DESARROLLO DE UN SISTEMA PARA PREVENCIÓN DE COLISIONES CONTROLADO
CON GNU/LINUX

D. Brengi, S. Tropea, S. Gwirc, D. Farías

INTI-CITEI Instituto Nacional de Tecnología Industrial. Centro de Investigación y Desarrollo en
Telecomunicaciones, electrónica e Informática. Unidad Técnica de Instrumentación y Control Electrónico.

RESUMEN

Teniendo como objetivo desarrollar un sistema de
prevención de colisiones para vehículos de carga y
descarga en construcciones y obras, se plantea como
primer paso la realización de un sistema de sensores
ultrasónicos portátil y programable para la realización de
pruebas en campo.


1. APLICACIÓN

Se desea obtener un sistema de prevención de colisiones
para vehículos de la industria de la construcción (grúas,
camiones, topadoras, tractores, montacargas, etc.). Es muy
común durante el trabajo en obra que estos vehículos
colisionen con el entorno debido a la gran cantidad de
maniobras que deben realizar dentro de un ambiente en
constante cambio y a la escasa visibilidad ocasionada por
el propio vehículo. El costo de reparación de estos
vehículos y las demoras ocasionadas justifican la
instalación de un sistema para la prevención de colisiones.

2. SISTEMA DESARROLLADO

El sistema realizado utiliza una computadora portátil
conectada a través de una interfaz a tres módulos
ultrasónicos para la detección de obstáculos. El diagrama
en bloques del sistema se presenta en la figura 1.

2.1. Transductores ultrasónicos

Una de las características mas importantes a favor de los
sensores ultrasónicos es su bajo costo en comparación con
sistemas más sofisticados con láser o cámaras de visión.
Esta aplicación requiere que los sensores cubran una gran
parte de la periferia del vehículo y que la detección sea
segura a distancias superiores a los 5 metros. Por su gran
sensibilidad y largo alcance se seleccionaron transductores
ultrasónicos electrostáticos Polaroid 6500, 7000 y 9000
para realizar las pruebas y el desarrollo de la aplicación
(fig. 2).


2.2. Circuitos transmisores y acondicionadores de
señal

Junto con los transductores ultrasónicos, la empresa
Polaroid [1] ofrece un módulo de bajo costo para realizar
el control de disparo y la recepción de señal (fig. 3) que
utiliza el mismo transductor para realizar la transmisión y
la posterior recepción de la señal ultrasónica. El módulo
se encarga de: generar los pulsos de disparo para excitar al
transductor, controlar la ganancia en función del tiempo
para compensar la atenuación del eco , amplificar, filtrar y
detectar el eco recibido y adaptar los niveles de las señales
[2,3].

Figura 1. Diagrama en bloques del sistema.

2.3. Interface con PC

Para el manejo de los módulos de ultrasonido desde la
computadora se diseñó una interfaz de aislación eléctrica
con optoacopladores (fig. 4). Esta interfaz se conecta al
puerto paralelo de la PC protegiéndola de los picos
transitorios de alta tensión que pudieran aparecer durante

la secuencia de disparo. El circuito realizado permite
conectar hasta tres módulos ultrasónicos, haciendo posible
la utilización de cada uno de ellos en forma totalmente
independiente. De esta forma se podrán probar algoritmos
de disparos simultáneos, solapados y combinados [4].
Este tipo de arquitectura permite fácilmente expandir a
ocho la cantidad de sensores. Para aplicaciones donde se
necesite mayor cantidad de sensores existen dos posibles
alternativas. Agregar en la interface circuitos lógicos para
ampliar las líneas de entrada/salida del puerto paralelo o
añadir tantos puertos paralelos a la PC como sea
necesario.

Figura 2. Transductores ultrasónicos.

Figura 3. Polaroid ranging module 6500.

2.4. Control principal

Para el el sistema de control principal se seleccionó una
PC portátil con sistema operativo Debian GNU/Linux [5],
por poseer las siguientes características:

-Contar con cómodas herramientas para el desarrollo
actual y futuro del software.
-Facilidad para corregir y probar el programa bajo
desarrollo.
-Poseer licencias que no involucran gastos innecesarios y
brindan la posibilidad de compartir el software en forma
libre tanto para su utilización como para su estudio.
-Facilidad para el muestreo y la visualización de los datos
adquiridos durante las pruebas de funcionamiento.
-Permitir la fácil adaptación del software para variaciones
en el hardware de la propia computadora, la interfaz o el
sistema de ultrasonidos.
-Poseer la capacidad de realizar otras tareas de control,
automatización y cálculo simultáneas a la toma de datos
provenientes de los sensores ultrasónicos.
En el futuro y de ser necesario para la aplicación podrá
utilizarse la extensión Linux para aplicaciones de tiempo
real RTLinux [6].
Una vez terminada la etapa de desarrollo, se reemplazará
la computadora portátil por una PC de tamaño reducido y
bajo costo del tipo PC/104 o similar [7].

Figura 4. Interface con PC.

2.5. Software de control

El software de control se encarga de seleccionar el
transductor deseado, iniciar los disparos ultrasónicos,
medir el tiempo de tránsito del eco y calcular la distancia
al objeto. El programa fue realizado en código C y se
utilizaron como herramientas principales el "GNU C
compiler", el "GNU make" y el editor para programadores
"Setedit" [8]. Además de las funciones que brinda el
sistema operativo, se utilizaron dos librerías adicionales:
"parapin" [9] para facilitar el control del puerto paralelo y
"slang" [10] para la visualización gráfica en pantalla de
las distancias medidas (fig. 5). Ambas disponibles bajo
licencia GPL [11].

3. ALGORITMO DE MEDICIÓN DE DISTANCIA

Para la medición de la distancia se utiliza la clásica
medición de tiempo de vuelo del eco recibido. Se calcula
la distancia al obstáculo con la siguiente fórmula:
d=t*1e-6*V/2
donde:
La variable entera t es un contador que el sistema
incrementa cada microsegundo.
La constante V es la velocidad del sonido en aire
expresada en metros por segundo y tiene un valor de 343
[12,13].
La variable d obtenida es la distancia en metros.

Durante el ciclo de medición de tiempo debe tenerse en
cuenta la posibilidad de no recibir ningún eco. Para ello
debe considerarse un tiempo máximo de espera o una
distancia límite de detección.

Figura 5. Vista del software de control.

4. RESULTADOS, CONCLUSIONES Y TAREAS
FUTURAS

Se desarrolló un sistema portátil de detección de
obstáculos a distancia con sensores ultrasónicos (fig. 6),
que permitirá la realización de pruebas sobre vehículos en
movimiento [14]. Este sistema posee como ventaja
principal la capacidad de visualizar los datos en tiempo
real, de capturar los datos medidos para posterior análisis
y la de modificar o corregir cualquier característica del
software durante el transcurso mismo de las pruebas.
Hasta el momento se realizaron pruebas de
funcionamiento dentro del laboratorio para verificar la
correcta medición de cada uno de los sensores utilizados,
un alcance superior a 5 metros y autonomía mayor a una
hora.
En el futuro se instalará el equipo sobre un vehículo para
observar el comportamiento del sistema, evaluar su
desempeño y mejorar el algoritmo utilizado. Se estudiará
el montaje de los transductores y las disposiciones
geométricas óptimas. Además se abordarán los problemas
que aparecen cuando exista más de un vehículo con este
sistema [4] y las alarmas o limitaciones de velocidad que
debe proveer el controlador para evitar la posible colisión.


Figura 6. Sistema portátil desarrollado.

5. REFERENCIAS

[1]Polaroid Corp., Ultrasonic Components group, 119 Windsor
street, Cambridge, MA. http://www.polaroid-oem.com
[2] F. Ferdeghini, D. Brengi, D. Lupi, “Sistema de detección
combinado para sensores ultrasónicos”, XVI Congreso
Argentino de Control Automático, AADECA, Vol. 2, pp. 514-
519, Agosto 1998.
[3] R. Kuc, "Pseudoamplitude Scan Sonar Maps", IEEE
Transactions on Robotics and Automation, Vol. 17, No 5, pp.
767-770, Octubre 2001.
[4] J. Borenstein and Y. Koren, "Error Eliminating Rapid
Ultrasonic Firing for Mobile Robot Obstacle Avoidance", IEEE
Transactions on Robotics and Automation, Vol. 11, No 1, pp.
132-138, Febrero 1995.
[5] Debian GNU/Linux . http://www.debian.org
[6] E. F. Hilton and V. Yodaiken, "Real-Time Applications with
RTLinux", Embedded Linux Journal, pp. 18-25, Enero-Febrero
2001.
[7] R. Lehrbaum, "All about Linux-friendly Single-Board
Computers", Embedded Linux Journal, pp. 14-19, Marzo-Abril
2001.
[8] Editor para programadores Setedit.
http://setedit.sourceforge.net/
[9] Parallel Port Pin Programming Library for Linux.
http://www.circlemud.org/~jelson/software/parapin/
[10] Multi-platform programmer's library.
http://www.s-lang.org/
[11] Licencia GPL . http://www.gnu.org/copyleft/gpl.html
[12] L. E. Kinsler, "Fundamentos de acústica", editorial Limusa,
1999.
[13] A. Carullo and M. Parvis, "An Ultrasonic Sensor for
Distance Measurement in Automotive Applications", IEEE
Sensors Journal, Vol 1, No 2, pp. 143-147, Agosto 2001.
[14]D. Brengi, S. Gwirc, D. Lupi, “Módulo ultrasónico
multisensor para aplicación en robots móviles”, Jornadas INTI
de Desarrollo e Innovación, Octubre 2000.