UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
“DISEÑO DE UN SISTEMA DE DETECCIÓN DE
OCUPANTES PARA LA IMPLEMENTACIÓN EN EL
CONTROL Y ACTUACIÓN SOBRE EL CINTURON DE
SEGURIDAD CON DISPOSITIVO ANTIARRANQUE”
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO EN MECATRÓNICA
BYRON ALFONSO ARAQUE ROJAS
DIRECTOR: ING. LUIS HIDALGO
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2015
DECLARACIÓN
Yo Byron Alfonso Araque Rojas, declaro que el trabajo aquí descrito es de
mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o
calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas
que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de
Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional
vigente.
_________________________
Byron Alfonso Araque Rojas
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “DISEÑO DE UN
SISTEMA DE DETECCIÓN DE OCUPANTES PARA LA
IMPLEMENTACIÓN EN EL CONTROL Y ACTUACIÓN SOBRE EL
CINTURÓN DE SEGURIDAD CON DISPOSITIVO ANTIARRANQUE”, que,
para aspirar al título de Ingeniero Mecatrónico fue desarrollado por Byron
Alfonso Araque Rojas, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de
Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el
reglamento de Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.
___________________
Ing. Luis Hidalgo
DIRECTOR DEL TRABAJO
DEDICATORIA
Dedico el presente trabajo de titulación a mi familia porque con su
incondicional apoyo he logrado cada una de las metas planteadas en mi
vida
A Dios por darme fuerzas cuando más las necesite y guiar mi camino en
AGRADECIMIENTO
A mis padres por la paciencia que han tenido todos los días de mi vida,
por la confianza al darme la oportunidad de estudiar esta carrera, a mis
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
RESUMEN ... IX
ABSTRACT ... X
1. INTRODUCCIÓN ... 1
OBJETIVO GENERAL... 7
OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 7
2. MARCO TEORICO………..………10
2.1 SEGURIDADENVEHICULOS ... 10
2.1.1 SEGURIDAD ACTIVA ... 11
2.1.2 SEGURIDAD PASIVA ... 12
2.2 CINTURÓNDESEGURIDAD ... 12
2.3 TIPOSDECINTURONESDESEGURIDAD ... 12
2.3.1 CINTURON DE DOS PUNTOS ... 13
2.3.2 CINTURON DE SEGURIDAD DE TRES PUNTOS ... 13
2.3.3 CINTURON DE SEGURIDAD DE CUATRO, CINCO Y SEIS PUNTOS ... 14
2.4 IMPORTANCIADELCINTURÓNDESEGURIDAD ... 15
2.5.1 MODELO GENERAL SISTEMA DE DETECCIÓN DE OCUPANTES ... 16
2.5.1.1Módulo de Seguridad Anticolisión ... 19
2.5.1.2 Detección de asiento Ocupado mediante Esterilla Sensora……….20
2.5.1.3 Detección de asiento Ocupado mediante Sensores Capacitivos………21
2.6 SISTEMADECONTROL ... 22
2.6.1 CONTROLADORES ... 23
2.6.1.1 Microncontrolador PIC ... 23
2.6.1.1.1PIC 16f628A... 24
2.6.1.2 Arduino... 24
2.6.1.2.1Arduino Mega... 25
ii
2.6.2 LCD ... 27
2.6.3 SENSORES ... 28
2.6.3.1 Sensor de Ultrasonido ... 28
2.6.3.1.1 Historia ... 28
2.6.3.1.2 Ultrasonido ... 29
2.6.3.1.3 Funcionamiento ... 31
2.6.3.1.4 Ondas por su naturaleza ... 33
2.6.3.1.5 Detección de ultrasonido ... 34
2.6.3.1.6 Detectores Ópticos ... 34
2.6.3.1.7 Detectores de radiofrecuencia ... 34
2.6.3.1.8 Detectores Volumétricos ... 35
2.6.3.1.9 Detectores de Efecto Karman ... 36
2.6.3.2 Sensores de contacto o interruptor de limite ... 36
2.6.3.3 Sensor PIR ... 37
2.6.4 ACTUADORES ... 38
2.6.4.1 Servo Motor ... 38
2.6.4.2 Relay ... 39
3. METODOLOGÍA ... 42
3.1 TÉCNICA ... 42
3.2 METODOLOGÍAMECATRÓNICA ... 43
4. DISEÑO DEL SISTEMA ... 46
4.1 SELECCIÓNDELOSELEMENTOSAPROPIADOS ... 46
4.1.1 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE ARDUINO ... 46
4.1.2 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE MICROCONTROLADORS PIC ... 47
4.2 REQUERIMIENTOSDELPROYECTO ... 48
4.2.1 ENTORNO DEL VEHICULO ... 51
4.2.2 SISTEMA DE CONTROL ... 52
4.2.3 LCD ARDUINO 3,2” TFT SHIELD ... 53
4.2.4 SENSORES DE CONTACTO O INTERRUPTOR DE LÍMITE PARA EL CINTURÓN DE SEGURIDAD ... 53
iii
4.2.6 SERVO MOTOR ... 56
4.2.7 BUZZER ... 57
4.2.8 SENSOR DE ULTRASONIDO ... 57
4.2.9 RELÉ DE CONTROL ... 58
4.3 ARQUITECTURADELSISTEMA ... 58
4.4 DISEÑODELSISTEMAELECTRÓNICO ... 59
4.4.1 SELECCIÓN DEL CONDUCTOR ... 60
4.4.2 INTERFAZ CON EL USUARIO ... 62
4.4.3 SISTEMA DE SENSORES Y ACTUADORES ... 63
4.4.4 PROGRAMACIÓN DEL SISTEMA ... 69
4.4.4.1 Diagrama de flujo del Programa ... 70
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 74
5.1 CONSTRUCCIÓNDELSISTEMA ... 74
5.2 IMPLEMENTACIÓNDELSISTEMA ... 76
5.3 DIAGNÓSTICODELSISTEMA ... 79
5.4 ANALISISDELOSCOSTOSDELOSMATERIALES ... 85
5.5 ANÁLISISEINTERPRETACIÓNDERESULTADOS ... 86
5.5.1 VIABILIDAD DEL SISTEMA DE DETECCIÓN DE OCUPANTES……….………88
5.5.2 ANALISIS CUANTITATIVO ... 88
5.5.2.1 Protocolo de Pruebas ... 88
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 91
6.1 CONCLUSIONES ... 91
6.2 RECOMENDACIONES ... 92
GLOSARIO DE TÉRMINOS ... 94
BIBLIOGRAFÍA ... 97
iv
INDICE DE TABLAS
Tabla 1: Eficacia del cinturón de seguridad en la reducción de los
traumatismos ... 15
Tabla 2: Explicación sistema de Seguridad anticolisión ... 17
Tabla 3: Esquema de conexión módulo de seguridad anticolisión... 20
Tabla 4: Elementos de la Esterilla Capacitiva ... 22
Tabla 5: Explicación Figura 19 ... 31
Tabla 6: Ventajas y Desventajas de Arduino ... 47
Tabla 7: Ventajas y desventajas de Microcontroladores PIC ... 47
Tabla 8: Parámetros de ponderación de los controladores ... 48
Tabla 9: Requerimiento de los Componentes ... 48
Tabla 10: Consumo en miliamperios de los componentes del proyecto ... 60
Tabla 11: Caída de tensión entre componentes (porcentajes)... 61
Tabla 12: Calibre de cable Americano (AWG) ... 62
Tabla 13: Ubicación del sistema de detección de ocupantes ... 64
Tabla 14: Explicación figura 42 ... 65
Tabla 15: Explicación figura 43 ... 66
Tabla 16: Materiales utilizados en el proyecto y su costo ... 85
v
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1: Cinturón de seguridad durante un choque ... 1
Figura 2: Estadísticas de accidentes de transito ... 3
Figura 3: Reducción de lesiones con el uso del cinturón de seguridad ... 4
Figura 4: Diagrama Ishikawa al no utilizar el cinturón de seguridad ... 5
Figura 5: Principales causas de mortalidad, datos comparados de 2004 y 2030 ... 6
Figura 6: Cinturón de seguridad de dos puntos ... 13
Figura 7: Cinturón de seguridad de tres puntos ... 14
Figura 8: Cinturón de seguridad de cinco puntos... 14
Figura 9: Sistema de Seguridad Anticolisión ... 17
Figura 10: Modulo de Seguridad Anticolisión ... 20
Figura 11: Alfombrilla detectora de ocupación de asiento ... 21
Figura 12: Esterilla con sensores capacitivos ... 22
Figura 13: Campo de aplicación de los microcontroladores ... 23
Figura 14: Diagrama de pines PIC 16f628A ... 24
Figura 15: Arduino Mega ... 25
Figura 16: Interfaz de programación Arduino ... 26
Figura 17: Lcd tft Shield ... 27
Figura 18: Generador de ultrasonido ... 30
Figura 19: Partes Sensor de ultrasonido ... 31
Figura 20: Conjunto Sensor Ultrasonido ... 32
Figura 21: Cortes de un cristal de cuarzo ... 33
Figura 22: Zonas de detección de sensor volumétrico ... 35
Figura 23: Sensor de contacto o interruptor de limite ... 36
Figura 24: Sensor PIR ... 37
Figura 25: Servomotor ... 38
Figura 26: Relé ... 40
Figura 27: Conductor eléctrico ... 40
Figura 28: Metodología Mecatrónica ... 42
vi
Figura 30: Dimensiones Daewoo Matiz ... 51
Figura 31: Interfaz de programación Microcode studio ... 52
Figura 32: Lcd tft shield conectado con Arduino Mega ... 53
Figura 33: Micro interruptor de fin de carrera ... 54
Figura 34: Mini sensor PIR ... 55
Figura 35: Esquema de conexión sensor PIR ... 55
Figura 36: Servomotor HK-CS929MG ... 56
Figura 37: Buzzer activo ... 57
Figura 38: Sensor HC – SR04 ... 58
Figura 39: Arquitectura del sistema a emplear... 59
Figura 40: Display Arduino ensamblado con Arduino Mega ... 63
Figura 41: Ubicación sistema de detección de ocupantes ... 64
Figura 42: Posición Sensores de fin de carrera ... 65
Figura 43: Distribución física de los sensores de fin de carrera ... 66
Figura 44: Diagrama del Circuito Electrónico de la placa secundaria ... 67
Figura 45: Diagrama del Circuito Electrónico de la placa principal de recepción de la señal de los sensores, bloqueo del arranque del coche y conexión con Arduino ... 68
Figura 46: Pista de la placa principal ... 68
Figura 47: Piste de la placa secundaria ... 69
Figura 48: Pista de placa secundaria 3D ... 69
Figura 49: Diagrama de flujo del programa ... 72
Figura 50: Conexión arduino con display TFT ... 74
Figura 51: Conexión de la placa principal con Arduino ... 74
Figura 52: Placa de control de señal y alimentación del sistema ... 75
Figura 53: Conexión de la placa principal con la placa secundaria... 75
Figura 54: Tendido de cables parte superior ... 76
Figura 55: Tapizado superior ... 76
Figura 56: Tendido de cables parte inferior (interruptores de fin de carrera) 77 Figura 57: Tendido de cables asientos posteriores ... 77
Figura 58: Lugar de instalación del sistema de control ... 78
vii
Figura 60: Instalación de los interruptores en cinturones de seguridad ... 79
Figura 61: Instalación del display de control TFT ... 79
Figura 62: Visualización del modo activo mediante LED ... 80
Figura 63: Sensores de ultrasonido montados en servos ... 80
Figura 64: Display de control visualización del sistema iniciado ... 81
Figura 65: Sensores PIR colocados en el techo de cada ocupante ... 81
Figura 66: Visualización del sistema funcionando ... 82
Figura 67: Visualización del sistema operando ... 82
Figura 68: Visualización del sistema deshabilitado ... 83
Figura 69: Visualización de activación y desactivación del sistema... 84
viii
ÍNDICE DE ANEXOS
ANEXO I: CONTROLADOR ARDUINO MEGA2560……..………….………100
ANEXO II: ESQUEMA DE CONEXIONES DE ARDUINO MEGA 2560…..101
ANEXO III: CARACTERISTICAS TECNICAS DEL PIC 16F268A………..……….….102
ANEXO IV: DIAGRAMA DE PINES DEL PIC 16F268A PARA LA INTERCONECCION DE
ELEMENTOS……….………..104
ANEXO V: PROGRAMA DE RECEPCION DE LA SENAL DE LOS
SENSORES ULTRASONIDO, PIR, INTERRUPTORES DE FIN DE CARREAR, BLOQUEO DEL COCHE CONFIGURACION DEL DISPLAY DE CONTROL………..………..105
ANEXO VI: PROGRAMA DE RECEPCION DE SENAL DE
ACTIVACION/DESACTIVACION DE ALARMA DEL COCHE, Y ACTIVACION DEL SISTEMA DE DETECCION DE
OCUPANTE……….120
ix
RESUMEN
El presente trabajo se sustentó en el diseño de un sistema de “Detección de
Ocupantes, para la implementación en el control sobre el cinturón de seguridad con dispositivo antiarranque”, el cual se enfoca en aumentar la
seguridad de los pasajeros y su entorno, en vehículos familiares de turismo
de 4 y 5 ocupantes, integrando un sistema complejo con sensores y
actuadores, desarrollado para demostrar la aplicación de los sistemas
inteligentes de transporte mejorando el confort, y determinando si los
cinturones de seguridad son utilizados en todo momento, le permite al
conductor tener un control total sobre el medio en el que se desplaza.
Inicialmente se realizó un estudio de todos los sistemas de detección de
ocupantes existentes en el mercado, con lo cual se determinó la necesidad
de implementar un sistema que permita evaluar si se trata de una persona o
un simple bulto, activando selectivamente los cinturones de seguridad en el
asiento donde se encuentre una persona, y mostrando toda esta información
en un display de control, el sistema cumple la función de mantener a los
ocupantes del vehículo colocados el cinturón de seguridad en todo instante;
al no utilizar este dispositivo al momento de ingresar en el coche, el sistema
automáticamente elimina el paso de corriente al arranque, evitando que este
pueda encender , hasta que cada uno de los ocupantes detectados por el
sistema estén utilizando el cinturón de seguridad permitiendo al conductor
arrancar el vehículo y operarlo de manera normal, salvo el caso que algún
ocupante detectado se retire el cinturón, se activara una alarma acústica
repetitiva y mostrara en el display a la persona y el lugar en el cual se sitúa,
hasta que éste se coloque el cinturón.
Con lo cual se pudo concluir basado en el análisis del resultado de la
implementación que el sistema de detección de ocupantes permitió mejorar
la seguridad de cada uno de los ocupantes detectados en el coche
x
ABSTRACT
This present none is sustained in the design of a “System detection of
occupants, for the implementation in the control of the safety belt with anti-jerk device”, which focuses in increasing the safety of the passengers and
their surroundings, in family tourist vehicles of fourths occupants, integrity
a complex system with sensors and mechanical actuators, developing to
demonstrate the applications of the smart systems bettering the comfort,
and determining if the safety belts are used in every moment, it allows the
driver to have total control over the way that it moves.
Initially there was a study of all the existing occupant detection system in
the surroundings, with which it determined the need to implement a
system that allows evaluating if it is about a person or a simple package,
activating selectively the safety belts on the seat where there is a person,
and showing all of the information on a control display, the system fulfills
the function of maintaining the occupants of the vehicle secure with the
seatbelt in every moment; in the moment the system is not in use when
entering the car, the system automatically eliminates the electric current,
making if so it cannot catch flame, until everyone of the occupants
detected by the system is using the seatbelt allowing the conductor to start
the vehicle and operate normally, in the case that one of the occupants
takes of the seatbelt, an alarm is activated and shows in the display the
person in the place who a seatbelt until the seatbelt is fasten again.
Whit this one could conclude based on the analysis from the results of the
implementation that the occupant’s detection system allowed better
security for every one of the detected occupants in the car, fulfilling the
1
El objetivo del cinturón de seguridad es disminuir al máximo las lesiones
ocasionadas por un impacto, impidiendo que los ocupantes del vehículo se
golpeen en su interior o contra los mismos pasajeros, evitando ser
despedidos fuera del coche.
Desde la invención del cinturón de seguridad por Nils Bohlin en 1959, se
considera que este ingenioso artefacto ha salvado más de un millón de
vidas, y continúa siendo el dispositivo de seguridad más eficaz en los
vehículos.
En un comienzo el cinturón de seguridad fue desarrollado como elemento de
seguridad pasiva en los aviones en la década de los 30, se decidió
implementar este dispositivo en los automóviles en 1956, liberando la
patente que existía sobre esta invención para que todas las marcas
aumentar la seguridad de los ocupantes.
Figura 1: Cinturón de seguridad durante un choque
(http://eduvialgp.tripod.com)
Existen varias razones que justifican ampliamente su uso como:
Complementa la eficacia del airbag, está comprobado que el airbag
por si solo puede causar más daño en el momento de un accidente
2
Reduce en un 50% el riesgo de muerte.
No llevarlo implica una infracción de tránsito.
Reduce hasta 7 veces la posibilidad de resultar gravemente herido o
muerto en accidentes automovilísticos.
Resguarda a todos los ocupantes del vehículo.
Evita que salgan despedidos contra el parabrisas o golpeen
mortalmente a otro pasajero.
El cinturón de seguridad salva vidas. Según la OMS (Organización Mundial de la Salud), “solo 28 países, en los que viven 416 millones de personas (el
7% de la población mundial), tienen leyes adecuadas relacionadas con los
cinco factores de riesgo principales: el exceso de velocidad.
La conducción bajo los efectos del alcohol, el uso de casco por los
motociclistas, la utilización de los cinturones de seguridad y el empleo de
medios de sujeción para niños"(Centro de prensa, Nota descriptiva N°358,
Mayo de 2015),esta misma entidad prevé que para el 2020 los accidentes de
tránsito serán los causantes de 1.9 millones de muertes al año.
Según estadísticas de la Comisión de Transito del Ecuador (CTE) no utilizar
el cinturón de seguridad está entre las 3 contravenciones más frecuentes
con 116.634 citaciones a conductores para el 2014, y se prevé que para el
2015 esta situación se incremente. Dentro de las principales reformas de la
Ley Orgánica de Transporte Terrestre, Transito y Seguridad Vial, se ubica
como contravención leve de primera clase;
Los conductores que no utilicen el cinturón de seguridad serán
sancionados con USD 14,60 y 1,5 puntos menos en la licencia.
Los conductores que no exijan el uso del cinturón a los pasajeros
serán sancionados con USD 43,80 y 4,5 puntos menos.
Está prohibido transportar a menores de 12 años de edad en los
asientos delanteros. Los niños hasta los 4 años deben utilizar asiento
3 Figura 2: Estadísticas de accidentes de transito
(Agencia Nacional de Tránsito)
Durante el 2014 32.182 personas resultaron lesionadas y 22.868fallecieron
en accidentes de tránsito, la principal causa de estos accidentes son los
choques, muchas de estas víctimas se podrían haber evitado con el uso del
cinturón de seguridad.
En un estudio realizado por la OMS sobre “la situación mundial de la seguridad vial” el 17% de los accidentados que no llevaban el cinturón de
seguridad fallecieron, versus al 2.3% de entre los que si lo utilizaban, es
decir que existe 7 veces más probabilidades de morir en un accidente de
tránsito si no se lleva puesto en cinturón de seguridad.
Según Diario el Comercio en un artículo publicado el 19 de Junio del 2013, “Ecuador es el segundo país en muertes por accidentes de tránsito en América Latina”, según el reporte del Estado Global sobre la seguridad de
las vías de la Organización Mundial de la Salud (OMS), publicado en el año
2014. “Ecuador alcanza 28 muertes por cada 100.000 habitantes. Los
traumatismos causados en accidentes de tránsito son la principal causa de
muerte en los niños de cinco a catorce años y la segunda del grupo entre catorce y cuarenta y cuatro años”.
De acuerdo con la ANT (Agencia Nacional de Transito), en su informe anual
4
accidentes se producen por impericia o imprudencia de conductor, el 13,2%
por irrespeto a las normas de tránsito, el 12,31% por exceso de velocidad, el
9,73% por embriaguez, el 7,69% por condiciones externas sin determinar y
el 6,99% por imprudencia de otros involucrados.
Figura 3:Reducción de lesiones con el uso del cinturón de seguridad
(http://www.autobodymagazine.com.mx)
Como se muestra en la Figura 3 el porcentaje de lesiones con el uso del
cinturón de seguridad disminuye en un estimado de 45% para lesiones leves
y un 50% para lesiones graves.
Desde la aprobación de la reforma a la Ley de Tránsito en el 2011 a la
actualidad no ha existido mayor cambio en las estadísticas, ya que la
reforma no ha sido cumplida en un 50%, pero más allá de la obligación legal
que se tiene en el uso adecuado del cinturón de seguridad, está en volverlo
un buen hábito que salve vidas.
Algo tan simple como abrocharse el cinturón de seguridad salvaría cada año
alrededor de 7.000 personas, según un estudio de Seguridad Vial elaborado
por la comisión Europea y en el que se estipula que no usar el cinturón de
seguridad es la segunda causa de la muerte entre los fallecidos de
5
que la ANT considere reformular la ley y endurecer las penas, así como
crear campañas con la intención de que la vigilancia en el uso del cinturón
de seguridad se intensifique en las vías urbanas, todos los días se puede
observar como los agentes de tránsito situados estratégicamente en las
principales vías de la ciudad increpan a los ocupantes del vehículo a usar el
cinturón y vigilar a que todos lo lleven bien abrochado.
Según Jesús Gómez, asesor técnico de Aneta, “la seguridad vial depende de
cuatro aspectos: la calidad de la educación, los estándares de la red vial, el estado mecánico de los carros y el control”.
Como indica en la figura 1 se puede apreciar el diagrama de Ishikawa de las
posibles causas que pueden implicar para no utilizar el cinturón de
seguridad.
Figura 4: Diagrama Ishikawa al no utilizar el cinturón de seguridad
Como principales causas para no utilizar el cinturón de seguridad la que
prima es la confianza excesiva de los ocupantes al creer que durante el
trayecto que realizarán en el automóvil no sucederá ningún accidente, pero
nadie puede asegurar que en el transcurso del camino suceda. Según la
6
problemática estaría en aumento con respecto a las principales causas de
mortalidad en las vías, los traumatismos por accidentes de tránsito pasaría
de la posición 9 en el 2004 al puesto 5 para el año 2030 dentro de las
principales causas de mortalidad, como se muestra en la figura 5.
Figura 5: Principales causas de mortalidad, datos comparados de 2004 y 2030
Estadísticas sanitarias mundiales 2008
(http://www.who.int/whosis/whostat/2008/es/index.html)
La intención del presente documento es mejorar la seguridad pasiva
llegando a concientizar en el uso del cinturón de seguridad en todo instante,
se trata de una herramienta tecnológica que permita optimizar la seguridad
de los ocupantes.
La comodidad de los seres humanos y el desarrollo tecnológico permite
desarrollar diferentes dispositivos, los cuales simplifican y recuerdan tareas
que tal vez sean pasadas por alto por diferentes causas (descuido, excesiva
confianza, desconocimiento, etc.), lo que buscan los conductores es
comodidad y confort, el sistema propuesto en esta tesis obliga al conductor y
los ocupantes a llevar puesto el cinturón de seguridad en todo instante,
7
con las condiciones previstas (llevar el cinturón de seguridad abrochado), y
no se podrá encender hasta que sus ocupantes cumplan con esta condición,
para lo cual se plantean los siguiente objetivos:
OBJETIVO GENERAL
El objetivo general del siguiente trabajo de tesis es el siguiente:
Diseñar y construir un sistema de detección de ocupantes utilizando
sensores de ultrasonido, para implementarlo en el control y actuación
sobre el cinturón de seguridad con dispositivo antiarranque.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Los objetivos específicos que se busca alcanzar con la realización de este
proyecto son:
Investigar y analizar los diferentes tipos de sistemas de detección de
ocupantes existentes en vehículos y su aplicación en la seguridad
activa y pasiva.
Identificar y determinar las técnicas y herramientas Mecatrónicas
adecuadas para lograr el sistema deseado.
Construir los circuitos requeridos para todo el sistema de detección de
ocupantes, y su correcta implementación con el cinturón de
seguridad, cotejando el proceso y su correcto funcionamiento.
Realizar comprobaciones del sistema desarrollado y estimar el
desempeño de este, corrigiéndolo, e implementándolo de forma
correcta.
Este trabajo de investigación estará enfocado en desarrollar un modelo físico
aplicable a vehículos que no disponen de este sistema, la detección de
ocupantes por medio de sensores de ultrasonido con interruptor
anti-arranque, permitiendo simular el comportamiento de este, bajo las
condiciones y requerimientos del funcionamiento deseado, desarrollando
8
cinturón de seguridad y de esta manera poder disminuir las estadísticas de
mortalidad y lesionados de gravedad.
La primera fase del proyecto estará en investigar y revisar el funcionamiento
y los parámetros con los que funcionan este tipo de sistemas.
Se establecerán los rangos de funcionamiento óptimo del sistema de
detección, como la posición y postura de cada uno de los ocupantes, la
posición de los diferentes sensores dentro de la cabina del vehículo.
Se comprobará los sucesos que intervienen en el sistema, para determinar
el esquema de operación se realizará y optimizar la programación del
mismo.
Se modelará el sistema de detección de ocupantes en plataformas virtuales
dentro de lo posible, con la intención de simular el comportamiento de los
sensores de ultrasonido y sensores piroeléctricos, para luego proceder con
la aplicación física del módulo que controlará el sistema por medio de
sensores ultrasónicos, piro eléctricos, y sensores de contacto o interruptor
de limite, evaluando las respuestas y aplicando la mejor al prototipo del
módulo de control.
Se pretende evaluar el sistema de control y su prototipo su fiabilidad
evitando tener errores en el funcionamiento, para más adelante fusionar y
adaptar el sistema de control o módulo con los actuadores de respuesta
como luces de emergencia, relés, buzer, etc.
Se procura conseguir un módulo de alta fiabilidad y adaptación, que pueda
ser usado en la simulación del comportamiento del sistema de detección de
ocupantes, y lograr predecir una mejor funcionalidad, operando
eficientemente con las demás aplicaciones dependientes de ésta.
Para el desarrollo del proyecto planteado en base a los objetivos el sistema
se realizará en un vehículo familiar de 4 pasajeros (Daewoo Matiz), que no
dispone de ningún tipo de sistema de detección de ocupantes ni control
9
Para la viabilidad económica se tomó en cuenta que el sistema en la parte
de control, mecánica y electrónica; sean fabricados con componentes que se
encuentren en la ciudad de Quito, para evitar tener que importarlos, en
cuanto a la programación se utilizara sistemas de software libre y con esto
10
En el presente capítulo se pretende analizar la fundamentación teórica
necesaria para seguir con la investigación y el desarrollo del proyecto, se
parte por conocer los sistemas de seguridad en los vehículos, sistemas de
detección de ocupantes, así como los sistemas inteligentes de transporte y
sus aplicaciones, y por último los sistemas de control, sensores y actuadores
la aplicación del ultrasonido, y los diferentes elementos requeridos para la
elaboración del proyecto.
2.1 SEGURIDAD EN VEHICULOS
La tecnología implementada en los vehículos en la actualidad es cada vez
más avanzada y permite desarrollar sistemas más potentes y por lo tanto
veloces, complementados con la rehabilitación de las vías en todo el país,
hace que los vehículos estén propicios a sufrir accidentes de tránsito si no se
cumple con las normativas de seguridad.
Los sistemas de seguridad en los vehículos están encargados de eliminar o
en su defecto disminuir las lesiones ocasionadas por accidentes de tránsito
es por esto que el conductor debe conocer con exactitud todos los sistemas
de seguridad activa y pasiva en el vehículo el cual conduce, los cuales han
venido evolucionando teniendo cada vez más espacio; sino el principal al
momento del diseño de un vehículo.
La seguridad de colisión en vehículos es una de los sistemas que más
avances ha tenido, debido a la tecnología implementada en estos, los
potentes motores, la velocidad que alcanzan y la imprudencia al manejar.
Este tipo de sistemas se encarga de disminuir en gran parte los daños a los
ocupantes de un vehículo durante una colisión.
Según el reglamento Técnico Ecuatoriano expedido por el instituto
Ecuatoriano de Normalización (INEN), las bolsas de aire tanto para el
conductor como para el acompañante serán obligatorias para vehículos
desde el modelo 2014, así como para carros 2013, cuyas unidades o CKD
11
Los nuevos sistemas de seguridad de 4ta generación desempeñan varias
funciones entre las cuales están el reconocimiento de situaciones de
accidente críticas para los ocupantes del vehículo, así como la activación de
los sistemas de retención necesarios (de forma selectiva en función de la
gravedad y el tipo de accidente).
El diseño de los vehículos es un factor que puede salvar vidas en
condiciones extremas, pero a pesar de las técnicas de seguridad
implementadas en estos si los ocupantes no hacen uso de los sistemas
existentes o los operan de forma incorrecta no sirve de nada la ingeniería
invertida en salvar vidas. Los vehículos son más seguros con el transcurso
de los años, gracias a la gran inversión de los fabricantes y las normas de
seguridad, sin lograr ser difundidos como se espera, gracias a esta razón los
ocupantes desconocen el equipo de seguridad o difícilmente lo utilizan como
criterio de selección de compra.
En la industria de la automoción se diferencia entre la seguridad activa y
pasiva. El sistema a implementar pretende mejorar la seguridad pasiva en el
vehículo recordando el uso del cinturón de seguridad evitando el arranque si
es que no se cumplen con las condiciones propuestas.
Se presenta a continuación algunos de los sistemas activos y pasivos que
incorporan los vehículos:
2.1.1 SEGURIDAD ACTIVA
La seguridad activa son todos los elementos que ayudan a prevenir un
accidente o en su defecto permiten controlar mejor el vehículo en caso de un
accidente. A continuación se mencionan algunos de estos sistemas:
Luces Autoadaptables
Control dinámico de estabilidad (DSC)
Sistema antibloqueo de ruedas (ABS)
Control de tracción
12 2.1.2 SEGURIDAD PASIVA
La seguridad pasiva son todos los sistemas que tratan de proteger a los
pasajeros en caso de un accidente, disminuyendo o evitando los daños que
puedan ocasionar, a continuación se detallan algunos de estos:
Rigidez en el chasis y carrocería
Air-bags
Columna de dirección (tipo telescópica).
Apoyacabezas
Cinturón de seguridad
2.2 CINTURÓN DE SEGURIDAD
El cinturón de seguridad es un sistema de seguridad pasiva y permite
mantener a las personas sujetas a los asientos.
Todos los ocupantes deben utilizar el cinturón de seguridad, la principal
función de este dispositivo es detener a las personas y mantenerlas
ajustadas a sus asientos, disminuyendo el desplazamiento de los ocupantes
ante una situación de emergencia o colisión. Las situaciones en las que se
generan víctimas o lesiones graves se deben a que los ocupantes no
utilizaron el cinturón de seguridad, estas situaciones pudieron haberse
evitado o, al menos, las consecuencias no serían tan graves.
El límite de protección de que ofrece el cinturón de seguridad viene dado por
su propia capacidad de resistencia, el diseño, la forma de ser utilizado,
estructura del coche, coeficiente de absorción de impacto, distribución de
energía, así como el tipo de accidente y la velocidad.
2.3 TIPOS DE CINTURONES DE SEGURIDAD
En la actualidad un sinnúmero de tipos de cinturones de seguridad depende
13
siguiente apartado trata algunos tipos de cinturones que se pueden
encontrar en los coches comercializados en el país:
2.3.1 CINTURON DE DOS PUNTOS
Este tipo de cinturón de seguridad llamado también como cinturón de cadera
es colocado sobre las caderas del pasajero. Es utilizado principalmente en
los aviones, autobuses y en la posición central del pasajero posterior de
algunos modelos de vehículos de 5 plazas.
Este tipo de cinturón de seguridad aunque cumple con la tarea de reducir la
posibilidad de expulsión, no evita los desplazamientos bruscos del tórax y la
cabeza.
Figura 6: Cinturón de seguridad de dos puntos
(http://consulvial-ecuador.blogspot.com)
2.3.2 CINTURON DE SEGURIDAD DE TRES PUNTOS
El cinturón de seguridad de tres puntos es el más comúnmente en los
automóviles de serie, en las plazas delanteras y posteriores. Se trata de una
14
que se extiende la energía del cuerpo en movimiento sobre el pecho, la
pelvis y los hombros.
Figura 7: Cinturón de seguridad de tres puntos
(http://loscinturonesdese.blogspot.com/2015/01/cinturones-de-seguridad.html)
2.3.3 CINTURON DE SEGURIDAD DE CUATRO, CINCO Y SEIS PUNTOS
Arneses de seguridad de cuatro y cinco puntos son colocados en los
asientos de seguridad para niños y coches de carreras, son más seguros
pero más restrictivos. La parte de la falda se conecta a un arnés entre las
piernas, con cinturones sobre los hombros con 5 puntos de apoyo, mientras
que los cinturones de cuatro puntos restringe el anclaje en medio de las
piernas, el cinturón de seis puntos posee dos correas entre las piernas.
Figura 8: Cinturón de seguridad de cinco puntos
15
2.4 IMPORTANCIA DEL CINTURÓN DE SEGURIDAD
El cinturón de seguridad es el más importante de todos los elementos de
seguridad puesto que cualquier otro método que se use para proteger a los
pasajeros parcialmente son ineficaces sin la intervención del cinturón.
La eficacia del cinturón de seguridad depende del tipo y de la gravedad del
choque, según el Informe mundial sobre prevención de los traumatismos
causados por el tránsito las ventajas de los cinturones de seguridad en
términos de reducción de lesiones y su eficacia en los distintos tipos de
impacto se muestran en la tabla 1.
Tabla 1: Eficacia del cinturón de seguridad en la reducción de los traumatismos
TIPO DE COLISION
PROPORCION DE TODAS LAS COLISIONES (%)
EFICACIA DEL CINTURON EN DIFERENTES TIPOS DE COLISION
(%)
Colisión
frontal 59 43
Colisión lateral (lado
conductor)
14 27
Colisión lateral (lado
opuesto conductor)
9 39
Colisión
Posterior 5 49
Vuelco 14 77
(Informe mundial sobre prevención de los traumatismos causados por el tránsito, 2004)
El mejorar la seguridad de los pasajeros en los choques de automóviles
supone aumentar la atención al momento de ingresar al vehículo este
descuido podría causar serios daños, los ITS (sistemas inteligentes de
transporte) proponen mejorar el diseño de los cinturones, mejora de diseño
de las partes delanteras de los automóviles que permitan un frenado más
lento del compartimiento de los pasajeros, la eliminación de los objetos
16
Si se está en un auto en movimiento y este frena repentinamente por
cualquier causa, las personas en el interior siguen en movimiento, las
fuerzas de fricción entre el asiento y las piernas no son suficientes para
detener a los ocupantes, en este instante se ejerce fuerza sobre el cinturón
de seguridad y permite que se detengan con el coche, en caso contrario los
cuerpos siguen en movimiento hasta que otra fuerza contrarreste hasta
anularla (parabrisas o tablero).
Es de vital importancia llevar siempre abrochado el cinturón de seguridad.
Según la OMS seis de cada diez accidentes ocurre a una velocidad menor a
60 km/h, las heridas que se producen en los accidentes son resultado de
impactos en el interior del habitáculo, luego del impacto del coche este
desacelera de una forma violenta, y los ocupantes se desplazan a la misma
velocidad con que se encontraban viajando.
Si ninguna fuerza actúa sobre ellos para detenerlos, el impacto será
descontrolado y no existe ningún elemento que pueda contrarrestar estas
fuerzas.
2.5 MODELO DE SOLUCIÓN
Dentro de este apartado se ha optado por la búsqueda de información en
manuales técnicos de vehículos, que llevan este tipo de dispositivos.
Entre los modelos de solución encontrados cabe mencionar que la mayoría
coincide en un sistema de detección de ocupantes utilizando esterillas
sensores, aunque en sistemas más sofisticados se puede encontrar
esterillas con componentes electrónicos que detectan la resistencia del
cuerpo humano, a continuación se detalla el funcionamiento de cada uno de
estos y los componentes que utilizan.
2.5.1 MODELO GENERAL SISTEMA DE DETECCIÓN DE OCUPANTES
La identificación de ocupación de asiento reconoce si el asiento está
17
gran mayoría utiliza esterillas censoras, el modelo y la complejidad depende
del tipo de vehículo.
Figura 9: Sistema de Seguridad Anticolisión
(Manual técnico de reparación ISTA BMW)
En la siguiente tabla se muestra la explicación de la figura 9:
Tabla 2: Explicación sistema de Seguridad anticolisión
Índice Explicación Índice Explicación
1 Sensor frontal de airbag
Izquierdo 2 Modulo Gateway centra
3 Cuadro de instrumentos 4 Modulo del espacio
reposapiés
5 Sistema de acceso al
vehículo 6
Interruptor para la desconexión del airbag del
acompañante
7 Sensor frontal de airbag
derecho 8
Sistema electrónico de la caja de empalme
9 Distribuidor de corriente
delantero 10
Airbag del acompañante con orificio de alivio
18
Índice Explicación Índice Explicación
11 Airbag de acompañante 12 Airbag de cabeza derecho
13 Sensor de airbag de la
puerta delantera derecha 14 Sensor de airbag derecho
15 Tensor enrollador cinturón
del acompañante 16
Borde de seguridad de la batería
17 Batería de con conexión
para el motor de arranque 18
Reposacabezas activo acompañante
19 Tensor de cinturón
acompañante 20
Airbag lateral delantero acompañante
21 Detección de ocupación de
asiento del acompañante 22
Detección de ocupación de asiento del acompañante
23 Interruptor de cierre de
cinturón del acompañante 24 Gestión del chasis
25 Interruptor de cierre de
cinturón del conductor 26
Sensor de posición de asiento del conductor
27 Airbag lateral lado
conductor 28
Tensor de cinturón del conductor
29 Reposacabezas asiento
conductor 30 Puertos de comunicación
31 Tensor enrollador de
cinturón del conductor 32 Sensor del airbag izquierdo
33 Sensor de airbag de la
puerta delantera izquierda 34 Airbag de cabeza izquierdo
35 Módulo de seguridad
anticolisión 36
Airbag del conductor con medio pirotécnico
37 airbag para las rodillas del
conductor 38 Airbag del conductor
39 Centro de mandos del
columna de dirección 40
Piloto de desconexión del airbag del acompañante
El sistema de reconocimiento de ocupantes en realidad es un sub-sistema,
su módulo principal es reconocido como; Módulo de seguridad anticolisión,
el sistema de seguridad anticolisión realiza el reconocimiento de situaciones
en accidente críticas para los ocupantes del coche, y la posterior activación
selectiva en función de la gravedad de los sistemas necesarios.
Cada uno de los componentes se encuentran conectados a diferentes
unidades de mando, que a su vez se encargan de transmitir los datos por
medio del BUS-CAN (sistema de transmisión de datos por fibra óptica),
19
(velocidad longitudinal y transversal, distribución de cargas en los ejes,
sensores de impacto).
En la Figura 9 se puede observar el sistema completo de seguridad
anticolisión y la interconexión con las demás unidades de mando que lo
componen:
A continuación se describe algunos de los componentes del sistema de
seguridad:
2.5.1.1 Módulo de Seguridad Anticolisión
El módulo de seguridad anticolisión es la unidad de mando principal para el
sistema de seguridad, este módulo comienza a funcionar al conectar el
encendido, realizando una secuencia de auto-diagnóstico, los sistemas de
generadores de gas y sistemas de seguridad se conectan directamente a
este módulo, este módulo de seguridad se encarga de evaluar los datos de
aceleración longitudinal y transversal y determina la intensidad del impacto
en caso de colisión, se define distintos umbrales de disparo para la
activación de los distintos sistemas de retención (tensor de cinturón, airbags,
borne de seguridad de la batería, etc.), al momento de colisión la unidad de
seguridad envía mensajes de advertencia a las diferentes unidades de
mando del coche para activar luces intermitentes, freno de emergencia,
llamada de emergencia, localización satelital del lugar del accidente, etc.
Los sistemas de retención se activan solamente si dos sensores
independientes han detectado los valores umbrales correspondientes, si se
activasen los sistemas de retención, el módulo de seguridad anticolisión
envía un mensaje a los demás integrantes del sistema. En función de la
intensidad del vehículo, las correspondientes unidades de mando activan
determinadas funciones.
Siempre que se activan uno de los sistemas de retención se memorizan
determinados datos en una memoria no volátil, de esta manera se puede
20
Para el aviso del cinturón de seguridad, las señales de los interruptores de
cierre son captadas por separado, para realizar la activación de los
componentes de forma selectiva.
Figura 10: Modulo de Seguridad Anticolisión
(Manual técnico de reparación ISTA BMW)
Tabla 3: Esquema de conexión módulo de seguridad anticolisión
Índice Explicación
1 Módulo de seguridad anticolisión
2 Cámara de conectores
3 Cámara de conectores
4 Cámara de conectores
En este tipo de módulos suele montarse un condensador de encendido. Si
se interrumpe la alimentación de tensión a causa de una colisión, el
condensador de encendido hace la función de reserva de energía para el
módulo de seguridad.
2.5.1.2 Detección de asiento Ocupado mediante Esterilla Sensora
La identificación de ocupación de asiento reconoce si el asiento está o no
ocupado con la ayuda de sensores de presión. La esterilla sensora se
compone de circuitos impresos con sensores de presión, esta señal se lee y
evalúa en el módulo de seguridad anticolisión.
En la figura 11 se puede observar la alfombrilla detectora de ocupación de
21 Figura 11: Alfombrilla detectora de ocupación de asiento
(Manual técnico de reparación ISTA BMW)
Este dispositivo se encuentra montado entre el tapizado y el inserto de
espuma del asiento.
La carga producida por un peso provoca que esta esterilla varié su
resistencia eléctrica. Hasta un peso aprox. de 12 kilogramos la detección
considera que el asiento no está ocupado, esta señal es enviada a través de
un cable directo al módulo de seguridad anticolisión, esta señal se utiliza
como advertencia acerca del cinturón de seguridad, cuando se detecta que
el asiento del acompañante está ocupado pero el interruptor de cierre de
cinturón no envía una señal, se emite una advertencia acerca del cinturón de
seguridad.
2.5.1.3 Detección de asiento Ocupado mediante Sensores
Capacitivos
Este tipo de detección está compuesta por una esterilla detectora de
ocupación del asiento con un grupo de sensores capacitivos y una
electrónica de evaluación. Mediante la medición de la resistencia del cuerpo
22 Figura 12: Esterilla con sensores capacitivos
(Manual técnico de reparación ISTA BMW)
Tabla 4: Elementos de la Esterilla Capacitiva
Índice Explicación Índice Explicación
A
Alfombrilla detectora de
ocupación del asiento con sensores capacitivos
B
Alfombrilla detectora de
ocupación del asiento con sensores capacitivos.
1
Alfombrilla detectora de
ocupación del asiento con
grupo de sensores
capacitivos
2 Sistema electrónico de
evaluación.
3 Conector 4 Conector para esterilla de calefacción de asiento
5 Esterilla de calefacción de
asiento
La clasificación del estado de ocupación se basa en la evaluación de la
resistencia capacitiva, el sistema electrónico de evaluación registra dicha
alteración y determina el estado correspondiente, en el caso de tratarse de
un niño el sistema desactiva automáticamente los airbags.
2.6 SISTEMA DE CONTROL
Los componentes del sistema en su mayoría están integrados en una o
23
puede considerar como una caja negra que sirve para controlar la salida de un valor o secuencias de valores determinados”. (Bolton. W, 2da Edición).
2.6.1 CONTROLADORES
Es el componente o componentes que permiten ejecutar órdenes sobre un
sistema de acorde a las necesidades del usuario.
2.6.1.1 Microncontrolador PIC
Según el libro Mocrocontroladores PIC: sistema integrado para el
aprendizaje dice: “Un microcontrolador (Microcontroller) es un circuito
integrado digital monolítico que contiene todos los elementos de un
procesador digital secuencial sincrónico programable de arquitectura
Harvard o Princeton (Von Neumann), orientado a tareas de control y
comunicaciones. (Pérez Mandado Enrique, 2007, p.11).
La aplicación de los microcontroladores es infinita, gracias a su portabilidad,
pequeño consumo, y bajos costos.
Figura 13: Campo de aplicación de los microcontroladores
(Microcontroladores PIC: sistema integrado para el auto-aprendizaje, 2007)
La arquitectura interna, el juego de instrucciones y las interfaces de
entradas/salidas son sus principales características, la arquitectura interna
24
por una unidad de memoria y una unidad de aritmética lógica. Los datos
externos son memorizados en los registros de la unidad de memoria para
presentarlos en secuencia en las entradas de la unidad aritmética y lógica,
los procesa y los vuelve a la unidad de memoria los resultados parciales y
finales obtenidos
2.6.1.1.1 PIC 16f628A
El pic 16f628A es un microcontrolador de 8 bit, posee un juego de 35
instrucciones.
Figura 14: Diagrama de pines PIC 16f628A
(Microchip Data sheet PIC 16f628A, 2007)
Este pic está basado en tecnología flash CMOS de 18 pines, de bajo costo,
alto rendimiento, reducido consumo de energía. Es muy versátil encaja en
aplicaciones que van desde los cargadores de baterías, sensores, etc.
2.6.1.2 Arduino
Se trata de una plataforma de hardware libre de fácil manejo y fácil montaje,
simplifica la tarea de programar en un microcontrolador y luego montarla en
una placa, además de ser económico en comparación con el mercado
25
Posee un microprocesador Atmel AVR (micro ordenador), con entradas y
salidas, analógicas y digitales, en un entorno de desarrollo basado en el
lenguaje de programación Processing.
2.6.1.2.1 Arduino Mega
Arduino MEGA está basada en el Atmega, cuenta con 54 pines digitales de
entrada / salida (de los cuales 15 se pueden utilizar como salidas PWM), 16
entradas analógicas, 4 UARTs (puertas seriales), un osciloscopio de 16
MHz, una conexión USB, un conector de alimentación, una cabecera ICPS, y
un botón de reinicio.
Figura 15: Arduino Mega
(http://arduino.cc/en/Main/arduinoBoardMega)
2.6.1.3 Software
El Hardware así como el software es propio de la plataforma Arduino,
implementa el lenguaje de programación Processing/Wiring, este lenguaje
está fundamentado en C y soporta todas las funciones del estándar C y
algunas de C++, el cargador de arranque es ejecutado en la placa.
Es posible utilizar otros lenguajes de programación, mediante aplicaciones
proporcionadas por Arduino, esto gracias a que Arduino utiliza la transmisión
serial de datos soportada por la mayoría de los lenguajes. En el caso que no
soporten la comunicación serial, es posible utilizar software intermedio con la
26
una comunicación fluida entre los dispositivos como Adobe Director, Java,
Liberlab, Matlab, Python, C++, entre otros.
La comunicación entre la placa y el interfaz de programación es vía USB
mediante un cable, es posible la transmisión de datos vía Bluetooth o XBee,
dependiendo de la versión ARDUINO a utilizar.
Figura 16: Interfaz de programación Arduino
(ARDUINO, s.f)
Como se muestra en la figura 16 se pueden observar la interfaz del
programa dónde:
1: Espacio donde se muestran los mensajes o posibles errores al
momento de compilar el programa.
2: Espacio donde se escribe el código de programación, funciones,
variables etc.
3: Botón Verify.- Al presionar este botón se encarga de compilar
el programa y muestra los posibles errores en la sintaxis al momento
de escribir, así como la correcta estructura de todas las funciones y
que todas las variables estén correctamente definidas.
4: Botón Upload.- Este botón permite grabar o descargar el
27
5: Botón New.- Este botón permite crear un nuevo proyecto.
6: Botón Open.- Permite abrir un proyecto que ha sido guardado
con anterioridad.
7: Botón Save.- Este botón permite guardar el proyecto que está
en elaboración.
2.6.2 LCD
TFT-LCD (Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display, pantalla de cristal
líquido de transistores de película fina) se trata de una variante de pantalla
de cristal líquido (LCD) que usa tecnología de transistor de película delgada
(TFT) mejorando su calidad de imagen.
Permite la interacción con el usuario ya que trata de una pantalla táctil,
puede ser conectada a través de puerto serie, con librerías implementadas, y
dispone de un medio externo para guardar los gifts (tarjeta micro SD, lo cual
es de gran ayuda para la elaboración de las imágenes y luego ser cargadas
al programa principal).
Figura 17: Lcd tft Shield
(Datasheet LCD TFT)
Se describen algunas características de la pantalla:
Dispositivo con Socket para tarjeta SD
Pantalla táctil
28
Rango de operación de 3.3 a 5 voltios
TFT Resolución: 240 x 320 pixeles
Colores: 65K
Tamaño 79.3mm x 57.5mm x 1.6mm
Fuente de alimentación compatible con Arduino Mega
Una placa Shield es aquella que se puede acoplar directamente a Arduino ya
que poseen los pines indicados para el emparejamiento de estos.
El consumo es de 3.3 a 5 voltios lo cual es muy bajo y la resolución es muy
buena y permite visualizar en diferentes ámbitos (a plena luz del sol, o en la
noche).
2.6.3 SENSORES
Un sensor es un dispositivo que capta magnitudes físicas llámese a estas
temperatura, sonido, movimiento, variaciones de luz, etc., u otras
alteraciones del entorno.
2.6.3.1 Sensor de Ultrasonido
Se pretende conocer acerca de este sistema de sensores, para este
proyecto se procura utilizar un sistema de detección por ultrasonido, o en su
defecto un sistema integrado por diferentes sensores permitiendo una
localización exacta.
2.6.3.1.1 Historia
El ultrasonido es un espectro de ondas acústicas transmitidas en una
frecuencia que superan el límite del oído humano, es decir, los 20000 ciclos
de frecuencia [Hz].
Por el año 1883, Galton estudio la audición humana y sus límites,
obteniendo como resultado de que los sonidos con frecuencias inaudibles
29
sonoras, pero con una absorción mayor por parte del aire, desde entonces la
investigación por el ultrasonido y sus aplicaciones ha venido en aumento.
Los hermano Curie obtuvieron resultados publicados en 1880 gracias a sus
estudios sobre la piezoelectricidad, obteniendo ondas sonoras con alta
frecuencia experimentando con cristales de cuarzo y turmalina.
Con el pasar del siglo XX, el estudio del ultrasonido ha dejado grandes
descubrimientos en las aplicaciones con la medicina, acústica subacuática,
industria, etc.
2.6.3.1.2 Ultrasonido
Las tres magnitudes físicas que permiten describir el sonido son: La
frecuencia, la amplitud y la composición armónica o forma de onda, que
describen su característica de percepción como tono, Intensidad y timbre, la
impedancia acústica específica depende de la densidad de masa y de la
velocidad de propagación, como se muestra en la ecuación 2.1.
Z = ρ V [2.1]
Dónde:
Z = Impedancia acústica especifica
ρ = Densidad de masa
V = Velocidad de propagación
A mayor densidad, la absorción va a ser mayor, y a mayor absorción, mayor
será la frecuencia.
La generación del ultrasonido se basa en un generador dotado de un
transformador conectado con el medio, transformando la señal esta puede
ser eléctrica, magnética o mecánica en ondas ultrasónicas, la señal
30
En la figura 18 se puede apreciar el concepto básico de la señal generada
por el componente, siendo transmitida hacia el transformador para efectuar
el campo ultrasónico.
Figura 18: Generador de ultrasonido
Las ondas generadas por el transformador hacen vibrar el medio, el
generador emite potencia acústica en gran cantidad.
A continuación se detalla el principio básico de funcionamiento:
Utiliza un disparo para la emisión de la señal de alto nivel de 10us, he
indicarle al sensor que inicie la lectura.
El modulo automáticamente envía ocho señales de 40kHz y detecta si
existe una señal de retorno (detecta el eco).
Si la señal ha regresado (ha detectado el eco), mide la distancia del
ancho del pulso, de lo contrario el pulso generado será de 38 ms.
Distancia de Prueba = (tiempo de emisión de la señal X velocidad del
sonido (340 m/s) / 2).
Un sensor se compone de una caja de plástico con conexión por enchufe
integrada, un convertidor de ultrasonidos (membrana de aluminio en cuyo
lado interior hay pegada una pastilla piezoceramica) y una placa de circuitos
con electrónica de emisión y evaluación.
Dos de las tres líneas eléctricas de conexión a la unidad de control sirven
para la alimentación de tensión. Por la tercera línea, bidireccional, se
31
vuelta a la unidad de control (conexión de colector abierto de alto potencial
de reposo).
En la figura 19 se muestra cada una de las partes que componen el sensor
de ultrasonido:
Figura 19: Partes Sensor de ultrasonido
(Sistemas de seguridad y confortabilidad, 2011)
Tabla 5: Explicación Figura 19
Índice Explicación Índice Explicación
1 Placa de circuitos
impresos 2
Masa de relleno
3 Caja de plástico 4 Soporte del sistema
5
Anillo de
desacoplamiento (caucho sacónico)
6 Manguito
7 Convertidor de
ultrasonido 8
Caperuza
9 Conexión eléctrica
(enchufe)
2.6.3.1.3 Funcionamiento
El sensor ultrasónico funciona según el principio “impulso-eco” en
combinación con la triangulación. Cuando recibe de la unidad de control un
impulso digital de emisión, el circuito electrónico excita la membrana de
32
resonancia para generar vibraciones típicas de aproximación, 300 micro
segundos, emitiéndose entonces ondas ultrasónicas; la onda sonora
reflejada por el obstáculo hace vibrar a su vez la membrana, que entretanto
se había estabilizado (durante el periodo de excitación de aprox. 900 micro
segundos no es posible ninguna recepción).
La piezoceramica convierte estas vibraciones en una señal eléctrica
analógica, que la electrónica del sensor amplifica y transforma en una señal
digital como se ve en la figura 20.
Figura 20: Conjunto Sensor Ultrasonido
(Sistemas de seguridad y confortabilidad, 2011)
El sensor tiene prioridad frente a la unidad de control y, al detectar una señal
de eco, conmuta la conexión de la señal a “bajo potencial” (< 0,5 V). Si se
encuentra una señal de eco en la línea, no se puede procesar la señal de
emisión. Cuando la tensión se vuelve inferior al umbral de conmutación de
1,5 V en la línea de señales, la unidad de control incita al sensor a que
realice la emisión.
Con el fin de cubrir una zona lo más extensa posible, el ángulo de detección
es grande en el plano horizontal. En el plano vertical, por el contrario, es
necesario que el ángulo sea pequeño, para evitar reflexiones perturbaciones
33 2.6.3.1.4 Ondas por su naturaleza
La propagación de ondas generadas de forma eléctrica requiere de un
generador y el medio a utilizarse, y el efecto más comúnmente utilizado es el
piezoeléctrico inverso, un actuador piezoeléctrico se basa en la aplicación de
una tensión eléctrica sobre un material piezoeléctrico como el cuarzo, bario,
titanio, turmalina, etc., que con la diferencia de potencial produce una
contracción sobre su longitud, como ejemplo se puede citar el
funcionamiento de un inyector piezoeléctrico, al aplicarle una diferencia de
potencial a los terminales del inyector el material experimenta una distorsión
en la configuración de las cargas de sus átomos y se contrae, por lo tanto
ofrece un abertura permitiendo salir la gasolina.
Al aplicar un campo eléctrico sobre el material piezoeléctrico este vibra, es
aquí donde aparece la llamada frecuencia de resonancia, que es aquella
para la cual un esfuerzo mecánico provoca la mayor aparición de cargas
posibles en picos de amplitud, estos esfuerzos mecánicos pueden ser de
tracción o compresión, la diferencia entre los efectos de ambos está en el
signo de la carga aparecida.
Figura 21: Cortes de un cristal de cuarzo
(Sistemas de comunicaciones electrónicas, 2003)
El aire será el medio de propagación del ultrasonido en este proyecto, cabe
34
velocidad de propagación, con respecto al aire como medio de propagación
es indicado evitarlo puesto que una capa de este gas podría eliminar la
propagación de las ondas ultrasónicas, por su alta atenuación.
Existen varios fenómenos que se presentan en el ultrasonido, como la
reflexión, difracción, refracción, con lo cual se debe considerar que la
longitud de onda sea pequeña.
2.6.3.1.5 Detección de ultrasonido
Es necesario contar con la información exacta y apropiada en tiempo real,
para una correcta detección y medida de las ondas generadas, lo que se
busca es poder medir el campo ultrasónico requerido y conocer las
características específicas del habitáculo, se mencionan algunos tipos de
detectores que existen:
2.6.3.1.6 Detectores Ópticos
Estos son elementos que utilizan un haz de luz, enviando y recibiendo a este
de forma infrarroja, presentando un campo mucho más amplio y muy poco
sensibles a interferencias como el ruido. El elemento emisor de luz es de tipo
led emite una longitud de onda de 650 [nm], el elemento receptor puede ser
de varios tipos, fotorresistencias, fototransistores, fotodiodos.
2.6.3.1.7 Detectores de radiofrecuencia
Este tipo de sensor se basa en la recepción de ondas electromagnéticas,
limitadas al canal de radiofrecuencia UHF en este caso (aplicación en
vehículos), con una frecuencia entre 300 MHz y 3 GHz, o del tipo radar con
una frecuencia comprendida entre 76 y 77 GHz, permitiendo medir
distancias y velocidades con ondas de radio, este dispositivos tienen gran
alcance entre 120m y un ángulo de detección de 4° aproximadamente.
El funcionamiento comprende en ondas de radio conformadas por fotones,
35
en casi todos los materiales con intensidad, mínimo ruido e interferencia.
Con la ecuación 2.2 es posible medir la distancia al obstáculo:
𝑒 = 𝑣 ∗ 𝑡 = 𝑐 ∗ 𝑡 [2.2] Dónde:
𝑒 = es la distancia o espacio que se desea detectar
𝑣 = es la velocidad (velocidad de la luz o 𝑐 )
𝑡 = Es el lapso de tiempo que tarda la señal en regresar al receptor
2.6.3.1.8 Detectores Volumétricos
Este sistema es aplicable al interior de espacios, en este caso el interior del
vehículo ya que permite detectar intrusiones en el interior del vehículo.
El funcionamiento de este tipo de sensores no difiere mucho de los sensores
de ultrasonido, la característica es que genera lóbulos más amplios, es decir
el espectro del sensor es mucho más amplio de esta forma cubre por total el
volumen interior del habitáculo del vehículo, como se muestra en la figura
22.
Figura 22: Zonas de detección de sensor volumétrico
36 2.6.3.1.9 Detectores de Efecto Karman
Este tipo de sensores permite medir el retraso del flujo de aire que son
causadas por las turbulencias existentes, o provocadas, por medio de pulsos
de ultrasonido.
Para lograr esto se calculan las variaciones del aire, las ondas ultrasónicas
son afectadas por medio de la alteración de la velocidad de transmisión, este
sistema utiliza de un emisor y varios receptores ubicados en el paso del aire
próximo a detectar turbulencias, en el paso de aire se coloca un obstáculo
provocando modificaciones, al pasar el aire por este obstáculo lamina el flujo
y provoca las turbulencias mencionadas obstaculizando los pulsos de
ultrasonido siendo estas detectadas por los receptores y emitiendo la señal
para activar el sistema.
Este sistema es aplicado ampliamente a los medidores de caudal o flujo de
aire en los colectores de admisión.
2.6.3.2 Sensores de contacto o interruptor de limite
Este tipo de sensor está situado al final del recorrido de un elemento móvil,
es un dispositivo eléctrico permitiendo enviar señales para modificar el
estado del circuito, se basa en interruptores normalmente abiertos (NA),
cerrados (NC) o conmutadores.
Figura 23: Sensor de contacto o interruptor de limite