Reporte Radar Arduino 67492v

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CANCUN INGENIERÍA MECATRÓNICA

ASIGNATURA Procesamiento de señales digitales PROFESOR Gustavo Pérez Hernández

Radar

PRESENTADO POR MORALES CARDONA JUSTO MIGUEL KU MOO JOSE ALBERTO ITZEL MARTINEZ SOLIS

Cancún, Quintana Roo, 14 DIC. 2015

Contenido -

Antecedentes

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Que es un radar

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Características de los elementos utilizados en el desarrollo del radar

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Montaje de un radar con arduino y processing

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Montaje del radar

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Software utilizado

Introducción (antecedentes) El radar (detección y medición de distancias por radio”) fue desarrollado durante la Segunda Guerra Mundial como un medio para detectar y rastrear aeronaves y barcos, Desde 1945 el radar se ha convertido en un instrumento meteorológico indispensable no solo para los investigadores sino también para los meteorólogos involucrados en la observación diaria del estado del tiempo. El radar es particularmente valioso en la detección, rastreo y pronóstico de tormentas severas; tormentas que causan grandes deseos provocados por avenidas súbitas, tornados o huracanes. Además, ya que el radar puede medir precipitaciones sobre grandes áreas, se ha convertido en una herramienta muy útil para los hidrometeorologos e hidrólogos. Es un sistema que usa ondas electromagnéticas para medir distancias, altitudes, direcciones y velocidades de objetos estáticos O móviles como aeronaves, barcos, vehículos motorizados, formaciones meteorológicas y el Propio terreno. Su funcionamiento se basa en emitir un impulso de radio, que se refleja en el Objetivo y se recibe típicamente en la misma posición del emisor. A partir de este “eco" se Puede extraer gran cantidad de información. El uso de ondas electromagnéticas con diversas Longitudes de onda permite detectar objetos más allá del rango de otro tipo de emisiones (luz Visible, sonido, etc.). Entre sus ámbitos de aplicación se incluyen la meteorología, el control Del tráfico aéreo y terrestre y gran variedad de usos militares.

¿Qué es un radar? El radar es un sistema que consiste de un transmisor y un receptor de radio sincronizados, que emite ondas electromagnéticas y procesa Ias ondas reflejadas para utilizarlas en la detección y localización de objetos tales como aeronaves o barcos, 0 en la detección de Ias características de superficies tales como la terrestre, lunar o planetaria. El principio electrónico de base para el funcionamiento del radar es muy similar al de la reflexión de ondas sonoras. Si se emite un sonido en la dirección de un objeto que refleje el sonido (como un plafón rocoso o una cueva) es posible escuchar el eco y, cono siendo Ia velocidad del sonido en el aire y el tiempo de retardo, se pueden calcular Ia posición relativa y la distancia a la que se encuentra el objeto, con base en la relación entre espacio velocidad y tiempo.

El radar emplea pulsos de energía electromagnética, La energía de radiofrecuencia (RF) se transmite hacia y se refleja desde un objeto reflector. Una pequeña fracción de la energía reflejada, denominada ECO como en el caso de Ias ondas sonoras, retorna al equipo radar. Los equipos radar analizan el eco para determinar Ia dirección y distancia del objeto reflector. Mediante el Radar es posible:   

Detección de objetos fijos o en movimiento Determinación de la distancia al objeto (alcance o rango) así como su altitud y orientación respecto al trasmisor. Determinación de velocidad y dirección de movimiento del objeto.

Características de los elementos utilizados en el desarrollo del radar Arduino nano Microcontroller Operating Voltage (logic level) Input Voltage (recommended) Input Voltage (limits) Digital I/O Pins Anaput Pins DC Current per I/O Pin Flash Memory SRAM EEPROM Clock Speed Dimensions Length Width

Atmel ATmega168 or ATmega328 5V 7-12 V 6-20 V 14 (of which 6 provide PWM output) 8 40 mA 16 KB (ATmega168) or 32 KB (ATmega328) of which 2 KB used by bootloader 1 KB (ATmega168) or 2 KB (ATmega328) 512 bytes (ATmega168) or 1 KB (ATmega328) 16 MHz 0.73" x 1.70" 45 mm 18 mm

Esquema de arduino nano

Servomotor SG90 El servo

SG90 Tower Pro un servo miniatura de gran calidad y diminutas dimensiones, además es bastante económico. Funciona con la mayoría de tarjetas electrónicas de control con microcontroladores

y

además con la mayoría de los sistemas de radio control comerciales. Funciona especialmente bien

en

aeronaves dadas sus características de torque, tamaño y peso.

El servo SG90 tiene un conector universal tipo “S” que encaja perfectamente en la mayoría de los receptores de radio control incluyendo los Futaba, JR, GWS, Cirrus, Hitec y otros. Los cables en el conector están distribuidos de la siguiente forma: Rojo = Alimentación (+), Cafe = Alimentación (-) o tierra, Orange = Señal PWM. Ideal para las primeras experiencias de aprendizaje y prácticas con servos Este tipo de servo es, ya que sus requerimientos de energía son bastante bajos y se permite alimentarlo con la misma fuente de alimentación que el circuito de control. Por ejemplo, si se conecta a una tarjeta arduino, se puede alimentar durante las pruebas desde el puerto USB de la PC sin mayor problema.

Características de Servo SG90 Tower Pro Dimensiones (L x W xH) =



22.0 x 11.5 x 27 mm (0.86 x 0.45 x 1.0 pulgadas) 

Peso: 9 gramos



Peso con cable y conector: 10.6 gramos Torque a 4.8 volts: 16.7 oz/in



o 1.2 kg/cm 

Voltaje de operación: 4.0 a 7.2 volts



Velocidad de giro a 4.8 volts: 0.12 seg / 60 º



Conector universal para la mayoría de los receptores de radio control



Compatible con tarjetas como Arduino y microcontroladores que funcionan a 5 volts.

Sensor ultrasónico HC-SR04 Es un sensor que permitirá detectar objetos o calcular distancias entre distintos puntos. El sensor ultrasónico HCSR04 es uno de los sensores muy utilizado debido a su bajo costo (1.88 USD) e intervalo de detección ya que es bastante amplio. Va desde los 2 cm hasta 5 m a una resolución o precisión de 3 mm. Este sensor tiene el mismo funcionamiento que un radar ya que envía pulsos a alta

frecuencia

en

este

caso

ultrasónicos.

Está

compuesto

por

dos

piezoeléctricos: un transmisor y receptor ambos en forma de cilindro. El transmisor se encarga de emitir la señal ultrasónica para luego ser rebotada a través de un objeto llegando al cilindro receptor. Debido a que la señal le tardará un tiempo en regresar desde que se emite, es obvio pensar que la velocidad con la cual llegará al receptor está íntimamente relacionada con la distancia de transmisión y rebote.

Se puede expresar matemáticamente como d = 170 (m/s) * t Esto se puede demostrar partiendo de la ecuación de velocidad: v = 2d/t donde la d es igual a la distancia que le tarda a la señal en llegar al objeto. Asumiendo que la velocidad del sonido es aproximadamente unos 340 m/s, entonces se puede obtener más o menos la distancia a la cual está el objeto. Al ser un sensor ultrasónico, éste trabaja en la banda de los 40 kHz casi el doble de la frecuencia de muestreo para una señal de audio. Esto quiere decir que para el ser humano es imposible percibir a través de los oídos esta señal ya que supera el ancho de banda del oído humano que es de hasta aproximadamente 20 kHz. Un sensor ultrasónico puede trabajar en áreas donde se tenga completa oscuridad ya que las luces no afectan o detienen su funcionamiento.

Ángulo efectivo Este sensor presenta una gráfica similar a la de un patrón de radiación, con esta información se puede saber a qué ángulo desde una referencia inicial se pueden obtener mejores resultados en las lecturas. El patrón de radiación es

una gráfica que presenta propiedades importantes en base a coordenadas espaciales, generalmente esféricas. La propiedad más relevante en este tipo de gráfica es la distribución de energía, es decir cuántos dB tenemos en función de un punto de referencia a lo largo de un radio que no cambia. Para este caso se comenta a qué distancia se puede detectar un objeto en función del ángulo. El ángulo efectivo para este sensor es de 15 °, esto indica que el sensor podrá detectar objetos a un rango de 30 °, 15 ° hacia la derecha e izquierda del ángulo cero. A continuación presento la imagen:

Consideraciones o

Antes de conectarlo a la red, primero asegúrate que esté conectado a la refencia o bien: ground.

o

Recuerda que todos los sensores de este tipo tienen una zona ciega, para evitar salidas inestables utilizada el sensor para medir distancias a más de 80 cm desde su frente.

o

La temperatura es un factor que puede afectar las lecturas del sensor, la velocidad de propagación de una onda mecánica decrece a medida que la temperatura aumenta.

Ahora que ya has conocido un poco de este sensor, hagamos un pequeño proyecto en Arduino para que observes su funcionamiento.

Montaje de un radar con arduino y processing Materiales    

Sensor ultrasónico Servomotor Arduino Processing

Para Ia elaboración de nuestro proyecto usaremos el módulo ultrasónico Se trata de un medidor de distancias de bajo costo por ultrasonidos. La detección del objeto se Consigue midiendo el tiempo que tarda en rebotar un haz de ultrasonidos sobre la superficie de un Objeto. Internamente está constituido por un micro controlador y dos capsulas ultrasónicas de 40kHz.Una para el disparo y otra para recibir el eco. Las principales características son: 

Rango de medida: Entre 1.7 y 400cm.



Tensión de alimentación: 5v



Frecuencia: 40kHz.



Duración mínima del pulso de disparo: 1



Duración del pulso de eco: 100-25000us



Tiempo de espera entre medidas: 20ms

Dos modos de funcionamiento: Modo1: Compatibilidad con el SRF04 (4 hilos). Modo2: Modo a tres hilos. El sensor se comporta como un SRFO4 usando una Línea de salida de Eco y otra Para la entrada de Disparo. El funcionamiento de este módulo es muy sencillo esta alimentado con 5V y se debe suministrar Un pulso de 10ps para activar el modulo a través del pin tring

El modulo lanzara 8 ráfagas de pulsos ultrasónicos a 40 kHz y la salida eco pasara al nivel alto hasta recibir un eco que es cuando volverá a pasar a un nivel bajo por lo tanto la salida eco será un pulso cuyo ancho será proporcional a la distancia respecto a un objeto

Montaje arduino simulado

Montaje Real

Software utilizado

Arduino IDE

Dado que el Arduino es como una pequeña computadora que ejecuta una serie de códigos que previamente le hemos introducido, necesitaremos un programa para poder meter estos códigos a la propia placa. Este programa se llama IDE, que significa "Integrated Development Environment" ("Entorno de Desarrollo Integrado"). Este IDE estará instalado en nuestra PC, es un entorno muy sencillo de usar y en él escribiremos el programa que queramos que el Arduino ejecute. Una vez escrito, lo cargaremos a través del USB y Arduino comenzará a trabajar de forma autónoma.

Descripción del funcionamiento del código del proyecto en el IDE de arduino El ide de arduno le da la lógica de movimiento de izquierda a derecha al servo cubriendo un rando de movimiento de 180 grados (paneo 0 - 180 grados), en el programa se utiliza el pin 9 para control del servo, el servo sg90 es conectado a una fuente externa regulada de 5 volts para evitar perturbaciones excesivas en las lecturas. El sensor ultrasónico se conecta con 4 pines (gnd, 5vcd, echo, trig), en el ide se declaró a echo como echoPin y a trig como initPin, siendo echo la parte de recepción de la onda (declarada como una entrada “INPUT”) y trig emite la onda (declarada como una salida “OUTPUT”), el monitor serial puede ser utilizado a distintas tasas de baudios, en este caso se utilizó con 9600 y con 250000.

En el programa se le dio lógica al sensor ultrasónico, se emiten pulsos con “delayMicroseconds(50);”, pulsos de 50 microsegundos puestos en HIGH y LOW, se toma el tiempo en el que la onda regresa, se calcula su retraso y se saca la distancia a la que se encuentra el objeto En el monitor serial se imprime una “X” y una “Y” para separar las siguientes lecturas “Posición actual del servo” y “Promedio de lecturas de los sensores”

Processing IDE Processing es un lenguaje de programación y entorno de desarrollo integrado de código abierto basado en Java, de fácil utilización, y que sirve como medio para la enseñanza y producción de proyectos multimedia e interactivos de diseño digital. Fue iniciado por Ben Fry y Casey Reas a partir de reflexiones en el Aesthetics and Computation Group del MIT Media Lab dirigido por John Maeda. Se distribuye bajo la licencia GNU GPL. Al estar basado en Java, puede heredar todas sus funcionalidades, convirtiéndose en una herramienta poderosa a la hora de encarar proyectos complejos.

Descripción del funcionamiento del código del proyecto en el IDE de Processing Para la conecxion de arduino con processing se debe utilizar la librería “import processing.serial.*;” y se toma el serial que utilice en ese momento el arduino “Serial arduinoport;” Se dimenciona la pantalla en este caso “size(750, 450);”, el diseño de lo que se presentara en la pantalla, en este caso una seri de líneas en forma de elipse “ellipse(radius, radius, 750, 750);” , se centra, y se da el correcto espaciado entre líneas, en fin se le da formato a lo que se presntara en pantalla. En cuanto la acción de paneo en la pantalla de radar, se asocia el ángulo real del servo con el ángulo que se le da en el programa, en el programa se le da efecto de arrastre estilo radar a la barra. Se establece un rango de representación en la consola del radar, ejemplificando a los objetos cercanos como partes negras en la lectura y las partes verdes como la lectura de donde no se encuentra algo cercano

Imagen de la consola de processing