Diaz Kevin,
Estudiante de la Universidad Técnica de Ambato, Gallegos S. María, Estudiante
de la Universidad Técnica de Ambato
Resumen — Este paper aborda el desarrollo de un prototipo móvil
equipado con un sistema de detección de movimiento basado en el sensor de
microondas HB100 de 10.5 GHz. El enfoque principal es investigar las
capacidades de detección de movimiento, especialmente detrás de sólidos, y su
aplicabilidad en situaciones específicas, como misiones de búsqueda y rescate.
Se explora la interfaz de usuario mediante una aplicación móvil conectada al
sensor, se implementa un botón de Reset para evitar confusiones y se evalúa la
efectividad del sistema en escenarios realistas. El prototipo se destaca por su
capacidad para detectar movimiento en condiciones de visibilidad comprometida,
ofreciendo una perspectiva innovadora sobre el uso de sensores de microondas en
entornos críticos de operación. El trabajo aborda el diseño, implementación y
pruebas del prototipo, proporcionando introspección sobre los desafíos
superados y lecciones aprendidas durante su desarrollo. Se espera que esta
investigación contribuya al avance de la tecnología automotriz especializada,
enfocándose en aplicaciones críticas que requieren rapidez y precisión.
Palabras Clave - componente; formato; estilo; títulos.
Abstract — This paper addresses the development of a
prototype car equipped with a motion detection system based on the 10 GHz HB100
microwave sensor. The main focus is to investigate motion detection
capabilities, particularly behind solid obstacles, and its applicability in
specific scenarios such as search and rescue missions. The user interface is
explored through a mobile application connected to the sensor, incorporating a
reset button to prevent confusion, and the system's effectiveness is evaluated
in realistic scenarios. The prototype stands out for its ability to detect
motion in compromised visibility conditions, providing an innovative
perspective on the use of microwave sensors in critical operating environments.
The paper covers the design, implementation, and testing of the prototype,
offering insights into challenges overcome and lessons learned during its
development. It is anticipated that this research will contribute to the
advancement of specialized automotive technology, focusing on critical
applications that demand speed and precision.
Keywords -
component; formatting; style; styling; headings.
I.
INTRODUCTION
|
E |
n el ámbito de la tecnología automotriz,
la integración de sistemas avanzados de detección de movimiento ha
experimentado un crecimiento significativo con el objetivo de mejorar la
seguridad y la eficiencia en diversas aplicaciones. Si bien los sensores para
detección de objetos a se asocia a ultrasonido, sensores de UWB o infrarrojo,
estos pueden resultar costosos de implementar, no detectar en el rango deseado
o ser dañinos para la salud [1].
el sensor de radar Doppler HB-100 ha ganado
prominencia debido a su bajo costo y alta fiabilidad en la detección de
movimiento [2] La capacidad de detectar
movimiento a través de las paredes potencialmente tienen varias aplicaciones,
como en [2] donde se ha usado para la
detección de objetos escondidos en concreto basándose en la diferencia de
frecuencia en comparación con el concreto solido puro, O en el caso de [3] donde se utilizó para la detección
de termitas dentro de la madera.
A pesar de su
versatilidad, existe una brecha significativa en la investigación sobre su
potencial para detectar aditivos en materiales específicos como el concreto, al
ocurrir accidentes es posible que personas queden atrapadas en escombros, sin
forma de detectar su presencia o en la cual es terreno puede ser inestable para
ir con mucho peso se decidió la creación de un robot móvil con el sensor que
permita su detección y envío de información.
Este paper presenta el desarrollo y
la implementación de un prototipo de automóvil equipado con un sistema de
detección de movimiento basado en el sensor de microondas HB100 de 10 GHz. El
enfoque principal de este proyecto es explorar las capacidades de detección de
movimiento, especialmente detrás de sólidos, y su aplicabilidad en situaciones
específicas, como misiones de búsqueda y rescate.
El sensor de microondas HB100,
conocido por su capacidad para penetrar ciertos materiales y detectar
movimientos sutiles, sirve como núcleo tecnológico de este prototipo. La
aplicación móvil conectada al sensor proporciona una interfaz eficiente para el
usuario, permitiendo la supervisión y la respuesta a eventos de movimiento
detectados. Además, se incorpora un mecanismo de reinicio mediante un botón de Reset
para evitar posibles confusiones y garantizar la precisión en la interpretación
de las señales.
La capacidad de este prototipo para
detectar movimiento detrás de sólidos se presenta como una característica
distintiva, con posibles aplicaciones en situaciones donde la visibilidad
directa está comprometida, como en escombros o entornos de baja visibilidad. La
investigación se centra en la efectividad y las limitaciones de este sistema en
escenarios realistas, así como en su utilidad potencial en operaciones de
búsqueda y rescate, donde la rapidez y la precisión son críticas.
Este trabajo aborda el
proceso de diseño, implementación y pruebas del prototipo, destacando los
desafíos superados y las lecciones aprendidas durante su desarrollo. Se espera
que esta investigación contribuya al avance de la tecnología automotriz
orientada a aplicaciones especializadas, brindando una perspectiva innovadora
sobre el uso de sensores de microondas en entornos críticos.
II. Parámetros Del Prototipo
Se Describirá
los materiales utilizados para el diseño.
A.
Modulo
HB100
El sensor HB100
es un dispositivo de radar de microondas que opera a una frecuencia de
aproximadamente 10.525 GHz (gigahercios). Este sensor utiliza tecnología de
microondas para detectar movimiento en su campo de visión. Utiliza el efecto
Doppler para detectar cambios en la frecuencia de las ondas de microondas
reflejadas. Cuando hay movimiento en el campo de visión del sensor, se produce
un cambio en la frecuencia de las ondas reflejadas debido al desplazamiento
Doppler [4] Este cambio es detectado y utilizado para
determinar la presencia y velocidad del movimiento. [5] La salida del sensor suele ser en forma de
señales de voltaje que varían en respuesta al movimiento detectado. Estas
señales pueden ser procesadas por microcontroladores u otros dispositivos
electrónicos para realizar acciones específicas. [6]
Fig.
1. Modulo HB100. [7]
TABLA I
Parámetros del HB-100. [8]
|
Parámetro |
Valor |
|
Tensión de
Trabajo |
5V ± 0.25V |
|
Corriente de
Operación |
50mA máx.,
30mA típico |
|
Parámetros de
Emisión |
2-16m |
|
Frecuencia de
Emisión de Helio |
10.525GHz |
|
Precisión de
Ajuste de Frecuencia |
3MHz |
|
Potencia de
Salida |
13dBm |
|
Emisión
Armónica |
<-10dBm |
|
Ancho de
Pulso |
5uSec |
|
Sensibilidad |
-86dBm |
|
Ancho de Haz
Vertical 3dB |
36o |
Las aplicaciones del Módulo
no se limitan a su propia frecuencia reflejada, puede usarse para la detección
de otros disparos de 10.5 GHz como se puede ver en [6] donde es utilizado para la detección de sonido a través
de un ladrillo, Ello incluye la detección de frecuencias sónicas [9].
Es posible la
implementación de una red de dos o más de estos módulos en un sitio para la
detección de presencia o actividad humana, como en [10], [11] y [12] O para clasificar los tipos de objetos detectados
en la distancia [13], localizar ubicaciones de objetos [14]. Su detección de frecuencias le permite detectar
velocidad de los objetos [15] incluido líquidos [16] La
velocidad se puede obtener por medio de la ecuación
(1)
= frecuencia
Doppler
V = Velocidad del objeto
= frecuencia de
transmisión
c = Velocidad
de la luz (3 X 108 m/s)
θ = El ángulo entre la dirección de
movimiento del objetivo y el eje del módulo.
Al
sustituirlos por 10.525 GHz se obtiene que
= 19.49V
Estas ondas son no
ionizantes, no presentan un riesgo para el cuerpo humano, lo que permite su uso
para detección del cuerpo humano y hasta para la detección dentro del mismo [17]
B.
Modulo
bluetooth
Un módulo Bluetooth es un dispositivo electrónico que permite la comunicación
inalámbrica entre dispositivos a corta distancia. Estos módulos son utilizados
para establecer conexiones de datos y transmitir información entre dispositivos
como teléfonos inteligentes, computadoras, microcontroladores y otros
dispositivos electrónicos. El alcance típico de un módulo Bluetooth varía según
la versión y las condiciones ambientales, pero suele ser de hasta varios
metros. La tecnología Bluetooth de baja energía (BLE) tiende a tener un alcance
más largo debido a su menor consumo de energía. [18]
C.
Arduino
Arduino es una plataforma de prototipado electrónico de código abierto que
consiste en hardware y software. Está diseñada para ser accesible tanto para
principiantes como para expertos en electrónica, permitiendo la creación rápida
de prototipos de proyectos interactivos. Arduino utiliza un lenguaje de
programación basado en C/C++, pero simplificado para facilitar la programación,
especialmente para principiantes. Se proporcionan bibliotecas y funciones
específicas para interactuar con los componentes de hardware. [19]
La librería AnalogFrequency.h de Arduino es una herramienta valiosa para
el análisis de frecuencias en proyectos que involucran el procesamiento de
señales. Esta librería permite a los desarrolladores trabajar con señales
analógicas y realizar mediciones precisas de frecuencia mediante el uso del
convertidor analógico a digital (ADC) del microcontrolador. Al utilizar la
función `analogReadFrequency(pin)`, los usuarios pueden detectar las
frecuencias presentes en una señal analógica aplicada al pin específico.
Además, esta librería proporciona información sobre las muestras y amplitudes
de la señal, permitiendo un análisis detallado de la composición espectral. En
el contexto de nuestro proyecto, la librería AnalogFrequency.h será una
herramienta esencial para explorar y caracterizar las señales provenientes de
dispositivos como el sensor de radar HB-100, contribuyendo así a un mejor
entendimiento de las frecuencias detectadas y facilitando la implementación de
estrategias efectivas de procesamiento de señales en nuestro sistema. [20]
D.
App
Inventor
App Inventor es una plataforma de desarrollo de aplicaciones móviles
visual y de código abierto que permite a usuarios con poca o ninguna
experiencia en programación crear aplicaciones para dispositivos Android. Fue
desarrollado por Google y actualmente es mantenido por el MIT (Instituto
Tecnológico de Massachusetts). La principal característica de App Inventor es
su interfaz gráfica de desarrollo, que permite a los usuarios diseñar
aplicaciones mediante la manipulación visual de bloques de construcción en lugar
de escribir código tradicional. [21]
Figura 2: Desarrollo de aplicaciones con App Inventor. [22]
III. Diseño del Prototipo
A.
Diseño del Circuito para el robot móvil
Mediante el software de Proteus se realizó un diseño PCB para el control
del robot móvil que se observa en la figura 3, el diseño se distribuye de la
siguiente manera el Arduino está conectado a 18 pines, estos pines están
conectados a las entradas de dirección de un puente H, las salidas de este puente
H están conectadas a borneras, donde se conectarán las llantas del robot. el
circuito cuenta con una entrada de voltaje que alimenta tanto al puente H como
al Arduino. Además, hay una conexión a un módulo Bluetooth que utiliza cuatro
pines, en la alimentación se emplea un diodo para evitar posibles polaridades
inversas y proteger el circuito. El sistema cuenta con un interruptor para
encender y apagar la máquina según sea necesario. Internamente, el circuito
cuenta con un transistor y un regulador de voltaje 7805. Este regulador
convierte el voltaje de entrada en 5 voltios, alimentando así al Arduino y
otros componentes. El voltaje puro de la batería se dirige al puente H, que a
su vez suministra energía a los motores del robot. Este diseño permite un
control eficiente y seguro del robot móvil.
Figura 3: PCB del circuito para el robot móvil. [20]
Figura 4: Vista 3D del PCB del circuito del robot móvil. [22]
B.
Diseño
del Circuito filtro
El filtro está diseñado para permitir únicamente el paso de frecuencias
comprendidas entre 3.38 y 72.38Hz, asegurando así que la información
relevante para el Arduino sea preservada y cualquier interferencia no deseada
sea eliminada, obtenido desde la formula.
(2)
Para la frecuencia
inferior
Para la frecuencia
superior
Este paso de filtrado es esencial
para garantizar una detección precisa y confiable de los movimientos detectados
por el sensor HB100 en el contexto de la aplicación específica descrita en el
paper. En la figura 5, se muestra el diseño del filtro.
Figura 5: Diseño del filtro
para la salida del sensor de microondas HB100. [20]
El filtro desempeña un papel crucial al procesar la salida del sensor de
microondas HB100. Se encarga de condicionar la señal proveniente del detector
infrarrojo (IR) del HB100 para que sea compatible con la capacidad de detección
del Arduino. La señal inicial, que abarca un rango amplio de frecuencias, se
somete a un primer filtro que atenúa y filtra aquellas por debajo de 45 Hz y
por encima de 700 Hz.
Este proceso es fundamental para eliminar componentes no deseados y
adecuar la señal a las capacidades de detección del Arduino, que se encuentra
optimizado para frecuencias específicas. El filtro, implementado en el diseño,
se compone de dos etapas, ambas configuradas de manera idéntica como podemos
observar en la figura 6, cabe destacar que una de las etapas utiliza un diseño
activo, incorporando amplificadores para mejorar la eficacia del filtrado.
Figura 6: PCB del filtro para
el proceso de salida del HB100. [22]
Figura
7: Vista 3D
del PCB para la salida del sensor HB100 [22].
IV. Construcción e Implementación del Prototipo
A. Implementación del
circuito PCB y ensamblaje
A.
Implementación del circuito PCB y ensamblaje
Para el desarrollo del circuito de la Figura 8, se inició con la adquisición de
los componentes electrónicos necesarios, materiales, herramientas y medidas de
protección requeridas para el diseño. A continuación, se llevó a cabo una
implementación inicial en una protoboard, lo que permitió evaluar y verificar
el funcionamiento del circuito de manera provisional.
Figura 8. Implementación inicial del
funcionamiento en una protoboard. [22]
El siguiente paso consistió en realizar el ensamblaje definitivo,
comenzando por montar los componentes electrónicos en la placa de circuito
impreso (PCB). Este proceso se llevó a cabo siguiendo el diseño previamente
desarrollado en un software de diseño de circuitos. Aquí, es crucial asegurarse
de que la disposición de los componentes en la PCB coincida con el diseño
conceptual y funcional del circuito.
Figura 9: Placas del circuito final tanto
del robot móvil como del filtro.[22]
En el proceso de ensamblaje del circuito, se inició con la revisión
detallada del esquemático para comprender la correcta conexión de cada
componente. Con una lista completa de componentes, se procedió a preparar la
protoboard, insertando los elementos de acuerdo con sus funciones específicas y
realizando las conexiones pertinentes. La fuente de alimentación fue integrada
cuidadosamente, respetando las polaridades, y se procedió a conectar los
componentes siguiendo el diseño conceptual. Después de realizar pruebas
iniciales en la protoboard para verificar el funcionamiento, se avanzó al
proceso de soldadura en la PCB final, asegurando una conexión sólida y precisa
de los componentes.
Figura 10: Incorporación de los componentes y
resultado final del robot móvil. [22]
A.
Programación
El código inicia con la definición de los pines que se
conectarán al puente H, los cuales controlarán los motores del robot. Estos
pines incluyen el 6, 7, 8, 9, 10, 11 y 12, siendo el 6 y el 12 destinados para
la generación de señales PWM. Además, se establece una conexión separada para
encender y apagar el módulo con especial atención a la sensibilidad. Los
valores por defecto para la sensibilidad son asignados al módulo. Dentro del
bucle, se verifica la presencia de señal analógica y se utilizan los servicios
proporcionados por la librería para realizar las operaciones necesarias en
función de la información recopilada del sensor HB100.
Figura 11: Algoritmo desarrollado en Arduino. [20]
La aplicación creada en App Inventor consta de seis etiquetas (labels)
donde se visualiza el texto, así como cuatro botones designados como
"adelante", "atrás", "izquierda",
"derecha" y "Reset". En la programación de bloques como
podemos ver en la figura 12, se implementa una lógica de control mediante
Bluetooth, utilizando las direcciones y nombres asociados a los dispositivos
Bluetooth del celular. Cuando se realiza la selección, la aplicación invoca al
dispositivo Bluetooth correspondiente. La configuración de los botones implica
que cada uno envíe un carácter numérico específico. Estos caracteres, que
representan las acciones de movimiento, son enviados al Arduino después de un
periodo de espera de 250 milisegundos, gestionado por un contador. Al llegar al
valor de 5, se envía un carácter especial indicando detención y cambio de
estado. En cuanto a la recepción de datos, la aplicación procesa la información
únicamente si el dato es igual o mayor a cero. Los datos recibidos se almacenan
en variables globales y luego se asignan a etiquetas específicas, conformando
una cadena llamada "global texto recibido".
Figura 12: Programación por bloques realizado
en App Inventor
[22]
Tras la Implementación del prototipo, se midió
los alcances de medición del mismo en diferentes medios.
Figura
13: Detección de movimiento a través
de 9 cm de madera.
[22]
V. Resultados
Se llevó a cabo la implementación exitosa de un circuito de filtro y
control en una placa de circuito impreso (PCB) con el objetivo de filtrar las
frecuencias detectadas durante el proceso de identificación de movimientos.
Se procedió a programar el código en el entorno Arduino para el
procesamiento de las señales provenientes del módulo HB100. Este código
permitió la detección de movimientos, así como la impresión de los datos
obtenidos para su posterior análisis. Además, se implementó un control que
ajusta la posición del prototipo en función de los caracteres recibidos desde
una aplicación externa.
Se desarrolló una aplicación utilizando App Inventor. Esta aplicación
proporciona una interfaz amigable para interactuar con el prototipo móvil,
permitiendo la supervisión y control remoto de manera efectiva, en la figura 13
veremos la demostración.
Figura 13: Dispositivo
conectado a la App para comprobar su funcionamiento. [22]
TABLA I
Profundidad de registro de MOVIMIENTOS. [22]
|
Material |
Distancia |
|
Aire |
5 m |
|
Madera |
20 cm |
|
Papel |
42 cm |
|
Cartón |
30 cm |
|
Plástico |
1 m |
VI. Conclusión
Este estudio revela el éxito en el desarrollo y evaluación de un
prototipo de automóvil equipado con un sistema de detección de movimiento
basado en el sensor de microondas HB100 de 10 GHz. A lo largo de la
investigación, se han abordado las capacidades distintivas de este sensor,
centrándose particularmente en su habilidad para detectar movimiento detrás de
sólidos, lo que presenta una aplicación crucial en misiones de búsqueda y
rescate. La interfaz de usuario a través de una aplicación móvil ha demostrado
ser efectiva, proporcionando un control intuitivo y una rápida respuesta a los
movimientos detectados. La implementación de un botón de Reset ha mitigado
posibles confusiones, optimizando así la experiencia del usuario. Las pruebas
en escenarios realistas han validado la robustez del sistema, destacando su
eficacia incluso en condiciones de visibilidad comprometida.
Este prototipo no solo representa un avance significativo en la
integración de sensores de microondas en vehículos, sino que también ofrece una
perspectiva innovadora sobre cómo abordar desafíos críticos en entornos
operativos complejos. La capacidad de detectar movimiento más allá de
obstáculos sólidos abre nuevas posibilidades en la mejora de la seguridad
vehicular y la eficiencia en situaciones donde la visibilidad es un factor
limitante.
VII. Recomendaciones
Es
esencial tener en cuenta la presencia de la cubierta intermedia de aluminio con
un grosor de 8 cm que rodea el módulo HB100. Dicha cubierta actúa como un
escudo que evita la entrada de señales desde ángulos no deseados. Al diseñar el
PCB, asegúrese de mantener una disposición que optimice la eficacia de esta
cubierta, minimizando interferencias externas y maximizando la sensibilidad
direccional del módulo.
Para
ajustar las características de filtrado, se sugiere la alternativa de cambiar
los capacitores por otros de 2.2nF o de menor valor. Sin embargo, al realizar
estas modificaciones, es crucial considerar la frecuencia resultante y
asegurarse de que esté por debajo de la frecuencia de muestreo del Arduino o
del software que se utilizará.
Aunque
el módulo HB100 es una opción viable, es importante considerar otras
alternativas disponibles en el mercado ecuatoriano. El módulo RCWL0516, por
ejemplo, puede ser una opción más económica sin sacrificar capacidades de
detección de movimientos.
VIII. Trabajos futuros
El sensor 24GHz Human Presente puede ofrecer un
rendimiento superior, especialmente en la detección de movimientos tras objetos
sólidos. Al evaluar estas opciones, se pueden seleccionar los módulos que mejor
se adapten a las necesidades específicas del proyecto, teniendo en cuenta
factores como el costo y las capacidades de detección.
IX. reconocimientos
Este
trabajo marca el comienzo de un proyecto dedicado al Procesamiento Digital de
Señales e Imágenes, con el propósito de explorar las tecnologías empleadas y
los resultados obtenidos en investigaciones previas relacionadas con imágenes
por microondas. Esta iniciativa representa la primera aplicación de la
investigación en tecnologías de microondas para la detección de objetos a
través de las paredes.
Agradecemos
sinceramente el apoyo y respaldo brindado por la Universidad Técnica de Ambato
(UTA), en particular por la Facultad de Ingeniería en Sistemas, Electrónica e
Industrial (FISEI), así como por la carrera de Telecomunicaciones. Además,
extendemos nuestro agradecimiento a nuestros familiares, docentes y personas
cercanas por su invalorable apoyo académico a lo largo del desarrollo de este
proyecto.
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