con la normal de la superficie del centro del sonar. Esta relaci´on se produce cuando el transductor de la tarjeta SensComp trabaja como un transmisor de pulsos. Tal relaci´on esta dada por (2.13).

A(θ) = A0e

−4θ2

θ₀2 _(2.13)

Donde A0 es la magnitud de la se˜nal con un ´angulo igual a 0 grados. θ es el ´angulo de orientaci´on y θ0 es el rango de apertura del sonar. Este rango para los sonares utilizados es de 10 grados.

La huella producida por la tarjeta SensComp esta formado como lo muestra la Figura 2.13, se tiene un l´obulo principal y varios laterales. El l´obulo principal es el que se toma en cuenta para realizar las mediciones de distancia de obst´aculos. Partiendo de esta huella se determina que la percepci´on de cada uno de los sonares en el sistema tiene una percepci´on de aproximadamente 20 grados.

2.4. M´odulo de Protecci´on 19

Figura 2.13:Patr´on t´ıpico de haz ultras´onica a 50Khz.

Tomando en cuenta las especificaciones t´ecnicas de los sonares y el dise˜no de los mismos dentro del veh´ıculo podemos obtener el ´area de cobertura que estos tienen para proteger al veh´ıculo.

En la tarjeta controladora de los sonares se tiene un microcontrolador Atmel que tiene la capacidad de realizar el conteo de tiempo de vuelo del pulso. El tiempo de vuelo es contado de la siguiente manera. En la tarjeta SensComp 6500 se tienen dos l´ıneas que avisan cuando un pulso es generado por el sensor y cuando un pulso es recibido. Estas l´ıneas son llamadas INIT y ECHO, las cuales est´an conectadas directamente al microcontrolador, una variable de 16 bits inicia el conteo cuando la se˜nal INIT es enviada y termina de contar cuando la se˜nal ECHO llega. Si una se˜nal ECHO no es recibida por el microcontrolador, el contador se detiene en su m´aximo valor y deja de contar. Ya que una variable de 16 bits es utilizada el m´aximo valor que se puede obtener, es de 216_{= 65536, y esta medida es desplegada cuando no existe un obst´aculo} a la vista. En las caracter´ısticas principales de los sensores y la tarjeta SensComp se obtiene que el rango m´aximo de visibilidad para el dispositivo es de 6 pulgadas a 35 pies (0.15 a 10.66 metros), por tal, se realiza una caracterizaci´on del sistema utilizando un obst´aculo m´ovil. Se realiza un ambiente donde el obst´aculo mas lejano se encuentra 11 metros, utilizando el tiempo de vuelo para obtener una distancia entre el veh´ıculo y el obst´aculo se especifica una relaci´on entre el tiempo de vuelo medido por el microcontrolador y la distancia en metros en la que actualmente se encuentra el obst´aculo.

Los rangos medidos se especifican en la Figura 2.15 y dados los valores encontrados el rango m´aximo de lectura de obst´aculos obtenido es realizado a 7 metros. Los ran- gos obtenidos en la caracterizaci´on se utilizar´an para realizar un modelo que permita obtener la distancia a la que un obst´aculo se encuentra y en base a su distancia tomar decisiones con respecto a la seguridad del veh´ıculo.

La Figura 2.15, define la tabla de valores de tiempo de vuelo encontrados y la grafica de valores respecto a la distancia en la que se encuentra realmente en el ambiente.

Figura 2.14: Configuraci´on del proceso de medici´on del tiempo de vuelo.

Figura 2.15: Tabla de valores de cuentas adquiridas del microcontrolador y los sonares.

dispositivo, los valores mostrados en la tabla corresponden al tiempo tomado por la variable del microcontrolador. Estos rangos son los utilizados en el modelo de protecci´on del veh´ıculo. Tomando en cuenta el tiempo en que el veh´ıculo tarda en disminuir su velocidad hasta detenerse se utilizar´a un rango de tiempo de vuelo como umbral de obst´aculo presente que detendr´a la teleoperaci´on y la transmisi´on de informaci´on del usuario para solamente detenerse.

La Figura 2.16, es la gr´afica de la varianza entre la distancia real del obst´aculo y las cuentas medidas del microcontrolador son uniformes. Esto es debido a que el tiempo de vuelo y las distancias del obst´aculo son lineales. Ahora bien, ya que la caracterizaci´on es hecha, es posible tener un valor real de distancia con la informaci´on transmitida por el m´odulo de protecci´on, y, de acuerdo a las caracter´ısticas del veh´ıculo es posible tomar una decisi´on para el frenado cuando un obst´aculo sea latente.

En el sistema realizado basado en la conmutaci´on de sonares se tiene una configu- raci´on de dos sonares que se encuentran a 8.5 cent´ımetros de distancia uno del otro.

2.4. M´odulo de Protecci´on 21

Figura 2.16:Gr´afica de variaci´on de las cuentas de protecci´on medidas por el microcontrolador.

En la Figura 2.17 se muestra esta configuraci´on gr´aficamente. Tomando en cuenta la configuraci´on y la huella de percepci´on del sonar es posible obtener el ´area de vista del sonar. Si tomamos en cuenta el rango m´aximo de vista de 7 metros y partimos la huella de sonar en dos se tiene un triangulo rect´angulo como se muestra en la Figura 2.18. En base al triangulo encontrado utilizamos la ecuaci´on tangente (2.14) para encontrar la mitad del rango visto por el sonar.

Figura 2.17: Configuraci´on de posici´on de sonares con respecto al ambiente de trabajo del veh´ıculo.

tgθ= R

7mts (2.14)

La distanciaRencontrada pertenece al rango de vista de un solo sonar. Al tomar en cuenta el par de sonares con una desviaci´on de 0.085 metros de distancia encontramos un ´area de rango de vista como la que muestra en la Figura 2.19.

Figura 2.18: Mitad de patr´on de se˜nal utilizado para obtener el ´area final de vista del m´odulo de protecci´on.

Figura 2.19:Area de vista del m´odulo de protecci´on del veh´ıculo.

Cuando el veh´ıculo se encuentra en movimiento, y existen obst´aculos que pueden causar colisiones es necesaria la creaci´on de una zona de evasi´on de colisiones que permita al veh´ıculo tomar la decisi´on de frenarse debido a que una colisi´on es inminente. La velocidad m´axima en la que el veh´ıculo es controlado en el ambiente por medio de la teleoperaci´on es e 1m/s. Con respecto a esta velocidad de realiza un c´alculo matem´aticos y pruebas reales de paro con el motivo de obtener la distancia que el veh´ıculo recorre mientras es frenado.

Utilizando (2.15) obtenemos la distancia recorrida en el frenado.

d=vt_{+ 1/2}at2 (2.15)

2.4. M´odulo de Protecci´on 23

d= 1.6−0.8 (2.17)

d= 0.8m (2.18)

Ahora bien, el tiempo medido entre que el obst´aculo es percibido y la se˜nal de paro es enviada al veh´ıculo se tiene un recorrido a velocidad m´axima por 0.4 segundos. En (2.19) obtenemos la distancia total recorrida en el veh´ıculo en una zona de evasi´on de colisiones.

davance = 0.8 + 0.4 = 1.2m (2.19)

dobstaculo = 2−1.2 = 0.8m (2.20)

davance = 1.55m (2.21)

dobstaculo = 2−1.55 = 0.45m (2.22) Por otro lado, tambi´en se realizan pruebas f´ısicas en el veh´ıculo desde la velocidad m´axima hasta un paro total. La distancia promedio recorrida por el veh´ıculo se define en (2.21) y la distancia con respecto al obst´aculo despu´es de paro total del veh´ıculo se define en (2.20). La diferencia entre la distancia recorrida f´ısicamente y aquella obtenida en el calculo matem´atico puede se atribuye a la inercia del veh´ıculo y el peso del mismo.

Debido a las distancias encontradas la bandera de paro es colocada a 2 metros de cualquier obst´aculo en vista por los sonares. Un verificador de distancias en el controlador esclavo es construido, con el motivo de monitorear las distancias de los obst´aculos, cuando alguno de los sonares lee una distancia menor a la especificada, el verificador manda una bandera de aviso. Si las siguientes 5 lecturas son iguales o de menor distancias que las pasadas entonces la bandera de frenado es activada. Este proceso se realiza debido a que es posible que los sonares pueden tener una lectura err´onea o un obst´aculo en movimiento que no atenta contra el veh´ıculo va pasando.

Si la bandera es activada, el veh´ıculo es llevado a un freno total. La comunicaci´on de velocidad y distancia se detiene y un aviso de colisi´on es enviado al operador. El veh´ıculo es detenido antes de la colisi´on y para comenzar a realizar la operaci´on es necesario que se realice un reset de la comunicaci´on y que el obst´aculo no exista en el sistema. Esto es medida de precauci´on debido a si existe una mala comunicaci´on entre el operador y el veh´ıculo, solo hasta que realmente exista un conocimiento del lugar remoto el veh´ıculo no es puesto en peligro. En el siguiente cap´ıtulo se encuentran los casos de teleoperaci´on que se pueden encontrar en la arquitectura de teleoperaci´on. Con respecto a la evasi´on de obst´aculos se define cuando el sistema se encuentra en evasi´on y la manera en que la se˜nal viaja en la arquitectura.