Sensor de ultrasonidos

¿Qué son y para qué sirven?

Los sensores de ultrasonido son muy frecuentes en los robots móviles (particularmente) y de forma significativa en los AUVs, por sus buenas propiedades de medición en entornos acuáticos y sirven para detectar objetos y medir distancias. Se utilizan para construir mapas del entorno y evitar obstáculos.

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Principio de funcionamiento:

El sensor de ultrasonidos es un dispositivo de medición de distancia que se basa en las propiedades magnetoestrictivas de determinados materiales. Una lámina de material magnetoestrictivo o membrana tiene la propiedad de deformarse mecánicamente y generar ultrasonidos al ser excitada por una corriente eléctrica. El efecto contrario también se produce, es decir, que una vibración mecánica produce una corriente eléctrica. Por tanto, estos sensores emiten una radiación ultrasónica que rebota en los obstáculos del entorno y captan los ecos recibidos.

Los sensores de ultrasonidos se utilizan para medir distancias, que a partir de la excitación de la membrana magnetoestrictiva con una serie de impulsos eléctricos, se genera un tren de ondas ultrasónicas. Por otro lado, la membrana magnetoestrictiva, recibe los ecos de las emisiones recibidas y las transforma en impulsos eléctricos.

Existen típicamente dos configuraciones:

  • Con sistema de emisor/receptor en el mismo transductor: Las ondas ultrasónicas se generan con una sola membrana que debe inmediatamente ser "bloqueada" tras emitir el tren de impulsos para poder "escuchar" el rebote de las ondas. Dado que requiere un tiempo de bloqueo de la membrana, esta configuración es, por lo general, no sensible a distancias muy cortas (típicamente pocos centímetros).

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  • Con sistema de emisor/receptor separados: Las ondas ultrasónicas se generar con una de las membranas, mientras que la otra membrana se utiliza para "escuchar" las ondas ultrasónicas. En esta configuración, la membrana receptora está preparada para escuchar desde el mismo instante en el que se acaban de emitir las ondas y por tanto suele ser apropiada para medir distancias muy cortas que la configuración de un emisor/receptor común no puede alcanzar.

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Técnicas de medición de distancias:

  • Tiempo de vuelo: La técnica consiste en emitir un tren de impulsos y poner un temporizador en marcha. Cuando se recibe el eco de los impulsos emitidos, el tiempo transcurrido es proporcional al doble de la distancia al obstáculo (tiempo de impacto + tiempo de eco). Si en un determinado margen de tiempo no se ha recibido eco, se considera que no hay obstáculo.

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  • Cambio de fase: Se envía una onda periódica y se reciben los ecos de forma continua. Según el desfase entre las ondas se calcula la distancia. Una característica interesante a remarcar es que el entorno se puede modelar como la convolución entre la señal emitida y la señal de recepción.

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Propiedades de los sensores de ultrasonidos:

  • Frecuentemente, se utilizan cuatro frecuencias de onda: 60Khz, 56Khz, 52.5Khz y 49Khz.
  • Velocidad del sonido a unos 20ºC es de 343.2m/s.
  • La onda ultrasónica tiene un ángulo detección en el cual es teóricamente sensible y por tanto toda onda que venga en un ángulo dentro del lóbulo principal. También existen otros lóbulos secundarios en los cuales el sensor es también sensible, aunque en menor medida. La hoja característica del sensor nos indica la sensibilidad del mismo y la atenuación de la onda (en dBs) según el ángulo de incidencia:

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  • Los sensores tienen una distancia máxima de detección, que depende en gran medida de la frecuencia de la onda ultrasónica, la "sensibilidad" de la electrónica y la membrana y por supuesto el medio de transmisión, que si se trata del aire, la onda se degrada rápidamente en comparación de medios acuáticos. Para el caso de los ultrasonidos en el aire podemos encontrar sensores con distancias máximas de 3 o 4 metros, pero también es frecuente encontrar sensores de distancias mayores, aunque por lo general menores de 10m.
  • Los sensores pueden verse afectados por el fenómeno cross-talking: la onda de un sensor es recibida por otro sensor o un mismo sensor puede recibir su propia onda de un disparo previo si los tiempos de espera entre disparo y disparo no son adecuados. Si tenemos varios sensores de ultrasonidos y queremos minimizar el efecto cross-talking, lo lógico es secuenciar los disparos, aún así será muy difícil distinguir entre los echos recibidos por un robot u otro en el caso de que utilicen los mismos sensores, con lo que debéis asumir que la medición puede estar repleta de errores.

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  • En teoría la onda rebota sobre los espejos de forma especular y por tanto si se inclina mucho un sensor con respecto a una superficie debería dejar de verla. Lo cierto es que dado que gran parte de las superficies no son completamente lisas o disponen de bordes u otros elementos próximos que pueden hacer rebotar la onda, el sensor suele detectar, en la gran mayoría de casos, objetos que tienen un ángulo de incidencia superior al ángulo de detección del sensor.

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  • Cristales y espejos son teóricamente detectados, pero puede que por su grosor no se detecten correctamente.
  • Los colores no afectan a este sensor.
  • Otras variables como la temperatura suelen tener cierta influencia, pero se suelen despreciar en la mayoría de ocasiones. En cualquier caso, se sabe que tiene una dependencia de un 7% con la temperatura para un rango entre 0 y 40ºC.
  • Tiene muy poca variación con la humedad y es independiente de la presión y la altitud.

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