Prototipo de asistencia para la movilidad de ciegos a través de ecolocación

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y

ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL

ZACATENCO

PROTOTIPO DE ASISTENCIA PARA LA

MOVILIDAD DE CIEGOS A TRAVÉS DE

ECOLOCACIÓN

TESIS

PARA OBTENER EL GRADO DE

INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

PRESENTA

MEINARDO ALCÁNTARA RIVAS

ACESOR

M. EN. C. EDUARDO GABRIEL BALDERAS

I

Prototipo de Asistencia para la

Movilidad de Ciegos a través de

Ecolocación.

Meinardo Alcántara Rivas.

Instituto Politécnico Nacional

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco

Especialidad de Electrónica Ciudad de México

II

Prototipo de Asistencia para la

Movilidad de Ciegos a través de

Ecolocación.

Meinardo Alcántara Rivas.

Tesis presentada como requisito parcial para optar al título de: Ingeniero en comunicaciones y electrónica.

Director (a):

Ing. Patricia Lorena Ramírez Rangel.

Academia de Electrónica

Instituto Politécnico Nacional.

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Unidad Zacatenco

III

Lema

La preocupación por el hombre y su destino siempre debe ser el interés primordial de todo esfuerzo técnico. Nunca olvides esto entre tus diagramas y ecuaciones.

IV

Agradecimientos

V

Resumen

Haciendo uso de sensores ultrasónicos y un módulo de voz, se diseñó un prototipo de un dispositivo wearable (Actualmente se cómo wearable a dispositivos electrónicos que van

en la ropa), con la funcionalidad de ayudar a desplazarse con mayor facilidad a personas

vi

Contenido

Lista de Figuras ... viii

Lista de Tablas. ... xi

1. Introducción ... 1

1.1. Discapacidad Visual ... 2

1.2. Tipos de Discapacidad Visual ... 2

1.3. Causas Comunes de Ceguera ... 2

1.4. Objetivo ... 3

2. Antecedentes Históricos de los Dispositivos de Ayuda para Ciegos ... 5

2.1. Ayuda Electrónica para Ciegos ... 5

2.1.1. Dispositivos de Ayuda para Lectura ... 5

2.1.2. Dispositivos de Ayuda para Movimiento ... 7

3. Diseño del Prototipo ... 15

3.1. Descripción del Prototipo. ... 15

3.2. Características del Sistema ... 16

3.3. Integración del Sistema. ... 18

3.3.1. Alimentación ... 18

3.3.2. Módulo de Control. ... 19

3.4. Diseño del Hardware. ... 20

3.4.1. Fuente de Alimentación CA CD. ... 20

3.4.2. Cargador de Baterías... 25

3.4.3. Regulador de Voltaje Boost. ... 33

3.4.4. Módulo de Control ... 36

3.4.5. Sensores Ultrasónicos HCSR04. ... 37

3.4.6. Módulo de Voz. ... 38

3.4.7. Altavoz ... 44

3.4.8. Sistema de Control. ... 45

3.4.9. Firmware. ... 46

4. Pruebas y Resultados ... 83

4.1. Fuente de alimentación CA-CD ... 83

4.2. Circuito OR... 83

4.3. Regulador de voltaje CD-CD. ... 86

4.4. Circuito Cargador de Baterías ... 87

4.5. Fuente de alimentación Boost ... 88

4.6. Sistema de control ... 91

4.6.1. Señal de disparo ... 93

4.6.2. Sensor ultrasónico ... 94

vii

4.6.5. Medidor de batería ... 100

4.6.6. Selección de modo. ... 101

4.6.7. Integración del sistema. ... 104

5. Conclusiones y Recomendaciones ... 108

5.1. Conclusiones ...108

5.2. Recomendaciones ...108

Referencias ... 111

Anexo A: Sensor HCSR04... 113

Anexo B: Módulo de Voz ISD1932 ... 115

Anexo C: Esquemáticos ... 117

Anexo D: Lista de Materiales ... 140

Anexo E: Hojas de Datos ... 143

viii

Lista de Figuras

Figura 1 - Sistema de ecolocación ... 1

Figura 2 - Optófono. ... 6

Figura 3 - Implante de retina. ... 7

Figura 4 - Tubo de láser de los años 50.. ... 8

Figura 5 - Laser Typhlocane. ... 9

Figura 6 - Kay Ultrasonic Spectacles. ... 10

Figura 7 - Ray ultrasónico. ... 11

Figura 8 - Sistema de voz Meijer. ... 12

Figura 9 - The voice. ... 13

Figura 10 - USTRAAP. ... 13

Figura 11 - Prototipo de asistencia para la movilidad de ciegos a través de ecolocación.15 Figura 12 - Características del prototipo. ... 16

Figura 13 - Prototipo de ayuda a movilidad. ... 17

Figura 14. - Diagrama de bloques sistema completo.. ... 18

Figura 15 - Circuito CA-CD de 120 a 16 V. ... 21

Figura 16 - Rectificador de línea y filtro PI. ... 22

Figura 17 - Regulador y circuito de arranque. ... 23

Figura 18 - Corriente de inductor 470uH VS 1mH.. ... 24

Figura 19. - Diagrama de bloques de cargador de baterías. ... 25

Figura 20 - Cargador de baterías. ... 25

Figura 21 - Celda solar ... 26

Figura 22 - Circuito OR. ... 26

Figura 23 - Circuito OR con AC-CD desactivada. ... 27

Figura 24 - Circuito OR con celdas solares desactivadas. ... 27

Figura 25 - Regulador de voltaje. ... 28

Figura 26 - Batería MLP674361 ... 30

Figura 27 - Aplicación Básica del LTC4064 ... 31

Figura 28 - Cargador de baterías ... 32

Figura 29 - Fuente Boost. ... 33

Figura 30 - Diagrama de bloques del integrado LMR62421 ... 34

Figura 31 - Esquemático simplificado ... 35

Figura 32 - Diagrama de Bloques Sistema de Control ... 36

ix

Figura 35 - Patrón de radiación ... 38

Figura 36 - Operación de grabado para modo directo ... 41

Figura 37 - Operación de reproducción en modo directo ... 42

Figura 38 - Configuración para modo directo ... 42

Figura 39 - Módulo ISD1932 de sparkfun. ... 43

Figura 40 - Bone Conductor Transducer... 44

Figura 41 - Dimensiones del Bone Conductor Transducer ... 45

Figura 42 - Configuración de hardware de la sección de control. ... 46

Figura 43 - Pulso para módulo de voz. ... 48

Figura 44 - TCCR0A ... 51

Figura 45 - Interrupción por sobre flujo del temporizador 0. ... 54

Figura 46 - Señal para sensor HCSR04. ... 55

Figura 47 - Diagrama de flujo interrupción CTC temporizador 2. ... 59

Figura 48 - Método de aproximaciones sucesivas. ... 62

Figura 49 - ADMUX. ... 63

Figura 50 - Configuración filtro para ADC. ... 63

Figura 51 - Conexión ADC. [Imagen]. Creación propia. ... 65

Figura 52 – ADCSRA. ... 66

Figura 53 - Circuito interno ADC.. ... 67

Figura 54 – ADCSRB. ... 68

Figura 55 - Diagrama de Flujo de la Función medir batería. ... 69

Figura 56 – Push Button. [Imagen], Creación propia. ... 71

Figura 57 – PCICR. ... 71

Figura 58 – PCMSK0... 72

Figura 59 - Diagrama de Flujo de Función PCINT 0. ... 72

Figura 60 - Diagrama de Bloques Selección de Modo.. ... 74

Figura 61 - Diagrama de la Flujo Función Enviar mensaje... 76

Figura 62 - Señales de operaciones lógicas. ... 77

Figura 63 -Diagrama de Flujo de la Función PCINT1 ... 78

Figura 64 – TCCR1B. ... 79

Figura 65 - Diagrama de Flujo de la interrupción del timer 1. ... 80

Figura 66 - Pruebas Fuente CA-CD. ... 83

Figura 67 - Pruebas Circuito OR. ... 84

Figura 68 - Pruebas Circuito OR. ... 84

Figura 69 - Pruebas Circuito OR. ... 85

Figura 70 - Pruebas Circuito OR. ... 85

Figura 71 - Pruebas Regulador de voltaje CD-CD. ... 86

Figura 72 - Pruebas Circuito Cargador de Baterías. ... 87

Figura 73 - Pruebas Circuito Cargador de Baterías. ... 88

Figura 74 - Fuente de alimentación Simulando Batería Baja. ... 88

Figura 75 - Medición de Fuente Boost utilizando Fuente de alimentación. ... 89

Figura 76 - Fuente de alimentación Simulando Batería cargada. ... 89

x

Figura 79 - Medición de Salida Fuente Boost. ... 91

Figura 80 - Simulación de periféricos.. ... 91

Figura 81 - Prototipo V0. ... 92

Figura 82 - Errores de ensamble. ... 92

Figura 83 - Prototipo V1 Etapa de Control. ... 93

Figura 84 - Simulación Señal de disparo. ... 93

Figura 85 - Medición de simulación. ... 93

Figura 86 - Medición de Señal de disparo en el Osciloscopio. ... 94

Figura 87 - Señal de Osciloscopio. ... 94

Figura 88 - Pruebas de Funcionamiento a Sensores Ultrasónicos... 95

Figura 89 - Resultados de Osciloscopio. ... 95

Figura 90 - Simulación Operaciones Lógicas. ... 96

Figura 91 - Resultados de Osciloscopio. ... 96

Figura 92 - Simulación Módulo de Voz. ... 97

Figura 93 - Simulación Módulo de Voz.. ... 98

Figura 94 - Medición del osciloscopio. ... 98

Figura 95 - Resultados del Osciloscopio... 99

Figura 96 - Señal de Voz PWM.. ... 99

Figura 97 - Integración del Sistema.. ... 99

Figura 98 Simulación Mensaje batería baja.. ...100

Figura 99. Simulación mensaje batería cargada.. ...100

Figura 100 - Simulación Selección de Modo. ...101

Figura 101 - Simulación Selección de Modo. ...101

Figura 102 - Simulación Selección de Modo. ...102

Figura 103 - Simulación Selección de Modo. ...102

Figura 104 - Simulación Selección de Modo.. ...103

Figura 105 - Simulación Selección de Modo.. ...103

Figura 106 - Integración de Prototipo.. ...104

Figura 107 - Integración de Prototipo.. ...104

xi

Lista de Tablas.

Tabla 1 - Modos de operación del prototipo ... 36

Tabla 2 - Frecuencias de muestreo integrado ISD1932 ... 39

Tabla 3 - Selección de mensajes en modo directo ... 40

Tabla 4 - Mensajes del prototipo ... 43

Tabla 5 - Modos de Operación de Timer0 ... 50

Tabla 6 - Bits de selección de reloj. ... 51

Tabla 7 - Modos de Operación de Timer2 ... 55

Tabla 8 - Bits de selección de reloj. ... 56

Tabla 9 - Selección de Voltaje de referencia. ... 63

Tabla 10 - Selección de señal de entrada. ... 65

Tabla 11 - Prescaler del ADC. ... 66

Tabla 12 - Diagrama de Flujo Main. ... 82

Tabla 13 - Pruebas Circuito OR. ... 86

Tabla 14 – Resultados CD-CD. ... 87

1

1. Introducción

A lo largo del tiempo el hombre ha tendido a imitar las habilidades de los animales para beneficiarse de ellas. Desde la imitación de sonidos de algunos animales para producir música, como es el caso de algunos instrumentos musicales, hasta la construcción de vehículos complejos como submarino y aviones.

En la década de 1950 se empezaron a utilizar sistemas de radar para ayuda a ciegos cuyo comportamiento era similar al sistema de ecolocación que utiliza el murciélago, y a la fecha se sigue utilizando el mismo principio para sensores de estimación de distancia ultrasónicos.

El murciélago, es un animal que ubica su alimento con un sistema de radar llamado ecolocación. Este envía ondas de alta frecuencia que se dispersan en el medio, chocan contra objetos o contra sus presas y vuelve a recibirlas con sus orejas, de esta forma este puede estimar las distancias a las que esos objetos están, y así evitar impactos o conocer la ubicación de su alimento. Por ello tienen muy desarrollado el oído, también tienen membranas adicionales para la recepción llamadas tragus. Casi no utilizan los ojos por esta razón son pequeños, pero ningún murciélago es ciego. En la Figura 1, se puede observar el principio básico del sistema de ecolocación que utilizan los murciélagos.

Figura 1 – Giménez, D. (2013). Sistema de ecolocación [Figura]. Recuperado de http://elrincondedario.blogspot.mx/2013/04/va-de-animales-los-murcielagos.html

2

prótesis etc. Dentro de los sistemas de navegación es común utilizar sensores para estimar distancia, por ejemplo sensores infrarrojos, sensores ultrasónicos o cámaras.

En el mundo hay aproximadamente 285 millones de personas con discapacidad visual de las cuales 39 millones son ciegas y 246 millones tienen debilidad visual, aproximadamente un 90% de la carga mundial de discapacidad visual se concentra en los países en desarrollo1.

1.1. Discapacidad Visual

La discapacidad no es otra cosa que la disminución de la capacidad. Se pueden considerar por lo menos tres tipos de discapacidad: mental, física y sensorial, la discapacidad visual o ceguera, pertenece al tipo de discapacidad sensorial.

La ceguera es la falta de visión y también se puede referir a la pérdida de la visión que no se puede corregir con gafas o lentes de contacto.

1.2. Tipos de Discapacidad Visual

En general existen dos tipos principales de ceguera los cuales son:

 La ceguera parcial, que se refiere a personas que tienen una visión muy limitada, y la ceguera completa, que se refiere a personas que no puede ver nada, ni siquiera la luz (la mayoría de las personas que emplean el término "ceguera" quieren decir ceguera completa).

 La pérdida de la visión se refiere a la pérdida parcial o completa de ésta y puede suceder de manera repentina o con el paso del tiempo. Algunos tipos de pérdida de la visión nunca llevan a ceguera completa.

1.3. Causas Comunes de Ceguera

La ceguera puede llegar a tener muchas causas, entre las cuales destacan:

 Accidentes o lesiones a la superficie del ojo (como quemaduras químicas o lesiones en deportes).

 Diabetes.  Glaucoma.

 Degeneración macular.

El tipo de pérdida de la visión parcial puede diferir, dependiendo de la causa:

 Con cataratas, la visión puede estar nublada o borrosa y puede haber problemas para ver las formas.

3

 Con diabetes, la visión puede ser borrosa, puede haber sombras o áreas de visión faltantes y dificultad para ver en la noche.

 Con glaucoma, puede haber estrechamiento concéntrico del campo visual y visión borrosa.

 Con la degeneración del macular, la visión lateral es normal pero la visión central se pierde lentamente.

Otras causas pueden ser:

 Obstrucción de los vasos sanguíneos.

 Complicaciones de nacimiento prematuro (fibroplasia retrolenticular.)  Complicaciones de cirugía de los ojos.

 Ojo perezoso.  Neuritis óptica.

 Accidente cerebrovascular.  Retinitis pigmentaria.  Enfermedad de Tay Sachs.

 Tumores como retinoblastoma y glioma óptico.

El tipo de ayuda en el hogar que el usuario necesite dependerá del tipo de pérdida de la visión. Es importante para una persona ciega, ser capaz de vestirse, comer, desenvolverse de manera independiente y no correr peligro2_.

1.4. Objetivo

El objetivo de este trabajo es aplicar conocimientos de ingeniería electrónica para desarrollar el prototipo de un dispositivo de ayuda para la movilidad de ciegos que permita brindar un mejor panorama de su entorno.

Este prototipo funcionará como complemento al bastón común para ciegos, proporcionando instrucciones de voz, que indicarán la cercanía de objetos a la altura de la cabeza, o bien posibles salidas.

Debido a la similitud con el sistema de ecolocación que utiliza el murciélago, se hace referencia a este dispositivo como prototipo de asistencia para la movilidad de ciegos a través de ecolocación.

2. Antecedentes Históricos de los

Dispositivos de Ayuda para Ciegos

En este capítulo se mencionan los tipos de dispositivos que existen para ayuda a ciegos, además se mencionan algunos dispositivos que han existido a lo largo de la historia

2.1. Ayuda Electrónica para Ciegos

Los dispositivos de ayudas para personas ciegas en general, se pueden dividir en dos categorías, dispositivos de ayuda para lectura y dispositivos auxiliares de movilidad. Los dispositivos de ayuda para lectura son aquellos que permiten a personas con visión limitada o nula, tener acceso a información impresa. Y los dispositivos auxiliares de movilidad ayudan a las personas con discapacidad visual moverse en un entorno desconocido.

2.1.1. Dispositivos de Ayuda para Lectura

Este tipo de dispositivos empezaron a implementarse en la década de 1950, las personas con ceguera parcial podían ser ayudadas por dispositivos que magnificaban la imagen. Algunos dispositivos de este tipo eran puramente ópticos, mientras que otros utilizaban cámaras de televisión u ordenadores para lograr su objetivo.

También había muchos dispositivos que permitían a una persona con ceguera total el acceso a la palabra impresa. Aquellos dispositivos eran a menudo dispositivos de exploración que producían una señal de audio o de otro tipo en respuesta un material impreso. Actualmente muchos de estos dispositivos fueron remplazados por otros con mejor tecnología.

6

acordes. Con la práctica, el usuario podía utilizar los tonos para "leer" materiales. La velocidad de lectura podía llegar hasta 60 palabras por minuto.

Figura 2 - Zicarelli, T. (2013). Optófono. [Fotografía]. Recuperado de http://reactivemusic.net/?p=6411

Otro dispositivo para ayuda de lectura, de esa época fue el Lexiphone. El Lexiphone fue un dispositivo de ayuda para lectura que reconocía letras y emitía un sonido diferente para cada una. Otros dispositivos pronunciaban las letras de forma real.

Algunos dispositivos sustituían la simulación de audio con simulación táctil (Estimulación de las diferentes regiones de la piel). Un claro ejemplo de esto fue el Visotacferent-eight. Este dispositivo tenía ocho fotocélulas que activaban ocho estimuladores táctiles. Se colocaban dos estimuladores sobre cada uno de cuatro dedos. También existían otros dispositivos táctiles que llegaban a tener matrices de dos dimensiones con más de 100 foto detectores. Cada detector provocaba la vibración de un alfiler en una matriz correspondiente de estimuladores táctiles en un dedo. Uno de estos ayudantes fue el Optacon que permitía a los usuarios "leer" material impreso y escrito a máquina, así como caracteres en un ordenador.

Desde el año 1751. Benjamín Franklin sugirió, que la vista podía ser restaurada a través del uso de alguna forma de estimulación eléctrica. Los experimentos para hacer precisamente eso, se empezaron a realizar en la década de1970, pero con un éxito limitado. A lo mucho, una persona ciega era capaz de discernir varias decenas de puntos de luz cuando se activaban electrodos que eran implantados en su cerebro.

La principal limitante era el número de puntos de luz que pueden ser transmitidos al cerebro. Hasta entonces, la separación mínima eficaz para los electrodos era de aproximadamente 2 milímetros, que en comparación con el tamaño de los nervios del cerebro era muy ineficiente.

Debido a esto, el número máximo de electrodos que se podían utilizar se limitaba a unos pocos. Por lo tanto, proporcionar una visión real a los ciegos era demasiado difícil3.

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Esto se ha conseguido en la actualidad. Linda Morfoot una persona de 62 años de edad padecía de una enfermedad genética llamada retinitis pigmentaria, esta enfermedad fue degradando los foto receptores de sus ojos durante 40 años, a un grado en que ya no podía distinguir imágenes, el al doctor Mark Humayun, del Doheny Eye Instituto/USC le coloco un implante, en la parte trasera del ojo de Linda Morfoot (Figura 3), este dispositivo consta de 16 electrodos que actúan como una retina, transformando la luz en impulsos eléctricos que estimulan las neuronas subyacentes, permitiéndole ver puntos de luz. Linda Morfoot tenía que utilizar unas gafas especiales que capturaban la luz, y la conviertan en impulsos eléctricos que activaban sus implantes y le permitian distinguir los colores blanco y negro. Los 16 electrodos no pueden sustituir a una retina que emite aproximadamente un millón de señales pero si le permitió a Linda Morfoot distinguir siluetas4.

Figura 3 - Implante de retina. [Fotografía]. Recuperado de

http://www.isaude.net/es/noticia/32244/ciencia-y-tecnologia/implante-de-retina-electronica-permite-a-los-pacientes-ciegos-a-leer

Cuando se examina la naturaleza de la vista, y la estructura y función del cerebro, las razones de los malos resultados se hacen evidentes. Por un lado, para la vista adecuada, es necesario transmitir una imagen al cerebro que consta de más de 10.000 puntos individuales. En la edición, la imagen debe ser actualizado al menos una vez por segundo.

2.1.2. Dispositivos de Ayuda para Movimiento

El propósito de un dispositivo de ayuda para movimiento, es ayudar a una persona ciega a moverse con razonable rapidéz en un ambiente desconocido.

El diseño de estos dispositivos comenzó en la década de 1950 con el desarrollo del tubo de láser. Estos dispositivos, emiten pulsos de luz infrarroja que se refleja en los obstáculos. Con el bastón láser, la distancia se infiere de la triangulación óptica.

Una versión del tubo laser, emitía pulsos de 0.1 microsegundos de luz 40 veces por segundo. La luz reflejada por los objetos era detectada por un fotodiodo, que estaba montado detrás de una lente. El ángulo formado por el rayo reflejado pasaba a través de

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la lente de recepción, a través de esta función, se podía estimar la distancia al objeto. Tres haces eran emitidos, uno abajo, uno al frente y uno hacia arriba. El haz de la parte baja advertía de escaleras y bordillos por medio de un tono bajo. El rayo que se emitía en línea recta advertía de los obstáculos al estimular el dedo índice de la mano que sostenía el bastón. El rayo ascendente detectaba los obstáculos a la altura de la cabeza y advertía de ellos por medio de un tono agudo. La información sobre los objetos a cualquiera lado se obtenía haciendo girar la muñeca en una forma rítmica mientras se camina5 (Figura 4).

Uno de los dispositivos de ayuda para movimiento para ciegos, implementado con tecnología de triangulación de infrarrojos más avanzado en esa época fue el "láser Typhlocane" desarrollado por Bionic Instruments. Este tubo láser se componía de tres pares de láser y receptores diminutos montados en un bastón largo convencional. Los láseres se encontraban en una góndola cerca del hueco del tubo, y los fotodiodos del receptor se encontraban en otra góndola a 12 pulgadas, por debajo de la primera. Las baterías eran recargables y la electrónica del dispositivo se encontraba dentro del tubo. El láser Typhlocane (Figura 5).

Figura 4 - Raymond M. Fish, P. M. (1985). Tubo de láser de los años 50. [Fotografía]. Recuperado de Electronic Aid for the Blind. Revista Radio Electronics, 57-59.

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Figura 5 - Mims, F. (1974). Laser Typhlocane. [Fotografía]. Recuperado de Electronic Sensor Aid for the Blind. Revista popular electronics, 59-63.

La principal desventaja de este tipo de dispositivos radicaba, en el tipo de tecnología que se estaba utilizando. Estos dispositivos, como ya se mencionó anteriormente emiten un haz de luz, este haz se refleja en el objeto y regresa al dispositivo. Se puede estimar la distancia del objeto por medio de triangulación, el problema es cuando el dispositivo apunta a un cristal transparente, el haz traspasa el cristal y no regresa, esto ocasionaría que el ciego no reconozca el obstáculo y choque contra él.

Otro tipo de sensor utilizado para este tipo de dispositivos es el ultrasónico. Las primeras aplicaciones con este tipo de tecnología se hicieron en Cambridge Massachusetts en el centro de evaluación y desarrolló. El Dr. Leslie Kay de Inglaterra desarrollo este dispositivo, se trataba de una especie de linterna que emitía un sonido cuando un objeto estaba cerca.

Lindsay Russell otro ingeniero inglés, también desarrolló un dispositivo con tecnología de ultrasonido, el dispositivo de Lindsay Russell era una caja que colgaba del cuello, cuando un objeto estaba cerca unos altavoces colocados en la correa emitían un sonido de tic-tac, a medida que el objeto se acercaba el sonido de tic-tac se convertía en un tono nítido, este sonido indicaba un cambio de dirección a la persona invidente, este tipo de tecnología era simple pero eficaz6.

Los dispositivos del Dr. Evolucionaron en un dispositivo llamado Kay Ultrasonic Spectacles, (Figura 6). Estos dispositivos radiaban señales ultrasónicas que eran reflejadas por los obstáculos de la misma forma que el prototipo de Lindsay Russell. La diferencia de este dispositivo era que tenía un receptor para cada oído, el Kay Ultrasonic Spectacles transformaba la energía reflejada en sonidos audibles, de izquierda a derecha. La dirección estaba codificada principalmente por la intensidad relativa de las señales en los dos oídos. Por ejemplo, si el objeto parecía venir de la izquierda el sonido era más fuerte en el oído izquierdo, y desde el extremo izquierdo, lo mismo sucedía, para

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los sonidos que se escuchaban en el oído derecho. Cuando un sonido parecía venir de frente se escuchaba de igual forma en ambos oídos.

Figura 6 –Kay, L. (1966) Kay Ultrasonic Spectacles. [Imagen]. Recuperada de http://www.joostrekveld.net/?p=383

El Kay Ultrasonic Spectacles codificaba la distancia cambiando la frecuencia del sonido. Las propiedades de reflexión en obstáculos causaban efectos en la amplitud y el patrón del sonido que se escuchaba. Mientras la distancia de un objeto se reducía aumentaba la sonoridad. La elevación de un objeto podía ser determinada moviendo la cabeza arriba y abajo (el sonido máximo indicaba la altura).

La salida de los Kay Spectacles se acoplaba a los oídos a través de pequeños tubos de plástico, que no tocaban los oídos, para evitar interferir con la audición normal del ciego7.

Existen dos clases principales de dispositivos de ayudas para la movilidad: activos y pasivos. Los dispositivos pasivos detectan objetos de una forma parecida a lo que hace el ojo humano. Los dispositivos activos se refieren a dispositivos de ayuda a movilidad como los que se han descrito anteriormente, estos emiten un haz de luz, sonido u ondas de radio y luego reciben los reflejos de los obstáculos que se encuentran en el camino. Uno de los dispositivos pasivos de ayuda para la movilidad más interesantes fue el "Optar", desarrollado por el Excmo Kallman, en los años 50, con este dispositivo se podía detectar un objeto en un intervalode distancia, por medio de un ajuste necesario en una fotocelda para que el objeto proporcione un enfoque nítido.

Los principios de funcionamiento de un ultrasonido para ayuda pueden ser comparados con los del sonar. Un transductor en el dispositivo proyecta un haz estrecho de sonidos ultrasónicos, algunos de los cuales se refleja en obstáculos cercanos y regresa como un eco a un segundo transductor sobre el dispositivo. Dado que el sonido viaja a una velocidad más lenta de aproximadamente 334 m/s, es fácil de medir de forma eléctrica8.

En la actualidad se siguen utilizando la técnica de ultrasonido para dispositivos para ayudar a la movilidad de ciegos un claro ejemplo es el RAY ultrasónico (Figura 7).

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Figura 7 - MaxiAids.com. (2012). Ray ultrasónico. [Imagen]. Recuperado de http://www.maxiaids.com/products/8274/Ray-Electronic-Mobility-Aid-for-the-Blind.html

Ray, es un pequeño dispositivo electrónico de ayuda a la movilidad muy sensible que emite señales auditivas y o táctiles. Ha sido desarrollado como complemento al bastón largo. El ultrasonido que emite (comparable a los rayos de luz que salen de una linterna), le permite detectar obstáculos de manera rápida.

Reconoce obstáculos de 2,85m de distancia. La existencia de obstáculos se da a conocer a través de una señal auditiva o con modo vibrador que el usuario puede seleccionar a través de un botón.

Cuenta con un modo de funcionamiento que permite al usuario de encontrar brechas como una puerta, un paso o espacio libre entre una multitud de personas9.

Actualmente existen dispositivos de ayuda para la movilidad de ciegos que se adaptan a teléfonos celulares. En octubre del año 2004, Blue Edge Bulgaria, un fabricante de aplicaciones de software, para teléfonos móviles, anunció el desarrollo de un software que convierte los teléfonos compatibles con cámara en dispositivos de ayuda para ciegos, cambiando imágenes tomadas por la cámara en sonidos que el cerebro del usuario puede reconstruir en imágenes mentales.

El Software de Blue Edge es el último derivado de un conjunto de programas desarrollados por Peter Meijer, un físico investigador de Philips Research, de Eindhoven, Países Bajos, que en 1998 produjo el primer prototipo funcional del sistema de voz.

El sistema de voz completo Meijer (Figura 8), traduce imágenes en movimiento, en sonidos en tiempo real, mientras que el software de Blue Edge, sólo transforma las imágenes fijas.

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Figura 8 - Jones, W. (2004). Sistema de voz Meijer. [Imagen]. Recuperado de http://spectrum.ieee.org/biomedical/devices/sight-for-sore-ears

Una vez por segundo, el ordenador analiza un marco de 64-por-64-píxeles de izquierda a derecha, una columna a la vez. Cada píxel en una columna produce una onda cuya frecuencia indica su posición; las frecuencias más altas son en la parte superior. La amplitud se basa en el brillo del pixel en una escala de 16-tonos gris. Los pixeles más brillantes producen ondas con los picos más altos.

Así que si 30 píxeles en una columna son de color negro, sólo 34 de las 64 frecuencias estarán representados. La frecuencia se traduce en el tono y la amplitud en el volumen, lo que un oyente escucha es un acorde musical - sin duda uno bastante disonantes - de hasta 64 notas.

Una vez que los datos se han extraído de la columna 64, el sistema de toma y digitaliza un nuevo fotograma. En los 20 milisegundos entre el final de los tonos de la última columna de un cuadro y las notas a partir de la próxima, el sistema genera un clic audible que ayuda a orientar al oyente. En cierto sentido, dice, que "Lo que está a punto de oír, es el lado izquierdo de la imagen".

Para aumentar aún más la orientación espacial de los oyentes, los auriculares estéreo cambiar el balance del volumen de izquierda a derecha en el paso con el movimiento del escáner píxel. Esto le da a la persona un sentido de dónde están los objetos.

Meijer eligió deliberadamente una cámara de baja resolución para la captura de las imágenes de los paisajes sonoros que se pueden hacer, debido a que el oído humano tiene una capacidad mucho menor para el manejo de los datos que el ojo. La tasa de bits que puede acomodar cada oído es de aproximadamente 15 kb/s.

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de formación, responder a los cambios en el tono. Ese fenómeno, parte de una capacidad de adaptación muy conocida, pero mal entendida del cerebro, se conoce como plasticidad cerebral, se está estudiando actualmente en la Universidad Heinrich Heine de Dusseldorf, en Alemania, usando el sistema de voz y otros dispositivos de sustitución sensorial.

Meijer compara el proceso de aprender a reconocer los sonidos como formas para la adquisición de una lengua extranjera. Los novatos empiezan por el dominio de un alfabeto elemental visual: un círculo, un rectángulo, un triángulo, un óvalo. Puesto que, en general, todas las otras formas se puede decir que son combinaciones de éstos, el portador de tal dispositivo comienza a ganar "fluidez" que hace que reconozca si una puerta está abierta o cerrada, o si una silla está ocupada. Una comprensión más profunda de la razón de una transición tan sensorial puede conducir a una adaptación más rápida y eficaz al sistema de voz10.

Existen versiones de esta tecnología en forma de gafas (Figura 9).

Figura 9 - The voice.[Imagen]. (2015). Recuperado de https://www.seeingwithsound.com/

En el año 2013, los emprendedores mexicanos Fabiola Suárez, Cuauhtli Padilla y Marco Trujillo desarrollaron USTRAAP, un dispositivo de vestir para ayudar a invidentes. El gadget es una banda para la muñeca, que emite sonidos y vibraciones para detectar objetos y obstáculos en el camino de quien la utiliza, con lo que podría sustituir al bastón (Figura 10)11 .

Figura 10 - El Financiero. (2013). USTRAAP. [Imagen]. Recuperado de

http://www.elfinanciero.com.mx/tech/mexicanos-desarrollan-pulsera-para-invidentes.html

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3. Diseño del Prototipo

El prototipo de ayuda a movilidad para ciegos por ecolocación es una gorra que funciona como complemento al bastón para ciegos (Figura 11).

En este capítulo, se describe de forma detallada el diseño e integración del hardware y firmware que conforman al prototipo de ayuda a movilidad para ciegos, partiendo de lo general a lo particular.

Figura 11 – Prototipo de asistencia para la movilidad de ciegos a través de ecolocación. [Imagen]. Creación propia.

3.1. Descripción del Prototipo.

El prototipo de ayuda a movilidad para ciegos por ecolocación, utiliza sensores ultrasónicos para estimar distancias de objetos cercanos, y un módulo de voz para indicar a la persona ciega cuando un objeto esté cerca. Los sensores están colocados de forma discreta a la altura de la cabeza en una gorra, el objetivo del prototipo es evitar impactos a la altura de la cabeza, y así complementar al bastón para ciegos tradicional, cubriendo mayores áreas de posible impacto. Este prototipo tiene dos modos de operación el modo ayuda para evitar objetos y el modo escape para encontrar salidas.

16

3.2. Características del Sistema

Las características principales del prototipo de apoyo a movilidad por ecolocación que pretende cubrir el diseño del prototipo se muestran en la Figura 12. A continuación se describe de forma breve cada una de ellas.

Figura 12 - Características del prototipo. [Imagen]. Creación propia

Portátil: el prototipo completo tiene las dimensiones y la forma adecuadas para ser transportado con facilidad a la altura de la cabeza, dentro de una gorra adaptada para el funcionamiento del mismo.

Eficiente: El prototipo tiene la capacidad de cumplir todas sus funciones con el consumo mínimo de recursos y energía, para ayudar a cumplir este propósito cuenta con celdas solares y baterías recargables.

Funcional: El prototipo cuenta con dos modos de operación indicadores de voz y un sólo botón para selección de modo.

 Modo ayuda: este modo permite al prototipo detectar objetos cercanos, aproximadamente 1 metro a la altura de la cabeza, y le indica al usuario por medio de una señal de voz.

 Modo escape: este modo detecta ausencia de objetos por lo menos a 3 metros de distancia, esto es reconocido como una posibles salida y es indicado al ciego por medio de una señal de voz.

17

Practicidad: el acceso a las opciones de uso es sencillo, para esto se utilizó sólo un botón. Cada vez que el botón es presionado el prototipo cambiará de estado, y se indica al usuario por medio de una señal de voz el estado en el cual se encuentra.

El módulo de voz también permite dar instrucciones de uso, por ejemplo: puede indicar si el prototipo está encendido, si la batería está baja o el modo de operación en el que se encuentre operando. Como se mencionó anteriormente el prototipo cuenta con dos modos de operación, modo ayuda y modo escape. En el modo ayuda se detectan objetos cercanos y en caso de encontrar alguno se indica al ciego por medio de una instrucción de voz. Mientras que en el modo escape se detecta ausencia de objetos, por lo menos a 3 metros. De esta forma proporciona al ciego información para buscar salidas o a desplazarse con más rapidez.

El prototipo no pretende reemplazar al bastón tradicional, más bien complementarlo. Por esta razón el prototipo está colocado en una gorra, de esta forma permite mayor libertad (Figura 13).

Figura 13 - Prototipo de ayuda a movilidad. [Imagen]. Creación propia.

18

3.3. Integración del Sistema.

En la figura se muestra un diagrama reducido de los subsistemas que conforman el prototipo, en este diagrama también se puede apreciar los periféricos que estará utilizando el microcontrolador para llevar a cabo sus funciones correspondientes.

CA-cd OR Celda solar Regulador de voltaje CD-CD Cargador de baterías Microcontrolador ATMEGA328 Sensor HCSR04

Botón de selección de modo Timer 2 CTC Temporizador 1 ICP ADC PCINT0 PCINT0 Echo Puertos de entradas y salidas.

Trigger

Memoria ISD1935 Batería Regulador de voltaje boost

(Alimentación general del circuito)

Figura 14. - Diagrama de bloques sistema completo. [Diagrama]. Creación propia.

Este sistema se puede dividir en dos módulos principales, alimentación, y sistema de control. A continuación se describe de forma breve cada uno de los módulos.

3.3.1. Alimentación

Esta parte del dispositivo contiene las diferentes fuentes de alimentación y reguladores de voltaje, que se utilizan para alimentar el circuito. A continuación se describen estos módulos de forma breve.

 Celdas solares: consta de dos celdas solares de 5.5X9 cm de longitud de 6 volts y 100 mA cada una, estas dos celdas están conectadas en serie, con el fin de obtener alrededor de 12 volts y 100mA, una potencia de 1.2 W, su función principal es cargar la batería mientras se está usando y así prolongar su tiempo de vida.

 AC-CD 16V, 350mA: este módulo es un conversor de energía alterna a directa conmutado, que convierte niveles de voltaje de corriente alterna de 85 a 264 volts a un nivel de voltaje de corriente directa de 16 volts, con una corriente máxima de 350mA, este módulo está integrado principalmente por el circuito integrado VIPER22A de ST Microelectronics.

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 Cargador de baterías: consta principalmente del integrado LTC4064 de linear Tecnology, este dispositivo es un cargador de baterías optimizado para baterías de litio.

 Batería: se trata de una batería de litio recargable con número de parte MLP674361, esta batería tiene un voltaje nominal de 3.7 volts y capacidad de descarga de 2 A por hora.

 Regulador de voltaje Boost: este regulador cumple la función de subir el voltaje de 3.7 volts que entrega la batería, a un voltaje regulado de 5 volts para alimentar todo el circuito.

3.3.2. Módulo de Control.

Esta parte del prototipo está conformado principalmente por un microcontrolador de Atmel, que se encarga de controlar los sensores ultrasónicos, controlar las instrucciones del módulo de voz y monitorizar el estado de la batería.

 Sensores de distancia HCSR04: es un módulo detector de distancia que funciona a 5 volts, y es capaz de detectar objetos hasta 4 metros de distancia.  Módulo de voz: esta sección del circuito está conformada principalmente por

el dispositivo ISD1932 de Nuvoton Technology. Este dispositivo es una memoria a la cual se le puede grabar diferentes señales a través de un micrófono, éstas mismas se pueden reproducir a placer por medio de un altavoz conectado directamente a sus salidas de audio.

 Altavoz: Para dar las instrucciones al usuario, se utilizará un altavoz de la marca Knowels con número de parte 2403 260 00001, que funciona a 1 watt de potencia, o un Bone Conductor Transducer.

 Microcontrolador AVR: es un microcontrolador de 8 bits de la marca Atmel con número de parte ATMEGA328P-AUR, 32 pines con intervalo de voltaje de 1.8 a 5.5 velocidad de 20MHz, 23 entradas y salidas, EEPROM de 1KBytes, RAM de 2KBytes y Flash de 32KBytes.

 Este dispositivo estará utilizando los siguientes periféricos para cumplir con las funcionalidades del dispositivo.

o _TIMER: el dispositivo utiliza este periférico para generar las señales de

trigger para activar el sensor HCSR04.

o _ICP: los temporizadores pueden ser configurados como ICP (Input Capture Pin), con esta configuración el microcontrolador tiene la capacidad de utilizar uno de sus periféricos para medir frecuencias, periodos o bien anchos de pulso.

o _ADC: se utiliza este periférico para monitorizar el estado de la pila y de esta forma poder indicar cuando la batería está baja o termino de cargarse.

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o INT: se configura este periférico para la selección de modo de operación por medio del interruptor de selección de modo. También se usan interrupciones para realizar operaciones lógicas con las señales correspondientes del sensor.

3.4. Diseño del Hardware.

A continuación se describe de forma específica cada módulo que conforma al prototipo de ayuda a ciegos por ecolocación.

3.4.1. Fuente de Alimentación CA CD.

Esta sección del dispositivo, está basada en la tarjeta de evaluación STEVAL-ISA035V1. La STEVAL-ISA035V1, es una fuente de alimentación no aislada, que utiliza principalmente el circuito integrado VIPER22A, con la cantidad mínima de componentes, en una versión de hardware libre. La tarjeta soporta tensiones de entrada de 85 VCA a 264 VCA con frecuencias de 50 a 60 HZ, con eficiencia del 70% al 80%, protección integrada para temperatura y corto circuito.

Este tipo de fuentes no aisladas, son utilizadas normalmente en aparatos que necesitan proporcionar energía suficiente para alimentar microcontroladores, pantallas de LED, relevadores, o interruptores de corriente alterna. La STEVAL-ISA035V1, tiene un sólo rectificador, para usar como referencia el neutro, con el fin de poder disparar triacs o interruptores de CA.

Para el caso del prototipo de ayuda a ciegos por ecolocación, se buscaba una fuente de alimentación lo más pequeña posible, con características de alimentación suficientes para cargar la batería del dispositivo desde la corriente alterna, por esta razón se seleccionó la tarjeta de evaluación STEVAL-ISA035V1.

Esta tarjeta se presenta en 4 versiones;

 12V a 350 mA.  12V a 200 mA.  16V a 350 mA.  16V a 200 mA.

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Figura 15 - Circuito CA-CD de 120 a 16 v. [Imagen]. Creación propia.

3.4.1.1. Operación del Circuito.

A continuación se describe de forma básica algunos puntos de interés acerca de la operación del circuito de alimentación CA- CD, (si se requiere mayor información se puede consultar en la nota de aplicación AN2544 de ST microelectronics)12

3.4.1.2. Rectificador de Línea y Filtro de Entrada

La operación del circuito para cualquiera de las cuatro versiones es básicamente la misma. La diferencia está en el circuito de arranque. Como se puede apreciar en la figura 15 la salida del convertidor no está aislada de la entrada, esto une la tierra del dispositivo al neutro. Este tipo de configuración hace al circuito más barato, porque no usa transformador, ni opto acoplador. La Línea de corriente alterna pasa a través del diodo D3 que funciona como un rectificador de media onda.

C5, L1 y C6 forman un filtro pi para reducir el ruido de EMI. R1 sirve para dos propósitos, uno es para la limitar la corriente máxima en el primer instante de encendido (inrush limiting), y el otro es para actuar como un fusible, en caso de un fallo catastrófico.

C1 ayuda a la EMI equilibrando la línea y el ruido neutral, esto sirve para cubrir una certificación EN55022 clase "B", que aplica para equipos, dispositivos o aparatos que manejan una tención nominal menor a 600 volts y que están destinados a ser utilizados en el ámbito doméstico (Figura 16)13_.

12 _{(STMicroelectronics, 2007)} 13 _{(RF EMC Development, 2014)}

22

Figura 16 - Rectificador de línea y filtro PI. [Imagen]. Creación propia

3.4.1.3. Circuito de Arranque.

El voltaje a través de C6 alimenta al DRAIN, del pin 5 al 8 de U1. Dentro del integrado VIPER22A la fuente de corriente constante proporciona 1mA al pin 4 VDD, esta corriente carga a C3. Cuando el voltaje en el pin VDD alcanza 14.5 volts nominales, la fuente de corriente se apaga y el VIPER22A arranca el pulso. Durante este tiempo la energía está siendo subministrada desde el capacitor de VDD (C3). La energía almacenada debe ser mayor que la energía necesaria para subministrar la corriente de salida más la energía para cargar el capacitor de salida antes de que el capacitor de VDD llegue a un valor por debajo de 9 volts. Por lo tanto el valor del capacitor se elige para acomodar el tiempo de inicio. Durante un corto circuito el capacitor de VDD se descarga por debajo del valor mínimo permitiendo que el generador de corriente de alta tensión inicie una nueva secuencia de arranque. La carga y descarga del capacitor determina el periódo de tiempo que la fuente de alimentación está encendida y apagada. Esto reduce el efecto de calentamiento RMS de todos los componentes.

El circuito de regulación está formado por D2, C3 y D1.El D1 carga a C4 durante el tiempo de descarga de L2 (freewheeling time) cuando D5 está conduciendo. Durante

23

Figura 17 - Regulador y circuito de arranque. [Imagen]. Creación propia

3.4.1.4. Selección de Inductor.

Un punto de partida para el inductor opera en modo discontinuo se puede derivar de la ecuación 1 que da una buena aproximación del inductor.

(1)

Cuando la corriente de pico de drenaje es mínima, 560mA para el VIPer22A-E, F corresponde a la frecuencia de conmutación, 60kHz. La máxima corriente limita la potencia suministrada en la topología buck. Por lo tanto, el cálculo anterior es para un inductor que funciona en modo discontinuo. Si la corriente de conmutación baja a cero la corriente pico es el doble de la salida. Esto limita la corriente de salida a 280mA para un VIPer22A-E. Si el inductor es un valor mayor, que opera entre el modo continuo y discontinuo, se puede llegar a 200mA cómodamente lejos del punto de límite de corriente. C4 tiene que ser un condensador de baja ESR para dar un voltaje de rizo bajo, la ecuación 2 describe la fórmula para el voltaje de rizo.

(2)

D5 tiene que ser un diodo de recuperación rápida, sin embargo D8 puede ser un diodo estándar. D4 se utiliza para fijar el voltaje a 16 V pero debido a la naturaleza de la topología se recomienda un Zener de 3 a 4 V más alta que la tensión de salida.

El valor de L determina la condición de frontera entre el modo continuo y discontinuo para una corriente de salida dada. Con el fin de operar en modo discontinuo, el valor del inductor tiene que ser menor que.

(3)

24

Hay dos puntos que se deben tener en cuenta. Uno de ellos es que mientras mayor es la corriente pico es más posible operar en modo discontinuo. En este punto la corriente se debe mantener inferior al mínimo del límite actual de la VIPer22A-E, que es de 560mA. El otro punto es que si utilizamos un inductor mayor valor que permita funcionar en modo de operación continuo todo el tiempo, existirá con un exceso de calor y pérdidas en la conmutación del MOSFET dentro de la VIPER. Por esto, la corriente del inductor debe ser mayor que la corriente de salida para evitar el riesgo de saturar el núcleo.

En la Figura 18 se muestra el comportamiento de la corriente con dos inductores diferentes, el trazo azul corresponde a la corriente con un inductor de 470μH mientras que el trazo púrpura corresponde a la corriente con un inductor de 1mH, cuando el MOSFET está activado.

Figura 18 - STMicroelectronics. (2007). Corriente de inductor 470uH VS 1mH. [Grafica]. Recuperado de nota de aplicaciones Designing a low cost power supply using a VIPer12/22A-E in a buck

configuration.

Cuando el MOSFET está activado, el pin SOURCE es igual que la entrada de línea rectificada y la corriente está aumentando. A 350mA de corriente de salida, el pico de la corriente es de 550mA para un inductor de 470μH, como el peor de los casos es 560mA, la corriente estaría muy cerca del límite, por lo tanto el inductor de 470μH se puede tomar como valor mínimo que se puede utilizar.

Lo más conveniente es elegir un inductor que permita mediar la corriente de rizado entre el modo discontinuo y el modo continuo, cuando se está trabajando cerca de la intensidad máxima. A partir de los cálculos se puede observar que para una salida de 350mA, manteniendo el pico de corriente a 443mA, lejos del límite es necesario un inductor de 1mH como se muestra en la ecuación 4.

25

3.4.2. Cargador de Baterías.

Para evitar gastos en consumo de baterías, se utilizó una batería recargable, esta batería, tiene dos posibilidades para de ser recargada, una es desde la toma de corriente alterna por medio del convertidor CA-CD que ya fue descrito y la otra es a través de celdas solares.

3.4.2.1. Operación del Circuito.

Esta sección se compone principalmente de tres partes, circuito OR, regulador de voltaje, y circuito cargador de baterías en la Figura 19 se muestra un diagrama de bloques para describir el funciona miente de este módulo.

CA-CD OR Celda solar Regulador de voltaje CD-CD Cargador de baterías

Figura 19. – Diagrama de bloques de cargador de baterías. [Diagrama]. Creación propia.

El dispositivo tiene la capacidad de seleccionar una de las fuentes de energía, en caso de no estar conectado el circuito de CA-CD, entra automáticamente a la fuente de energía solar y en caso de estar conectado desconecta la fuente de energía solar esto se lleva a cabo mediante el circuito OR, después de esta selección se regula el voltaje a 5V para alimentar un circuito que sirve para recargar baterías de litio recargables. En la Figura 20 se muestra el esquemático del módulo cargador de baterías

Figura 20 - Cargador de baterías. [Imagen]. Creación propia.

3.4.2.2. Circuito OR.

26

como ya se ha mencionado antes. Para la alimentación por medio de celdas solares se ocuparan 2 celdas solares de con capacidad de 6 volts y 100 mA con número de parte 750-00030 de la marca Parallax Inc. Cada celda solar mide 9 cm por 5 cm, en la figura 21 se muestra este tipo de celda solar

Figura 21 - Celda solar. [Imagen]. Recuperado de

http://media.digikey.com/Photos/Parallax%20Photos/750-00030.jpg

Para realizar esta selección de fuente el circuito hace una operación lógica que responde a la tabla de verdad de una compuerta lógica OR sólo que ésta maneja voltajes diferentes a TTL y diferentes entre sí. Cuando ambos voltajes están alimentando el circuito deshabilita el voltaje más bajo, y sólo permite la alimentación del voltaje más alto. Esto se lleva a cabo utilizando dos diodos Shottky MBR0530 conectados como se muestra en la figura 22.

Figura 22 - Circuito OR. [Imagen]. Creación propia.

27

Figura 23 - Circuito OR con AC-CD desactivada. [Imagen]. Creación propia.

(5)

(6)

Considerando la corriente que proporcionan las celdas solares y según indica la hoja de datos del diodo le corresponde un por lo tanto sustituyendo estos datos en la ecuación 7:

(7)

Sustituyendo en la ecuación 8 se obtiene.

(8)

Para el caso en que las baterías solares están desactivadas, y sólo está conectada la fuente de alimentación CA-CD el circuito se reduciría al que se muestra en la Figura 244.

Figura 24 - Circuito OR con celdas solares desactivadas. [Imagen]. Creación propia.

La hoja de datos del diodo indica que para una corriente máxima de

corresponde un , esto también corresponde a la corriente máxima que puede salir de la fuente de alimentación de CA-CD que es de 350mA, sustituyendo estos valores en la ecuación 9 se obtiene:

(9)

28

(10)

Cuando ambos voltajes están conectados. Para el caso en que ambas fuentes están conectadas, se puede observar que el voltaje en el ánodo del diodo D8 es menor que el voltaje en su cátodo, por esta razón este diodo no conduce y el circuito se reduciría al de la Figura 28, por lo tanto los valores de voltaje y potencia que consume la carga son los mismos que describen las ecuaciones 5 y 6.

3.4.2.3. Regulador de Voltaje CD-CD.

El circuito que se utiliza para cargar la batería funciona con 5 volts, por lo tanto se debe de regular el voltaje que proviene del circuito OR, para realizar esta función se utilizó un regulador de voltaje CD- CD conmutado ROF-78E5.0-0.5SM de la marca

recom.

La hoja de datos sugiere agregar un filtro pi a la entrada de la fuente como se muestra en la figura 25, para evitar mal funcionamiento por radiación electromagnética considerando que normalmente se conectará a una fuente no aislada y también se conectará a una fuente cuya potencia varia con respecto a la intensidad de luz.

Figura 25 - Regulador de voltaje. [Imagen]. Creación propia.

Este regulador tiene una eficiencia de 79 a 89 % y puede manejar rangos de voltaje de entrada desde 9 hasta 36 volts, por lo tanto puede funcionar con las dos fuentes de alimentación que se están utilizando.

Cuando se conecta a la fuente de alimentación CA-CD se está alimentando con una potencia de 5.45W según la ecuación 7, tomando en cuenta la mínima eficiencia se podría estimar la potencia de salida despejando la ecuación 11 como se muestra en la ecuación 12.

29

(12)

Sustituyendo los valores mencionados en la ecuación 12.

(13)

Por lo tanto la corriente de salida se podría obtener sustituyendo los datos de potencia y voltaje en la ecuación 11 correspondiente de la corriente, como se muestra en la ecuación 14.

(14)

Pero la fuente de alimentación sólo puede entregar 500mA a la salida, ésto quiere decir que la fuente está consumiendo menos corriente de la que la fuente de energía CA-CD está proporcionando. Para entregar 5V a 500mA la potencia mínima de entrada podría obtenerse despejando la ecuación como se muestra en la ecuación 15.

(15)

Sustituyendo los valores mencionados en la ecuación 16.

(16)

Sustituyendo la ecuación 14 en la ecuación 12 y sustituyendo los valores correspondientes se puede observar que la corriente de salida será de 183mA como se muestra en la ecuación 17. Esto quiere decir que si alimentamos con las celdas solares la fuente va a entregar menor cantidad de corriente.

(17)

3.4.2.4. Circuito Cargador de Baterías.

30

Figura 26 - Batería MLP674361. [Imagen]. Recuperado de http://microcontrollershop.com/product_info.php?products_id=5133

El circuito cargador de batería que se utiliza para cargar esta batería es el LTC4064 de linear technology. El LTC4064 es un cargador lineal independiente optimizado para prolongar la vida de baterías de iones de litio en aplicaciones de back-up. Al cargar a un voltaje flotante de 4 V en lugar de 4.2V o 4.1V, el LTC4064 desacelera el proceso de envejecimiento y la capacidad de degradación cuando la batería no se utiliza durante largos períodos de tiempo.

Un capacitor externo programa un temporizador de seguridad para terminar el ciclo de carga, mientras que la corriente de carga se ajusta externamente con una sola resistencia. Cuando se quita la alimentación de entrada, el LTC4064 entra automáticamente en un modo de bajo consumo, y la corriente de drenaje de la batería cae a 3µA.

Las características adicionales de seguridad diseñadas para maximizar la vida útil y la fiabilidad de la batería incluyen detección de temperatura NTC y carga de mantenimiento acondicionada.

31

Figura 27 - Aplicación Básica del LTC4064.[Imagen]. Recuperado de http://www.linear.com/product/LTC4064

3.4.2.4.1. Programación de Corriente de Carga

La fórmula para calcular la corriente de carga se muestra en la ecuación 18

(18)

Tomando en cuenta que el voltaje de programación del integrado LTC4064 es de 1.5V se obtiene la ecuación 19.

(19)

Despejando la ecuación 19 se obtiene una ecuación para calcular la resistencia de programación.

(20)

La corriente máxima que va a recibir el circuito es la que proviene del convertidor CA-CD de 0.5A por lo tanto, esta corriente se tomó como corriente de carga, sustituyendo en la ecuación 20 se obtiene:

(21)

La corriente de la batería cuando se está cargando es:

32

3.4.2.4.2. Programación de Tiempo de Carga

El temporizador programable se utiliza para terminar el ciclo de carga. La duración del temporizador es programada por un capacitor externo conectado en el pin TIMER. El tiempo total de carga está definido por la ecuación 23:

(23)

Despejando de la ecuación 23 se obtiene:

(24)

Considerando que el tiempo de carga de la batería MIKROE-1120 es de 3 horas sustituyendo este valor en la ecuación 24 se obtiene:

(25)

El LTC4064 tiene un pin CHRG que se utiliza para conocer el estatus de carga de la batería, internamente tiene un MOSFET de canal N que manda una señal de bajo al pin CHRG cuando la batería está cargando. Este pin se puede utilizar para dar la señal de que la batería ya está cargando al microcontrolador principal, pero en el prototipo se colocó un LED a este pin, con el fin identificar cuando la batería está siendo cargada, en la Figura 28 se muestra la configuración del LTC4064 en el prototipo de ayuda a movilidad por ecolocación.

El temporizador se inicia cuando se aplica un voltaje de entrada mayor que el nivel de umbral de bloqueo de baja tensión y el voltaje en el pin SHDN es mayor que el nivel de voltaje de umbral de desconexión manual. Después se produce un tiempo de espera, la corriente de carga se detiene, y la salida CHRG asume un estado de alta impedancia para indicar que la carga se ha detenido. Conexión de la clavija a tierra TIMER desactiva la función de temporizador.

33

3.4.3. Regulador de Voltaje Boost.

Se utilizó un convertidor de voltaje CD-CD de subida por dos razones.

 El prototipo de ayuda a movilidad para invidentes ocupa un módulo HC-SR04, estos módulos trabajan a 5 volts por lo tanto es necesario subir el voltaje de la batería de 3.7V a 5V.

 Una de las funcionalidades del prototipo es detectar cuando la batería esta baja, el microcontrolador utiliza un ADC para detectar los niveles de voltaje de la batería, este ADC utiliza una referencia de voltaje que puede ser interna o externa, en este caso se utilizó la referencia externa. Utilizando la fuente boost, sin importar si la batería está entregando 3.7V, o si su voltaje está cayendo hasta 2.7V, la fuente entrega 5V a la salida, y la referencia del convertidor ADC no se mueve por lo tanto la medición es correcta.

Se utilizó un convertidor CD-CD tipo boost que propone la marca Texas Intrument, en la hoja de datos del integrado LMR62421 (Figura 29).

Figura 29 - Fuente Boost. [Figura], Creación propia.

El LMR62421 es una herramienta de fácil uso para fuentes conmutadas boost, con topología SEPIC, que ofrece todas las funciones activas para proporcionar una conversión CD-CD con respuesta transitoria rápida, regulación precisa y uso mínimo de espacio en el PCB. Tiene una frecuencia de oscilación fija e interna de 1.6MHz, ésto permite la reducción del tamaño de los componentes pasivos que utiliza, tal es el caso de inductores y capacitores. El dispositivo proporciona una eficiencia de 90%.

34

3.4.3.1. Operación del Circuito LMR62421

La siguiente explicación se refiere a las figuras 30, y 31. El LMR62421 proporciona una salida de voltaje regulada gracias a la conmutación de un control interno NMOS que funciona con una frecuencia fija y un ancho de pulso variable. En el flanco de bajada del impulso de reposición que genera el oscilador interno, inicia un ciclo de conmutación. Cuando este pulso va a bajo, la salida lógica de control inicia el control NMOS interno por conmutación. Durante este tiempo el voltaje del pin SW indicado en la figura 30, ( ) en la figura 31, cae aproximadamente a GND y la corriente en el inductor incrementa con una pendiente lineal es medida por el amplificador de detección de corriente, éste genera una salida proporcional a la corriente de conmutación. La señal detectada se suma con rampa correctiva del regulador y se compara con la salida del amplificador de error, que es proporcional a la diferencia entre la tensión de realimentación y . Cuando la salida del comparador PWM va nivel alto, el interruptor de salida se apaga hasta que comience el próximo ciclo de conmutación. Durante la conmutación fuera de tiempo, la corriente del inductor se descargas a través del diodo D1, que fuerza al pin SW para hacer cambiar la tensión de salida más la tensión directa (VD) del diodo. El bucle regulador ajusta el ciclo de trabajo (D) para mantener un voltaje de salida constante

35

36

3.4.4. Módulo de Control

Esta sección del prototipo se encarga de controlar las diferentes instrucciones que se envían al ciego por medio del módulo de voz ISD1932, según sean las señales recibidas de los sensores ultrasónicos HCSR-04 y según el estado que sea seleccionado por medio del botón selección de modo. Estas funciones se realizan por medio de un microcontrolador ATMEGA328, como se muestra en la figura 32.

Microcontrolador ATMEGA328 Sensor HCSR04

Botón de selección de modo Timer 2 CTC Timer 1 ICP ADC PCINT0 PCINT0 Echo

Puertos de entradas y salidas.

Trigger

Memoria ISD1935 Batería

Figura 32 - Diagrama de Bloques Sistema de Control.[Diagrama]. Creación propia

3.4.4.1.

Como se mencionó anteriormente el prototipo tiene dos modos de operación, modo escape y modo ayuda, el modo de operación es elegido según el número de veces que es presionado el botón de selección de modo, cada vez que se presiona el botón el prototipo cambia de estado de operación, los estados posibles son los que se muestran en la Tabla 1 cuando el prototipo está en el estado 2 y se presiona el botón de selección de modo el prototipo regresa al estado 0.

Tabla 1 - Modos de operación del prototipo

Estado Modo de operación

0 Selección de modo

1 Modo ayuda

2 Modo escape

37

3.4.5. Sensores Ultrasónicos HCSR04.

El módulo HCSR04, es un sensor de distancia ultrasónico que funciona a 5V, 15mA trabaja a una frecuencia de 40kHz y puede medir la distancia a objetos sin necesidad de tocarlos con un intervalo desde 2cm hasta 4 metros, según las condiciones ambientales, por ejemplo: factores ambientales que pueden afectar el funcionamiento del sensor son temperatura o fuertes ráfagas de viento.

El sensor cuenta con 4 pines, dos de ellos corresponden a la alimentación, los otros dos pines son el pin de trigger r y el pin de echo. El principio básico de funcionamiento

del sensor es el siguiente.

 Se debe subministrar un pulso con 10µS en alto al pin trigger r.

 Una vez que el sensor recibe el pulso automáticamente envía una ráfaga de 8 pulsos de 40KHz a través de un emisor ultrasónico.

 Esta señal de sonido viaja por el aire, el sensor HCSR04 contiene un receptor ultrasónico, que tiene la capacidad de detectar las señales ultrasónicas que se han reflejado en objetos cercanos.

 El pin echo proporciona una señal de PWM cuyo valor de pulso en alto es

proporcional a la distancia del objeto reflejado.

En la figura 33, se muestra el diagrama de tiempos, que describen las señales del sensor HCSR04. Tomando en cuenta la velocidad del sonido, y las propiedades de reflexión de las ondas sonoras, se puede estimar la distancia a un objeto cercano midiendo el tiempo en alto de la señal de PWM del pin echo mediante la ecuación 26.

(26)

Figura 33 - Diagrama de tiempo HCSR04. [Imagen]. Recuperado de http://www.micropik.com/PDF/HCSR04.pdf

38

grados con referencia al sensor, por lo tanto si no hay ningún otro objeto en el camino de la onda sonora, ésta no regresa, por lo tanto el sensor no detecta al objeto, esto se describe en la figura 34

Figura 34 - Reflexión Ultrasónica. [Imagen] .Recuperado de http://www.buildcircuit.com/ping-ultrasonic-range-finder-on-breadboard-using-arduino/

En la figura 35 se muestra una representación gráfica de las propiedades de radiación de la señal ultrasónica que produce el sensor, en función de las coordenadas espaciales, ésto se conoce como patrón de radiación y es importante tomarlo en cuenta para saber el comportamiento de las ondas ultrasónicas del sensor a diferentes distancias, el ángulo del patrón de radiación que utiliza el sensor es de 30 grados.

Figura 35 - Patrón de radiación. [Imagen]. Recuperado de http://panamahitek.com/sensor-ultrasonico-hc-sr04-arduino/

3.4.6. Módulo de Voz.

Para generar las instrucciones de voz se utilizó el circuito integrado ISD1932 de la compañía Nuvoton, estos integrados tienen la capacidad de grabar y reproducir múltiples mensajes, con dos modos de operación, y un intervalo de operación de voltaje de 2.4V a 5V.

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3.4.6.1. Frecuencia de muestreo.

El circuito integrado tiene la capacidad de grabar desde 21.3 hasta 64 segundos dependiendo la frecuencia de muestreo, mientras la frecuencia de muestreo disminuye la calidad de la grabación también disminuye. La frecuencia de muestreo se selecciona mediante una resistencia conectada de Rosc a tierra, los posibles valores de resistencia para el circuito integrado ISD1932 se encuentran en la siguiente Tabla 2.

Tabla 2 - Frecuencias de muestreo integrado ISD1932

Frecuencia de muestreo (kHz)

Rosc (KΩ) Tiempo máximo de grabación (Segundos)

12 53.3 21.3

8 80 32

6.4 100 40

5.3 120 48

4 160 64

Para el prototipo de ayuda a movilidad para ciegos por ecolocación se utilizó una resistencia de 100 Ω para obtener un total de 40 segundos de grabación con calidad regular.

3.4.6.2. Modo de Operación

El circuito integrado ISD1932 es un circuito integrado dedicado a grabar y reproducir múltiples mensajes con dos modos de operación, direct mode y addres mode, el modo de

operación se puede elegir por medio del pin 27 , cuando éste está en 0 v el integrado trabaja en direct mode, cuando está en alto trabaja en address mode

3.4.6.3. Address Mode: