MUM - Módulo Ultrasónico Multisensor para aplicación en robots móviles.
D. J. Brengi; S. N. Gwirc; D. O. Lupi
Centro de Investigación y Desarrollo en Telecomunicaciones,
Electrónica e Informática (CITEI)
Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI)
C.C. 157, (1650) San Martín, Buenos Aires, Argentina
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Introducción:
Uno de los componentes principales en los vehículos autoguiados es el sistema de
detección de obstáculos. Es necesario que éste sistema posea la capacidad de explorar en
todas las direcciones del vehículo debido a que la información obtenida se utiliza para la
construcción de mapas de navegación y para evitar colisiones con los obstáculos del
entorno. Es ya clásica la utilización de transductores de ultrasonido para este tipo de
sistemas, dado su bajo costo y robustez. Sin embargo el tiempo empleado por las
exploraciones ultrasónicas impone limitaciones en la velocidad máxima que puede
desarrollar el móvil detectando con certeza la presencia de obstáculos en su camino.
En este trabajo se presenta el desarrollo e implementación de un módulo ultrasónico
multisensor (MUM) compuesto de ocho sensores ultrasónicos para la detección de
obstáculos ubicados a distancias entre 1 cm y 1,5 m que permite disminuir el tiempo de una
exploración en función de las distintas estrategias de barrido utilizadas. Esto se logra
mediante la combinación de un doble detector de recepción de ecos y la incorporación de
un sumador de señales selectivo ubicado a continuación del conjunto de receptores
ultrasónicos.
El sistema fue realizado, de modo discreto, como parte de un vehículo autoguiado para
la asistencia al desarrollo de niños discapacitados dentro del proyecto SUMAR (Sensores
de Ultrasonido para la Movilidad Asistida con Robots). Las características del circuito
obtenido, pensado como un periférico para un microcontrolador, permiten iniciar una
próxima integración en un solo chip de las etapas de detección y transmisión de la señal.
Componentes del sistema:
Unidad de control: Microcontrolador y adaptador de comunicaciones. El microcontrolador
se encarga de disparar los transmisores, seleccionar los receptores activos en la exploración,
medir el tiempo de demora del eco ultrasónico, calcular la distancia al obstáculo y
comunicarse con un control centralizado de más alto nivel, a través de un bus de
comunicación compartido con otros módulos (motores, interfaz de usuario, etc.).
Unidad de transmisión: Conjunto de transmisores ultrasónicos y amplificadores de
disparo. Cada transmisor posee su correspondiente circuito de disparo permitiendo de esta
forma el disparo de uno o varios transmisores en forma simultánea, con diferente número
de pulsos en cada uno. Modificando la cantidad de pulsos de disparo puede variarse la
potencia transmitida al medio.
Unidad de recepción: Conjunto de receptores ultrasónicos, sumador selectivo controlado
con llaves analógicas, amplificadores, filtros de señal y detectores de eco. Para utilizar una
sola etapa detectora y evitar las limitaciones presentadas por un multiplexado convencional
se diseñó un circuito sumador selectivo previo a la etapa detectora de eco. Los sensores que
intervienen en la exploración se seleccionan con llaves analógicas que permiten el ingreso

de señal al sumador. La salida del sumador contiene la suma de todos los ecos recibidos por
los sensores seleccionados. La señal suma ingresa luego al detector combinado de eco. Este
detector se encarga de analizar la señal recibida para determinar la presencia de un eco
ultrasónico provocado por un obstáculo en el ambiente. El sistema combinado utilizado
posee las ventajas de dos diferentes circuitos detectores. Para grandes distancias es
conveniente utilizar un detector por frecuencia (40 KHz), debido a que con este método no
es necesario realizar un control de ganancia. En distancias menores dentro de la zona
muerta del discriminador de tonos, se utiliza un detector por umbral optimizado para
trabajar en el área más próxima al receptor. Finalmente la señal digital entregada por el
detector combinado ingresa al microcontrolador que realiza el cálculo de la distancia.
Estrategias de funcionamiento:
Para realizar una exploración se debe transmitir al medio (aire) una onda ultrasónica de
corta duración. Luego el receptor espera la llegada de algún eco y se calcula la distancia
según el tiempo transcurrido.
Una de las características relevantes del sistema MUM es que permite varios modos o
estrategias de funcionamiento según la cantidad de transmisores y receptores activos
empleados en cada exploración:
-Exploraciones simples:
En una exploración simple sólo un transmisor emite señal y sólo un receptor espera por el
eco. Para captar todo el entorno con este método es necesario realizar tantas exploraciones
como sensores tenga el sistema.
-Exploraciones compuestas:
Este tipo de exploraciones que involucran uno o más transmisores y uno o más receptores,
son posibles gracias al sumador selectivo. En una exploración de este tipo se puede disparar
más de un transmisor y detectar el eco de más de un receptor. Este modo de funcionamiento
se aprovecha para dividir las exploraciones por sectores o zonas del móvil. Con una sola
exploración que involucre a todos los sensores se puede conocer la ausencia total de
obstáculos en todas las direcciones del móvil. Agrupando los sensores por zonas (adelante,
atrás, izquierda y derecha) se conoce con sólo cuatro exploraciones la dirección en la que
se encuentra el obstáculo. Esta información, aunque imprecisa, permite al software de
navegación realizar correcciones de emergencia en la trayectoria para evitar una posible
colisión. Luego pueden efectuarse exploraciones simples para determinar con mayor
precisión la ubicación del objeto detectado.
El MUM permite además definir parámetros de funcionamiento independientes para cada
una de las exploraciones: número de pulsos de disparo y distintos tiempos de espera del eco
ultrasónico (distancia máxima de detección).
Resultados:
La posibilidad de implementar con este sistema distintas estrategias de exploración permite
bajar los tiempos de respuesta del vehículo. Por otra parte, la gran cantidad de
configuraciones y los distintos modos de funcionamiento que presenta el MUM facilita su
adaptación a distintos sistemas y aplicaciones con diferentes disposiciones geométricas.
Se trabaja actualmente en la implementación de un ASIC (Application Specific Integrated
Circuits) que agrupe la unidad de recepción, la unidad de transmisión y algunas de las
funciones básicas de la unidad de control que consumen tiempo de CPU (cálculo de la
distancia y generación de pulsos de disparo).
Este proyecto fue apoyado por la Secretaria de Ciencia y Tecnología de la Universidad
Nacional de la Matanza y el Programa CYTED a través del Proyecto VII.9 Palma.

RX1
SUMADOR
DETECTOR DE ECO
(Frecuencia)
DETECTOR DE ECO
(Umbral)RX8
TX1 AMPLIFICADOR DEPULSO DE DISPARO
TX8 AMPLIFICADOR DEPULSO DE DISPARO
Selección de receptores
M
IC
R
O
CO
N
TR
O
LA
D
O
R
R
EC
EP
TO
RE
S
TR
A
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SM
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O
R
ES
TIMER
UART
DRIVER
B
U
S
D
E
CO
M
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A
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O
N