Detector de proximidade de obstáculos

Transcrição

1 Deecor de proximidade de obsáculos Pedro Encarnação 1, João Pedro Perala 2, Fernando Vendas 1, Luís Azevedo 3, Agosinho Rosa 1 1 Insiuo de Sisemas e Robóica / Insiuo Superior Técnico 2 Deloie Touche Tohmasu Inernaional 3 Cenro de Análise e Processameno de Sinais ISR/IST, Torre Nore, Sala 8.19, Av. Rovisco Pais, 1096 LISBOA CODEX. Tel.: pme@isr.is.ul.p Absrac An elecronic device able o measure he posiion and he relaive velociy of a vehicle is implemened. The goal of ha device is o inform he driver of he vehicle when he is in a collision course wih an obsacle. The device will be assembled in an elecric vehicle driven by children wih cerebral paralysis and will be an insrumen o aid hose children in he process of learning o drive. Resumo - É implemenado um sisema elecrónico capaz de medir posição e velocidade relaiva de um veículo. O objecivo desse sisema é informar o conduor do veículo quando ese se enconra em roa de colisão com um obsáculo. Ese sisema será monado num veículo elécrico conduzido por crianças com paralisia cerebral e consiuirá um insrumeno de aprendizagem da condução para eses. I. INTRODUÇÃO ivemos oporunidade de ver as crianças mais novas a guiarem, por inermédio de dois inerrupores de pressão, um pequeno jeep moorizado. Conseguiam desse modo ganhar alguma mobilidade e conaco com o mundo real, ão imporane para o seu desenvolvimeno cogniivo. No enano, a aprendizagem da condução do jeep não é fácil para as crianças devido aos reduzidos conrolos disponíveis (rodar para um dos lados e andar em frene), envolvendo basanes colisões conra as paredes e ouros objecos. Considerou-se enão a uilidade de um sisema de apoio ao ensino da condução às crianças. Esse sisema deveria avisar aempadamene a criança quando um obsáculo esá pero, de modo a que ela possa omar a aiude adequada. Não se preende que o sisema evie o obsáculo pois isso não auxiliaria a aprendizagem nem a verdadeira percepção da realidade; preende-se sim que seja um insrumeno pedagógico de apoio ao ensino. A ideia para o rabalho que aqui se descreve surgiu aquando de uma visia de esudo ao Cenro de Paralisia Cerebral Calouse Gulbenkian. O Cenro em como acividade principal a inegração de crianças que sofrem de paralisia cerebral mas que, apesar de udo, manêm inacas as suas capacidades inelecuais. A deficiência manifesa-se sobreudo ao nível moor, com implicações direcas na fala e movimenos corporais. Nessa visia Inerrupores de pressão Figura 1 - Veículo Figura 2 Veículo equipado com quaro sisemas de deecção

2 II. FORMULAÇÃO DO PROBLEMA O sisema a desenvolver erá de deecar obsáculos que esejam na roa do jeep, avisando a criança, aravés de um reproduor de voz, do perigo de colisão. O reproduor de voz é fornecido e consise essencialmene numa pequena 'caixa prea' com capacidade para gravar quaro mensagens que poderão ser 'disparadas' por inermédio de um boão de pressão ou ouro disposiivo idênico. Como primeira abordagem poderia parecer suficiene medir a disância do jeep aos possíveis obsáculos e avisar quando essa disância fosse inferior a um dado limiar. De faco isso não é suficiene. Pense-se numa viagem ao longo de um corredor aperado: embora as paredes laerais esejam basane pero do jeep, isso não consiui qualquer perigo. É, assim, necessário er uma ideia dinâmica do ambiene circundane e não apenas a 'foografia' irada pela medida de posição - há que medir a velocidade relaiva enre o jeep e os obsáculos. Uma vez que o sisema a desenvolver deve viajar a bordo do jeep, ele deve ser pequeno e económico do pono de visa energéico. Esas caracerísicas aponam para um sisema desenvolvido em hardware. Devido à simeria óbvia das quaro direcções e às limiações de mobilidade do jeep (o conrolo das crianças cinge-se a andar em frene e virar numa das direcções) opou-se por fazer um sisema independene por cada direcção. Para deecar obsáculos nas quaro direcções será necessário monar quaro sisemas iguais. Em ermos do sensor uilizado para a deecção dos obsáculos, opou-se pelo sensor ulra-sónico (SONAR) pois, sendo barao, consegue ser suficienemene versáil para uma deecção a cura-média disância. Por ouro lado, os circuios auxiliares (de emissão e recepção) ornam-se basane simples. Em jeio de conclusão, uma nova definição do problema: preende-se um sisema auónomo capaz de medir posição e velocidade do jeep em relação aos Alimenação Oscilador Divisor de frequência Emissor ulrasónico Deecção do eco Deecção de obsáculo Medição da posição e velocidade Alarme de posição e de velocidade Recepor e amplificador do sinal ulrasónico obsáculos. Quando o jeep se aproxima perigosamene de um obsáculo, o sisema deve 'disparar' uma mensagem de aviso. O sensor usado deve ser o SONAR. C1 III. O SISTEMA DESENVOLVIDO Tal como mosra a Figura 3, o sisema desenvolvido pode ser decomposo em vários módulos. Não em cabimeno nese arigo de divulgação a explicação pormenorizada dos circuios que implemenam cada módulo. Opou-se assim pela descrição da função de cada um e apresenação dos seus esquemas, e remeer para [1] uma descrição mais dealhada. A. Alimenação O sisema é alimenado pelas baerias a bordo do jeep. Esas fornecem uma ensão conínua de 12 V. No andar de alimenação preende-se filrar qualquer oscilação na ensão das baerias (induzida pela variação do esado de movimeno do jeep) e efecuar uma divisão de ensão para ober uma oura ensão de referência de 6 V. B. Oscilador Para a emissão do sinal ulra-sónico e para a sincronização dos diversos subcircuios é necessário um 'relógio' inerno ao sisema. Ese módulo é responsável pela disponibilização de uma frequência de, a frequência de emissão do SONAR. C. Divisor de frequência O princípio básico de funcionameno de um sisema de medição de disância baseado num SONAR implica que a emissão seja separada da recepção. Torna-se enão Vi = 12 V D5 X1 R8 C6 C2 R7 R1 11 φ 1 φ RS C10 Figura 4 - Alimenação 16 Vcc 4060 GND 8 A1 6 V+ Figura 3 Diagrama de blocos do sisema implemenado. Figura 5 - Oscilador

3 necessário enconrar uma frequência para esas duas diferenes arefas: Emissão-Recepção. Escolheu-se o valor de 20 KHz, ou seja, 20 medidas por segundo. Esa frequência é um compromisso enre o empo necessário para a emissão e recepção do sinal ulra-sónico, para as disâncias envolvidas (inferiores a 1.5 m) e a urgência de uma acualização da medida. Ese módulo divide a frequência do sinal de de modo a ober a frequência de 20 Khz. D. Emissão do sinal ulra-sónico Para emiir uma onda sonora de é necessário aplicar aos erminais do SONAR uma onda quadrada simérica dessa frequência. A emissão do sinal ulrasónico deve ser efecuada de 50 em 50 ms e durane um período curo. Para essa sincronização usa-se a onda de produzida pelo divisor de frequência: o SONAR deve emiir sempre que esse sinal esá acivo (iso é, emie 0.2 ms de 50 em 50 ms). E. Recepor e amplificador do sinal ulra-sónico Após a emissão do sinal ulra-sónico e no caso de esar um obsáculo ao alcance e em linha de visa com o SONAR, o SONAR recepor recebe ecos do sinal emiido. No enano, a ampliude desses sinais é basane pequena. É necessário proceder à sua amplificação. F. Deecção do eco Ese módulo compara o sinal ulra-sónico recebido com uma referência. Produz um sinal que esá a 1 quando não foi deecado um obsáculo e que é uma onda quadrada no caso conrário. G. Deecção de obsáculo V sinc CLK RS 16 Vcc 4020 Q4 Q5 Q Q8 Q9 Q10 14 GND Q ms Vsinc Depois da emissão do sinal ulra-sónico preende-se esperar pelo eco. O empo durane o qual se espera pelo eco é uma medida das disâncias a que se podem deecar obsáculos: um período longo permie deecar obsáculos disanes enquano que um período curo só permie deecar os mais próximos. É enão necessário criar um sinal que defina o período de recepção, de preferência configurável. Por ouro lado, quando é permiida a recepção do sinal ulra-sónico e é deecado um obsáculo, obém-se um sinal de deecção que é uma onda quadrada. Ineressa produzir um sinal que seja acivado à primeira vinda a zero dessa onda quadrada e que assim permaneça aé que seja feia uma nova emissão do sinal ulra-sónico. C7 R11 R9 C8 R12 R10 50 ms Figura 6 Divisor de frequência e forma de onda à saída A A2 A3 RW SENS2 V + R13 R14 C9 R6 Figura 8 Recepor e amplificador do sinal ulra-sónico D5 N4 N6 N8 N7 N9 SENS 1 C5 R2 RV1 C3 D2 R3 C4 N1 RW v inib D3 D4 R4 N2 N3 V de N10 Figura 7 Emissão do sinal ulra-sónico Figura 9 Deecção de obsáculo

4 H. Medição da posição e velocidade No módulo anerior obeve-se um sinal que vai a 1 quando é deecado um obsáculo. No enano não se em qualquer informação explícia da disância. Para ober essa informação basa conar o empo de espera enre o início do período de recepção e a recepção do eco. Para a medição da velocidade há que derivar a posição. De uma forma aproximada, pode-se calcular a primeira diferença enre duas medidas consecuivas. Uma medida de posição e velocidade corresponde, assim, a duas medidas físicas: uma primeira para ober a posição e um segunda que, por diferença com a primeira, fornece a velocidade. IV. CALIBRAÇÃO DO SISTEMA Após a monagem do sisema exisem rês boões de ajuse que se apresenam agora de uma forma sucina, junamene com o seu efeio. O rigor cienífico desas explicações é preerido face à clareza e à facilidade de qualquer pessoa efecuar a calibração do sisema. v sinc I. Alarme de posição e velocidade Tano a medida de posição como a de velocidade são comparadas com referências de modo a produzir-se um sinal de alarme quando a disância a um obsáculo é inferior a um limiar, e um ouro sinal de alarme quando a velocidade relaiva ao obsáculo é superior a ouro limiar. Na Figura 11 são apresenadas as formas de onda dos sinais no esquema da Figura 10 para uma melhor compreensão do mesmo. J. Saídas do sisema O sisema oferece ao uilizador, aravés de relés, rês saídas: um alarme de posição, um alarme de velocidade e uma conjunção de ambos. Em qualquer uma delas, os relés possuem um conaco normalmene abero e a capacidade de serem percorridos por correnes de 1 A, com uma ensão máxima de 220 V. É as esas saídas que se poderá ligar o reproduor de voz para, nas siuações preendidas, ser emiida uma mensagem de aviso às crianças. UP/ DN V de CE Pos. D Q CLK Q Vel. D Q CLK Q CLK UP/DN CE Ref.Pos. P0...P7 PL Ref.Vel. v de Ref A Comparador A < Ref Ref A Comparador A > Ref Rese D4 Alarme Posição R5 C11 Alarme Velocidade Figura 10 Medição de posição e velocidade e respecivos alarmes Figura 11 Sinais de conrolo do conador e dos alarmes de posição e velocidade.

5 A. Resisência variável RV1 A resisência variável RV1, presene na Figura 9, regula o alcance das medições do SONAR, iso é, alerando o seu valor alera-se a disância a que o sisema começa a medir a posição e a velocidade relaiva aos obsáculos. B. Referência de posição É um número binário de 8 bis, configurável aravés de pequenos swiches e que regula a disância abaixo da qual deve ser dado o alarme de posição. C. Referência de velocidade do subsequene uso e manuenção), fisicamene grandes e dependenes do veículo em causa. O sisema que aqui se descreveu é consiuído apenas por duas pequenas placas de circuio impresso, é de fácil uilização e independene do veículo. REFERÊNCIAS [1] Pedro Encarnação, João Pedro Perala, Fernando Vendas, Deecor de proximidade de obsáculos, IST, Junho [2] Jacob Millman, Arvin Grabel, Microelecronics Second Ediion, McGraw-Hill, [3] PHILIPS, HE4000B logic family CMOS, [4]Arhur François de Gruier, Amplificadores Operacionais, Fundamenos e Aplicações, McGraw-Hill. É ambém um número binário de 8 bis, configurável do mesmo modo, e que regula a velocidade relaiva acima da qual deve ser dado o alarme de velocidade. V. DESENHO DAS PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSO Os circuios arás descrios foram agrupados em rês esquemas, por forma a melhor efecuar o desenho das placas de circuio impresso. Esses rês esquemas reflecem de cera forma as diferenes funções que nese rabalho esão envolvidas: Esquema 1: Gerador das ondas e deecor de obsáculos; Esquema 2: Emissor e recepor de ulra-sons; Esquema 3: Alarmes de posição e de velocidade. Com o auxílio de um programa de CAD, foram desenhadas as placas de circuio impresso. Nesse desenho foi uilizado como criério principal de opimização o espaço ocupado, conduzindo assim ao uso de placas de dupla face. VI. CONCLUSÕES Ceramene que se poderão imaginar soluções que, com o recurso a um micro compuador, resolveriam um maior leque de siuações de uma forma concepualmene mais simples. Pecariam, no enano, pelo faco de serem dispendiosas (ano do pono de visa da aquisição como NA1 NA2 Alarm IN 1/2 4538B 1N4001 1nF 100nF 10M Alarm OUT 1K LED 10K BC547 Figura 12 Saídas do sisema