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Sistema para estacionamiento de un auto y para evitar acercarse demasiado a otro vehículo

Utilizando sensores ultrasónicos, los autos modernos nos dan una útil ayuda en el momento de maniobrar, especialmente al estacionarlos en espacios limitado. Podemos hacer nuestro sistema detector con un Arduino UNO y unos pocos componentes de bajo costo


Cómo funciona el sensor ultrasónico HC-SR04

El sensor ultrasónico HC-SR04 nos permite medir distancias por medio de emisión y rebote de ultrasonidos. Para medir distancias con Arduino podemos hacerlo de diferentes maneras.

Por orden de costo, hay un sensor que mide con el rebote de un láser; luego un sensor de infrarrojos que utiliza el paralaje del regreso de un haz de luz para calcular la distancia; y por último el más barato, el sensor ultrasónico HC-SR04, muy utilizado con Arduino, que utiliza la velocidad de propagación del sonido para medir distancia.

Para que no sea molesto al oído humano, utiliza ultrasonido a una frecuencia de 40 kHz. Estas ondas sonoras tienen una frecuencia muy por encima del espectro audible por los seres humanos.
El sensor funciona como un sonar, por rebote de la onda. El emisor del HC-SR04 envía un tren de ondas ultrasónicas cuando se activa la señal de disparo (trigger). Este sonido se refleja contra el objeto y retorna. El receptor detecta el momento en que retorna la onda y lo indica en la salida eco (echo).

Midiendo el tiempo de viaje podemos calcular la distancia.

La velocidad del sonido en la atmósfera terrestre es de 343,2 m/s a 20° C de temperatura, con 50% de humedad y a nivel del mar. Si necesitamos una gran exactitud, podemos agregar al diseño sensores BMP180 o BMP280, que nos aportan datos de altitud y temperatura, e incluso agregar un medidor de humedad, y por supuesto aplicar una fórmula más compleja. Pero para este diseño no necesitamos tanta precisión.

La fórmula de la velocidad es:

velocidad = espacio/tiempo

De donde despejamos la variable espacio, que necesitamos conocer:

espacio = velocidad x tiempo

La velocidad es conocida: la del sonido. El tiempo lo obtenemos con el sensor ultrasónico. Con ambos datos, podemos calcular la incógnita: a qué distancia se encuentra un objeto.

El zumbador o buzzer

Para simular correctamente un medidor de distancia de un automóvil utilizamos un buzzer (zumbador) pasivo. No hay que confundirlo con el zumbador activo, que tiene un oscilador interno, y por lo tanto una frecuencia fija y polaridad en sus pines de conexión.

Este reproductor no tiene un rango tan amplio de emisión de sonido como el del oído humano, ni mucho menos, pero es suficiente para diferenciar la distancia con frecuencias diferentes dentro de lo que es capaz de emitir. Además de los pequeños (como el de la foto), que vienen incluidos en los kits de Arduino, hay otros con mayor diámetro de diafragma (por ejemplo en el desarme de viejos modems), que ofrecen más volumen y un rango de frecuencias más amplio.

Sistema de alerta con leds y zumbador

Si bien al maniobrar no estaremos mirando hacia un indicador, sino atentos a los tonos de aviso, agregaremos al diseño un sistema de alerta visual. Nos dará una indicación aún más efectiva de si estamos cerca o lejos de un obstáculo. Con tres leds (verde, amarillo y rojo) conseguimos determinar si estamos a distancia sin riesgo, acercándonos, o en zona de peligro. Pero se podría ampliar la indicación con más leds y más comparaciones en el programa.

Componentes:

Arduino UNO, protoboard, cables para conexiones, resistores de 330 Ω, led verde, led amarillo, led rojo, sensor ultrasónico Arduino (HC-SR04), buzzer




Circuito:

Los resistores son de 330 Ω y van en serie con los LEDs. El sensor ultrasónico se conecta a dos pines digitales, uno para el trigger o disparador y otro para el echo, o receptor. El buzzer se conecta a una salida PWM y a GND. La salida PWM entregará distintas frecuencias según la indicación del programa, por medio de la función tone().

Programando el detector de distancia

Diagrama del programa

Los umbrales para la decisión se fijan como constantes, uno para cada situación. Podemos medir la distancia con una regla y determinarlos.

■ UmbralAlejado: está en zona verde desde 50 cm a 30 cm.
■ UmbralMedio: está en zona amarilla, desde 30 cm a 10 cm.
■ UmbralCerca: está en zona roja, menos de 10 cm.

Estos umbrales no son definitivos: se pueden cambiar a gusto del usuario.

El programa debe analizar la medición dividida en 4 zonas: fuera de rango (más de 50 cm, ninguna indicación), entre 50 cm y 30 cm (zona verde), entre 30 cm y 10 cm (zona amarilla), entre 10 cm e impacto (zona roja).

■ Luego de medir la distancia se la compara con el umbral que indica fuera de rango (50 cm).
■ Si la distancia es menor a ese valor está en zona verde: se enciende el led verde y emite el tono de 2000 c/s.
■ Si la distancia es menor a 30 cm y mayor a 10 cm está en zona amarilla: enciende el led amarillo y emite el tono de 2500 c/s.
■ Si la distancia es menor a 10 cm está en zona roja: enciende el led rojo y emite el tono de 3000 c/s.

Programa

Para esta determinación de rangos, es importante buscar en la hoja de especificaciones técnicas el rango de funcionamiento del sensor de ultrasonidos que disponemos. Para este artículo se usó uno que puede medir de 2 cm a 400 cm.

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Arduino: Usando la función millis() en lugar de delay()

El código que sigue es un típico ejemplo de escritura a través de la comunicación serie de Arduino. Escribe “Hola” a través del puerto COM serie (visible con el Monitor Serie de Arduino, en la pestaña Herramientas), y espera durante 1000 milisegundos (1 segundo) al final de cada iteración del bucle.

La función delay() es muy fácil de usar para crear esperas, pero tiene un inconveniente: deja al microcontrolador «atrapado» dentro de la ejecución de esta función durante el tiempo que se ha indicado. Si hubiese un cambio en un pin que debería detectar, o si llegase información a través de cualquiera de las comunicaciones posibles (serie, I2C o SPI) el microcontrolador sólo se enteraría luego de completarse el retardo.

Una solución es crear un retardo que no deje insensible al sistema durante un tiempo tan extenso.

La función millis()

millis() devuelve el número de milisegundos desde que la placa Arduino empezó a ejecutar, luego de un reinicio o el encendido. Este número se desbordará (volverá a cero), después de aproximadamente 50 días.

Retorna la cantidad de milisegundos en un valor long sin signo (unsigned long).

Nota: Tenga en cuenta que como el valor de retorno para millis() es un long sin signo (unsigned long), pueden producirse errores lógicos si un programador intenta hacer operaciones aritméticas con tipos de datos más pequeños, como de tipo int. Incluso con los long con signo se pueden producir errores ya que su valor máximo es la mitad que la de su contraparte sin signo.




Ejemplo de texto «Hola» utilizando la función millis()

Hacerlo de esta manera solo tiene sentido como ejemplo, ya que es evidente que en este caso directamente se puede usar una función delay(1000). Pero de todos modos la diferencia entre este ejemplo y el código que usa la función delay(1000) es que el ciclo del código que usa la función millis() se ejecutará una vez por segundo con la máxima precisión posible. El bucle en un código con delay(1000) se ejecutará en algo más de tiempo, ya que se produce un retardo al ejecutar Serial.println(«Hola»). Ocurrirá igual con cualquier otra serie de instrucciones que se incluyan dentro del bucle.

¿Por qué usar millis() en lugar de delay()?

Presentaré dos ventajas al utilizar millis() para crear retardos, en comparación con el uso habitual de delay().

1. Cronometraje preciso

La primera ventaja que discutiremos es la exactitud en el tiempo.

Con millis() podemos garantizar que el bucle se ejecute tantas veces como queramos dentro del retardo sin afectar su extensión, independientemente del tiempo de ejecución (obviamente, siempre que el tiempo de ejecución de todas las instrucciones sea menor al retardo deseado).

Con delay() esto no es posible, ya que no sabemos cuánto tiempo durará el tiempo de ejecución de todas las instrucciones de programa que están dentro del ciclo.

Una sincronización precisa como esta es muy útil cuando se muestrea a una cierta frecuencia, o cuando se utilizan filtros, entre otras cosas.

2. Sin bloqueo

La ventaja principal de la función millis() es que no nos impide ejecutar otro código mientras estamos «esperando».

Ejemplo: digamos que queremos imprimir «Hola» en el puerto serie una vez por segundo mientras hacemos otras cosas. Esto no es posible con delay(), ya que entrar a la función delay() pausa todo el código.

Aquí hay una manera de hacer esto:

Este fragmento de código es bastante similar al primer ejemplo que mostramos, excepto que este no bloquea el resto del programa mientras no se está imprimiendo hacia la línea serie.

3. Un simple secuenciador

Vamos a escribir un ejemplo simple en el que creamos un planificador que imprime ciertos trozos de texto a través de la línea serie a diferentes intervalos.

Así es como se ven los primeros 60 segundos en el Monitor Serie:

Esta es una manera agradable y fácil de sincronizar las ejecuciones en su código. También se puede ejecutar otras partes de código simultáneamente.

4. Una nueva función delay()

La función delay() estándar podemos reemplazarla por una implementada con la función millis(). Si bien parece que es lo mismo, ya veremos a continuación qué ventaja nos puede ofrecer su estructura de programa:

Además de esperar el tiempo indicado, esta función monitorea un pin de entrada del Arduino que haya sido cableado para detectar que ha sucedido algún evento externo. Si esa señal va a nivel BAJO (LOW), se interrumpe el retardo.

Para conectar varias entradas capaces de interrumpir el ciclo de retardo, se pueden agregar más elementos en la comparación de cierre del while, por ejemplo

while (Contador<=millis() && digitalRead(12)==HIGH) && digitalRead(11)==HIGH);

O se puede conectar a la entrada por el pin 12 (u otro pin elegido) un circuito como el que sigue, un AND realizado con lógica de diodos de señal (1N914 o 1N4148), que tiene la ventaja de que se puede ampliar indefinidamente. También se puede implementar con un circuito integrado compuerta AND.

Nota: quede claro que el circuito se representa con pulsadores, pero cada una de estas entradas puede ser un microswith, los contactos de un relé, o cualquier otro sensor que cierre circuito hacia GND (tierra o común).

Función micros() y desbordamiento

Al igual que delay() tiene una versión en microsegundos llamada delayMicroseconds(), la función millis() tiene como compañera para tiempos breves la función micros(). Si necesitamos una mejor resolución, micros() puede ser el camino a seguir. Sin embargo, tenga en cuenta que el valor devuelto por micros() se desbordará (volverá a cero) después de aproximadamente 70 minutos, en comparación con los 50 días de millis(). “Desbordamiento” significa que el conteo llega a su máximo, y entonces los valores de retorno de la función recomienzan desde cero.

Resumen

millis() y micros() son funciones realmente útiles para usar en tareas relacionadas con el tiempo. La opción inicial y típica de un programador de Arduino es usar delay(), que no siempre funcionará tan bien, principalmente cuando se programan muchas funciones que tienen que ver con el tiempo y existen eventos que no se pueden perder.




VL53L0X: Sensor de distancia que mide por la velocidad de la luz (Time-of-Fly)

El VL53L0X es un producto novedoso basado en el sistema FlightSense de la empresa ST Microelectronics. Es una tecnología innovadora que permite medir distancia con independencia de la reflectividad del objetivo.

En lugar de calcular la distancia midiendo la cantidad de luz reflejada desde el objeto (en lo que influye significativamente el color y tipo de superficie), el VL53L0X mide con precisión el tiempo que tarda la luz en viajar desde el objeto más cercano y volver reflejada hasta el sensor (un proceso llamado Time-of-Fly, o Tiempo de vuelo).

Debido a que utiliza una fuente de luz con un haz muy estrecho, es bueno para determinar la distancia de solamente la superficie que está directamente delante. A diferencia de los sonares ultrasónicos que hacen rebotar sus ondas de sonido, en este caso el «cono» de la detección es muy estrecho. A diferencia de los sensores de distancia IR que intentan medir la cantidad de luz que regresa, el VL53L0x es mucho más preciso y no tiene problemas de linealidad o «imágenes dobles», en las que no se puede saber si un objeto está muy lejos o muy cerca.

Puede medir distancia con un alcance de hasta 2 m.

El control del procesador y la lectura de los resultados se realizan por medio de una interfaz I2C.

Características clave

  • Emisor infrarrojo: 940 nm
  • Distancia: hasta 2000 mm
  • Dirección I2C: Programable
  • Fuente de luz VCSEL (Vertical-cavity surface-emitting laser = Láser de emisión de superficie de cavidad vertical)
  • Sensor de rango con avanzado microcontrolador
  • El chip mide sólo 4,4 x 2,4 x 1,0 mm
  • Medición de distancia rápida y precisa
  • Mide rango absoluto hasta 2 m.
  • El rango reportado es independiente de la reflectividad del objetivo
  • Compensación óptica cruzada integrada avanzada para simplificar la selección del vidrio de cobertura
  • Seguro para el ojo humano
  • Dispositivo láser de clase 1 que cumple con la última norma IEC 60825-1: 2014 – 3ª edición
  • Fácil integración por el sistema de montaje de soldadura del chip
  • No tiene óptica adicional
  • Fuente de alimentación individual
  • Regulador de voltaje integrado en la plaqueta
  • Interfaz I2C para control de dispositivos y transferencia de datos
  • Pines de entrada salida de uso general Xshutdown (para reinicio) e Interrupt (interrupción)
  • Dirección I2C programable

Conexión con Arduino

  • VCC (en algunos fabricantes VIN) es la fuente de alimentación, el módulo acepta de 3 a 5V de alimentación. Use el mismo voltaje en el que se basa la lógica del microcontrolador. Para la mayoría de los Arduinos es 5V.
  • Conecte GND a tierra/alimentación común (marcado también GND en el Arduino).
  • Conecte el pin SCL al pin SCL (señal de reloj I2C en su Arduino. En un Arduino UNO también se conoce como pin A5, aunque está disponible del lado de los pines digitales. En un Mega es el digital 21 y en un Leonardo es el digital 3.
  • Conecte el pin SDA al pin SDA (datos I2C) en su Arduino. En un Arduino UNO también se conoce como pin A4, en un Mega es el digital 20 y en un Leonardo es el digital 2.

Los pines adicionales son:

GPIO1: este es un pin que usa el sensor para indicar que están listos los datos. Es útil para cuando se realiza una detección continua. Tenga en cuenta que no hay ajuste de nivel en este pin, es posible que no se pueda leer el voltaje de nivel lógico de 2,8V en un microcontrolador de 5V (podríamos en un Arduino UNO, pero no es seguro). La biblioteca de Adafruit no hace uso de este pin, pero está ahí para usuarios avanzados.

XSHUT – es el pin de apagado/reinicio para el sensor. Por defecto es alto. Hay un diodo de cambio de nivel para que se pueda usar la lógica de 3,3 – 5 V en este pin. Cuando el pin va a nivel bajo, el sensor entra en modo de apagado.




Abra el IDE de Arduino. Mantenga siempre actualizado a la última versión.

Abra en el menú HERRAMIENTAS la opción ADMINISTRAR BIBLIOTECAS.

Búsqueda y carga en el IDE Arduino de la biblioteca del VL53L0X

La elección ADMINISTRAR BIBLIOTECAS abrirá la siguiente ventana del Gestor de Bibliotecas:

En esa ventana tenemos, en la parte superior derecha una ventana de editor con la leyenda «Filtre su búsqueda…«, donde debemos escribir el nombre del dispositivo:

Esta búsqueda nos ofrece varias bibliotecas. Para Arduino UNO y relacionados tenemos la de Adafruit y la de Pololu. En artículos en la web recomiendan la de Pololu, porque es más simple que la del otro fabricante. De todos modos, podemos instalar ambas. No hay conflictos en esto. El botón que dice «Instalar» aparece cuando se coloca el puntero del mouse en la biblioteca elegida. Si no aparece, es porque ya está instalada. Si no fuese así, recurra a el enlace «More info» y descargue la biblioteca desde el sitio GitHub, en formato ZIP, y proceda a instalarla con las instrucciones que ofrecen AQUÍ.

El gestor nos indicará que la biblioteca está lista con un cartel remarcado «INSTALLED».

Las bibliotecas quedan listas para ser utilizadas. La que corresponde a Pololu se llama VL53L0X, mientras que la de Adafruit se llama igual y está dentro de todas las bibliotecas de este fabricante, que llevan su nombre comercial como prefijo.

Dirección para el bus I2C

La dirección por defecto de I2C es 0x29, pero recuerde que es posible programar esta dirección en el VL53L0X. Con la biblioteca Adafruit, hay dos maneras de establecer la nueva dirección. Durante la inicialización, en lugar de llamar a lox.begin(), se llama a lox.begin(0x30) para establecer la dirección en 0x30. O se puede, más adelante, llamar a lox.setAddress(0x30) en cualquier momento. Es importante realizar esta operación con una sola placa VL53L0X conectada al bus I2C, o todas quedarán cambiadas.

Programas de prueba

«Continuous», de Pololu
(Este ejemplo muestra cómo usar el «modo continuo» para tomar mediciones de distancia con el VL53L0X. La información se muestra en la pantalla emergente del Monitor Serie, que debe estar fijado en 9600 baudios.)

Y el que sigue es un ejemplo con la biblioteca de Adafruit, con los comentarios traducidos. Siempre con la misma conexión del diagrama de arriba.

En el programa que sigue, para reducir el ruido de la medición se muestra el promedio de varias medidas. Las líneas comentadas muestran los distintos modos de funcionamiento.



Comparación entre placas Arduino

Comparación entre modelos de Arduino

Especificaciones de placas Arduino retiradas del mercado


Sensores reflectivos QTR para siguelíneas

¿Quién dice que la electrónica no es linda? Este lo que se ve en la imagen de abajo es un sensor por reflexión a utilizar en un robot sigue-líneas avanzado, para que pueda seguir líneas a alta velocidad…

Sensor QTR-8RCSensor QTR-8RC

Por ahora el robot didáctico utilizará con unos sensores más básicos que se llaman CNY70, porque el primer paso en el aprendizaje es hacer que los chicos entiendan bien el concepto. ¡Pero después vamos a hacer el robot que VUELE sobre las pistas!

Ejemplo: VIDEO

Sensor CNY70Sensor CNY70

Estos son sensores individuales para robots siguelíneas de la misma familia, cada uno equivalente al CNY70. El tamaño del sensor en sí es mucho más pequeño; en este caso, están montados sobre un módulo que ya contiene la electrónica necesaria para adaptar y conectar el sensor al microcontrolador.

Sensores QTR-1RCSensores QTR-1RC

Sensor QTR-1RC

Escala del sensor comparada con un fósforo

Los pequeños rectangulitos negros son un conjunto de emisor de infrarrojo y receptor, que emiten un haz contra el suelo y detectan el brillo (o capacidad reflectiva) que tiene éste. Utilizando esta medición y los algoritmos correspondientes en el programa de manejo, el robot puede desplazarse con precisión sobre una línea trazada en el suelo. Los sensores vienen en pares porque va uno de cada lado de la línea guía a seguir.

Sensores QTR-8RC

El sensor para siguelíneas de alta velocidad, en lugar de tener dos sensores (uno a cada lado de la línea) lleva una hilera de 8 (cuatro a cada lado). Esto permite que el robot siga la línea a gran velocidad y con un andar de regulación sobre la línea menos abrupto que cuando trabaja con dos únicos sensores.

Sensor QTR-8RCQTR-8RC

Sensor QTR-8RC / escala con un fósforoQTR-8RC comparado con fósforo

El resistor es para cambiar si se quiere una salida analógica o una salida de pulso (midiendo la longitud del pulso se sabe cuánto está reflejando el sensor, en el caso de que la salida sea analógica, hay que utilizar un convertidor A/D = analógico a digital).


La medición de longitud de pulsos es una opción recomendable, ya que se puede hacer por software o utilizando módulos internos del microcontrolador que son específicos para medir longitud de pulsos. Por esta razón los LEDs no están alimentados todo el tiempo; existe una línea que permite que el funcionamiento del sensor sea pulsado en lugar de poseer una alimentación constante. En la configuración con salida analógica, los LEDs podrían estar alimentados siempre (aunque esto produce un consumo mayor de energía de las baterías). Cuando el circuito está basado en pulsos RC, el funcionamiento debe ser sí o sí pulsado, para que la carga y descarga del capacitor a través del resistor produzca el pulso proporcional a la calidad del reflejo en el objeto inferior, la banda colocada sobre el piso que debe seguir el siguelíneas. No se obtendrían pulsos con una alimentación constante.

DetallesQTR-(RC
QTR-(RC

El conjunto de 8 sensores tiene una marca a lo largo de la cual es posible cortar sin dañar el circuito, lo que lo convierte en un conjunto de 6 sensores por un lado, y uno de dos por el otro.

Sensor QTR-8RCQTR-8RC

CircuitoCircuito

El sensor se instala en el frente del robot, como se observa en las fotografías que siguen con diversos modelos de robots. Obsérvese la escala, teniendo en cuenta que el sensor de reflexión QTR tiene sólo 7 cm de longitud y 12,5 mm de ancho.

Robots con sensores QTR-8RCRobot 1
Robot 2
Robot 3
Robot 4

Para más detalles se pueden leer los datos de los fabricantes.