Sensores de distancia electrónicos, aplicaciones

Resumen

This paper consist in the study of proximity sensors
and applications in robotics systems. It tries to explain the
operation of the sensors in general and its different variations
that have been created over time.

Index Terms—Optica, ultrosonido,
proximi- dad,señal,radiacion,electronica

I.
INTRODUCCION

Los sensores de distancia son dispositivos
que consis- ten en "transformar una variable física que
puede ser de cualquier tipo ya sea temperatura
presion gas velocidad presion con otra variable mas facil para
trabajar"[1], esta vez analizaremos los sensores que convierten
una variable relacionada con la distancia hacia un objeto con una
senal de tipo electronica y nos centraremos en el funcionamiento
de los sensores ópticos y ultrasonicos los cuales podemos
observar en la figura 1 los cuales son muy utilizables en muchas
aplicaciones practicas dentro de la rama de robotica al momento
de realizar cualquier proyecto.

Figura 1. Funcionamiento de un sensor de
proximidad[3]

II. SENSORES DE
PROXIMIDAD ELECTRÓNICO

"Un sensor convierte una señal
física de un tipo en una señal
física de otra naturaleza. Por ejemplo una
termocupla produce un voltaje que está
relacionado con la temperatura, así mismo en una
resistencia metálica se aprovecha el fenómeno de
variación de la resistencia con la temperatura para
producir una señal de voltaje que sea proporcional a la
temperatura"

"Estos sensores son lo que detectan si un
objeto se haya o no en una determinada
posición"[4] y esta señal de posición la
relaciona con una señal de voltaje en un rango determinado
estos censores constan de muchas ventajas entre las cuales
podemos tener:

Detección precisa y de una forma
automática de la posición del objeto.

No necesita un contacto físico entre el sensor y
la pieza ya que mandan diferentes señales
electrónicas para pode producir la
detección.

No se desgastan ya que no tienen partes
móviles

En la figura 2 podemos observar el comportamiento de un
sensor de proximidad electrónico como se dijo
anteriormente el sensor emite un tipo de señal la cual al
ser interrumpida por un objeto emite una señal
electrónica que capta el receptor.

Figura 2. Sensor de proximidad electrónico
óptico

En el ámbito de la electrónica se han
elaborado diversos tipos de estos sensores de los cuales los mas
utilizados a la hora de realizar un proyecto son:

Los de señal infrarroja.

Los de señal de ultrasonica.

II-A. Sensor de señal
infrarroja.

Estos sensores son aquellos que responden con una
señal electrónica que puede ser un fototransistor
ante un impulso de origen luminoso [5]en este caso infrarroja que
puede ser utilizada mediante un diodo emisor de infrarrojos[6]
para entender su funcionamiento partiremos de algunos conceptos
básicos sobre este impulso optico o luz.

En la figura 3 podemos observar un diagrama de un sensor
infrarrojo.

Figura 3. Sensor infrarrojo

II-A1. Luz y radiación óptica.:
Partiendo del concepto de que "la luz es una manifestación
de la energía y está asociada a la radiación
electromagnética que se encuentra en todo el universo y se
describe como una onda electromagnético o como fotones"[7]
en si todo lo que podemos observar es gracias a la luz la cual se
compone de varias regiones llamadas regiones del espectros
electromagnéticos que depende de la frecuencia y la
longitud de onda la cual es la distancia entre dos máximos
o mínimos de una onda[8]. entre ellos tenemos
Rayos gamma Rayos-X Ultravioleta Visible Infrarrojo
Microondas Ondas de radio

Nos concentraremos en los rayos infrarrojos como tal el
cual tiene una frecuencia aproximada de 10 * 1012 (Hz) y
una longitud de onda de 10 *
10–4 (m) [8] y puede ser
emitido mediante un diodo emisor de infrarrojos que emite luz al
aplicar una diferencia de potencial como se observa en la figura
4

Figura 4. Diodo emisor de
infrarrojos[5]

II-A2. Tipos de sensor: En la actualidad
existen varios tipos de sensor los cuales se diferencian por la
forma de recibir la señal por ejemplo si utilizamos un
sensor que utilice un foto transistor el foto transistor mientas
mas luz capte polarizara la base y dejara conducir mas corriente
la cual es proporcional con la distancia al objeto, pero si ahora
utilizamos un sensor que sea lineal la luz del emisor pasara por
una sola lente concentrándose cada vez mas para que sea un
solo rayo y al rebotar con un obstáculo regresa la
señal y es captada por otro lente pero la señal que
regresa regresa con otro angulo de inclinación diferente
al emitido y este angulo es proporcional a la distancia al
objeto, como podemos observar si se tenemos un solo rayo emisor y
receptor este hará que la medición sea mas precisa
que si utilizamos un fototransistor el cual puede provocar malas
mediciones ya que capta varias señales. [5]

Un ejemplo de un sensor con fototransistor es el CNY 70
cuya estructura interna la podemos observar en la figura
5

Figura 5. Sensor CNY70 estructura
interna

Un ejemplo de sensor de tipo lineal es un
sharp GP2DXX cuya estructura interna la podemos
observar en la figura 6

Figura 6. Sensor Sharp
GP2Y0D810Z0F

II-B. Sensor de señal de
ultrasonido

Estos son sensores que provocan vibraciones en el aire
pero en frecuencias demasiadas altas desde lo 20kHz hasta los
500MHz las cuales no son captadas por el oído humano. [5]
para entender el funcionamiento aclararemos algunos con- ceptos
sobre el sonido

El la figura 7 podemos observar un diagrama
de un sensor ultrasonico

Figura 7. Sensor de señal
ultrasonica

II-B1. Sonido y Ultrasonido: El sonido es una
alteración mecánica que provoca un movimiento
ondulatorio que trasmite las vibraciones de las partículas
contiguas del aire u otro medio que dan lugar a una onda de
presión que se propaga en el mismo medio.[9]

"Se denomina ultrasonidos a las vibraciones
de frecuencia superior a las audibles por el ser
humano (>20 KHz) que se producen en un medio elástico."
[10]

Nos concentraremos en sensores con esta
característica que emitan un ultrasonido para poder
detectar a un objeto a una distancia el la figura 8 podemos ver
el diagrama de bloques del sensor

Figura 8. Sensor ultrasonico

II-B2. Tipos de sensor: En general el sensor
envía una señal acústica y mide el tiempo
que tarda en recibir el eco de la señal al ser rebotada
contra un objeto y obtiene una proporción con la distancia
a la que esta el objeto y la trasmite como una señal de
voltaje.[12]

En la figura 9 podemos observar el funcionamiento
básico de un sensor ultrasonico.

Figura 9. Sensor ultrasonico
funcionamiento[11]

Un ejemplo de sensor ultrasonico es el HC SR04 el cual
podemos observar el la figura 10

Figura 10. Sensor ultrasonico HC SRr04[13]

Todos estas señales que producen los sensores al ser de
tipo analógica las podemos recibir mediante un
micro-controlador para poder ejecutar las diferentes
funciones.

En la figura se muestra la programación para configurar
un sensor sharp en un mico controlador arduino mediante la
plataforma virtual arduino.

Figura 11. Programa para el funcionamiento
de un sensor Sharp [14]

III.
ESPECIFICACIONES

En el ámbito de la robotica tenemos
muchas aplicaciones de los sensores de distancia cada uno
funciona de una manera diferente y para conocer su funcionamiento
debemos recurrir a la la hoja de especificaciones
comúnmente llamado datasheet. Como un primer ejemplo
podremos tomar al sensor Sharp
GP2Y0A02YK0F.

Figura 12. Sensor Sharp
GP2Y0A02YK0F[15]

Cuyos rangos absolutos máximos de
operación los podemos observar en el cuadro 1

Cuadro I

RANGOS ABSOLUTOS MAXIMOS DE
OPERACION SHARP GP2Y0A02YK0F.
[15]

Como segundo ejemplo podemos utilizar un
Ultrasonic Distance Sensor (#28015)

Figura 13. sensor ultrasonico
(#28015)[16]

Cuyos rangos absolutos de operación
los podemos observar en el cuadro 2

La imagen de dicho sistema la podemos
observar en la figura 14

Cuadro II

RANGOS ABSOLUTOS MAXIMOS
DE ULTRASONIC DISTANCE SENSOR

(#28015)[16]

IV.
APLICACIONES

Ya conociendo el funcionamiento de los tipos de sensores
que pudiéramos utilizar los mismo son aplicables en muchos
proyectos en los cuales se requiere ser preciso con la distancia
hacia un objeto sin que necesidad de contacto
físico.

Como aplicaciones tenemos un diseño
de un bastón blanco para medir distancias en
donde el sensor de distancias es la base principal ya que es el
sensor que emite las señales que serán procesadas
para poder calcular la distancia del bastón al
objeto.

La imagen la podemos observar en la figura
13

Figura 14. Diseño de un bastón
inteligente[17]

Y muchos aparatos electrónicos que
comúnmente usamos en la vida diaria usan este tipo de
sensores como ejemplo tenemos que los celulares en especial los
smartphone (celula- res inteligentes) aplican estos sensores para
detectar al usuario y ejecutar funciones por ejemplo el iphone 6
en una de sus funciones utiliza el sensor de proximidad para
bloquear la pantalla cuando el usuario contesta una
llamada.[18]

Otra aplicación esta en el
ámbito automovilístico y es el uso de
estos sensores para medir la proximidad de un vehículo
hacia otro al momento de estacionarse o para alertar a peatones
donde los sensores de proximidad nuevamente son los que emiten
las señales de distancia.

"Si bien el silencio puede ser una virtud
en la mayoría de las circunstancias, no lo es
cuando un auto eléctrico transita en medio de un barrio
residencial muy tranquilo. Por esta razón, y pensando en
los discapacitados visuales, Toyota Motor Corporation (TMC)
desarrolló un sistema de alerta que simula el ruido de un
motor para que los peatones adviertan la proximidad del
vehículo. Esta nueva aplicación vendrá
incorporada en el modelo Prius V edición 2012, y se
activará a velocidades bajo los 24 km/h, puesto que el
dispositivo fue creado para su uso en lugares como
estacionamientos y zonas de baja velocidad. El sonido utilizado
es una mezcla de frecuencias bajas y altas, permitiendo la
superación del ruido de fondo o de obstáculos
físicos. Además, el sonido sube de tono cuando el
vehículo acelera y baja cuando se ralentiza, dando la idea
de lo rápido que se aproxima"[19] es este caso se utiliza
sensores de proximidad de ultrasonido

Figura 15. Sensor de proximidad en
Automoviles[16]

Y como ultimo una aplicación de estos sensores en
el ámbito de la robotica y aplicado en concursos y usado
la mayoría por estudiantes es en la construcción de
un robot de batalla sumo.estos sensores juegan un papel muy
importante en esta competencia ya que la regla básica es
empujar al otro robot hasta despojarlo del dojo de batalla y para
la detección del oponente comúnmente se utilizan
los sensores de proximidad con la intención de ubicarlo
rápidamente y atacar.

En la figura 15 podemos observar la aplicación de
estos sensores en en robot de batalla mini zumo.[20]

Figura 16. Sensores de proximidad en un
mini zumo[20]

V.
CONCLUSIONES

Los sensores de proximidad son de gran utilidad en el
campo de la electrónica la mayoría de proyectos y
micro proyectos llevan sensores tanto ópticos como
ultrasonicos por su precisión para localizar un objeto en
la practica podríamos llamarles los ojos de nuestros
proyectos ya que el sensor nos brinda la señal cuando un
objeto se encuentra dentro de su zona de visualización lo
cual es aplicable para realizar diversas funciones por ejemplo
poner en marcha motores al detectar un objeto como lo hacen la
mayoría de robots sumos de batalla
electrónicos.

En la realidad podemos encontrar estos sensores en mucho
aparatos electrónicos que utilizamos todos los días
por ejemplo un celular como ya se explico o en una puerta
automática una computadora con sistema de detección
de usuarios, etc. Los cuales desempeñan funciones tan
valiosas como por ejemplo en las puertas automáticas las
cuales están fabricadas de sensores de proximidad que al
emitir sus diferentes señales y detectar que un objeo esta
presente ejecutan las procesos como abrir las puertas
automáticas.

REFERENCIAS

[1] Andrickson Mora, José A. y
Chacón Rugeles, Rafael. Instrumentación
Electrónica. Universidad Nacional Experimental del
Táchira, 2005.

[2] F. Ebel • S. Nestel Festo ©
Copyright by Festo Didactic KG. D-7300 Esslingen
1, 1993. Sensores para la técnica de procesos y
manipulación- Sensores de proximidad, 12(1)
14-15

[3] © Copy Right Roboindia/senso de
distancia(jpg)

[4] F. Ebel • S. Nestel Festo ©
Copyright by Festo Didactic KG. D-7300 Esslingen
1, 1993. Sensores para la técnica de procesos y
manipulación- Sensores de proximidad, 12(1) 17

[5] D. José Manuel Vilas Iglesias/ Universidad
de Vigo – Escuela técnica su- perior de Ingenieros
industriales. Sistema Multimedia para la enseñanza de los
sensores de proximidad

[6] Estela Dias Lopes/Ingenieria Electronica SENSORES
ELEMENTOS INDISPENSABLES PARA EL FUNCIONAMIENTO DE UN
ROBOT

[7] Bernardo Fontal/VII Escuela Venezolana Para la
Enseñanza de la Química-Editor: Escuela Venezolana
para la Enseñanza de la Química Coordinador de
Edición: Bernardo Fontal Mérida. Diciembre 2005 -El
Espectro Electromagnético y sus Aplicaciones
4(12-22)

[8] Bernardo Fontal/VII Escuela Venezolana Para la
Enseñanza de la Química-Editor: Escuela Venezolana
para la Enseñanza de la Química Coordinador de
Edición: Bernardo Fontal Mérida. Diciembre 2005 -El
Espectro Electromagnético y sus Aplicaciones

[9] Universidad de la Republica Oriental del Uruguay
´ Facultad de Artes Escuela Universitaria de Musica eMe –
estudio de Musica electroac ´ acustica ´
Mart´in Rocamora Abril de 2006/ APUNTES DE ACUSTICA
MUSICAL

[10] Escuela tecnica de Ingenieros de
telecomunicaciones de Vigo/Departamento de tecnologia
Electronica/ Sensores y Acondicionadoes/Enrique Mandano Perez –
Antonio Muillo Roldan Tema10 Sensores ultrasonicos
2(2-5)

[11] MaxBotix Inc./copyright 2005-2012 Max
botix Incorporated Patent 7,679,996/ Datashhet
XL-Max Sonar -EZtm Seiers /Datashhet

[12] Escuela tecnica de Ingenieros de
telecomunicaciones de Vigo/Departamento de tecnologia
Electronica/ Sensores y Acondicionadoes/Enrique Mandano Perez –
Antonio Muillo Roldan Tema10 Sensores ultrasonicos

[13] Pololu Robotics & Electronics/produc
1605/parallax Ping ultrasonc sensor #28015 en
www.pololu.com/product/1605

[14] Sharp&IR&Range&Finder
(GP2D12,GP2D120)/arduino oficial page en
arduinoMprojects/arduinoMusingMaMsharpMirMsensorMforMdistanceMcalculation/

[15] Sheet No.: E4-A00101EN/ Datasheet
analog sensor sharp GP2Y0A02YK0F

[16] Copyright © Parallax Inc. PING))) Ultrasonic
Distance Sensor (#28015) Datasheet

[17] Universidad Politecnica Salesiana Sede Cuenca/Tnlg
Edy Leonardo Ayala Cruz /Cuenca Junio 2011/"DISEÑO Y
CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO DE UN SISTEMA
ELECTRÓNICO POR ULTRASO- NIDO PARA MEDIR DISTANCIAS
APLICADA A UN BASTÓN BLANCO"

[18] Apple/iphone/iphone6/Tech Specs en
apple.com/iphone-6/

[19] Toyota prius proximidad sonar/ pagina
oficial Toyota pg 1(2-10) /pagina oficial toyota
en
http://www.toyota.cl/sala-prensa/detalle/toyota-desarrolla-alarma-sonora-de-proximidad

[20] Copyright ©203-200 4 RidgeSoft,
LC/ Building a mini Sumo Robot

Autor:

Santiago Felipe Luna
Romero

Carrera de ingenieria Electronica
Universida Politecnica Saleciana Sede Cuenca