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Sensores de posición (recorrido/posición angular)

Sensores ultrasónicos

Aplicación
Los sensores ultrasónicos se utilizan para averiguar las distancias a que se encuentran posibles obstáculos y para vigilar un espacio; están integrados en los parachoques de vehículos p. ej. para facilitar
entrada y salida de aparcamientos y las maniobras de estacionamiento. El gran ángulo de abertura que se obtiene con el empleo de varios sensores (cuatro en la parte trasera y de cuatro a seis en la parte delantera) permite determinar con ayuda de la "triangulación" la distancia y el ángulo en relación con un obstáculo. El alcance de detección de un sistema de tal clase cubre una distancia de aprox. 0,25 a 1,5 m.

Estructura
Un sensor se compone de una caja de plástico con conexión por enchufe integrada, un convertidor de ultrasonidos (membrana de aluminio en cuyo lado interior hay pegada una pastilla piezoceramica) y una placa de circuitos impresos con electrónica de emisión y evaluación (figura inferior). Dos de las tres líneas eléctricas de conexión a la unidad de control sirven para la alimentación de tensión. Por la tercera línea, bidireccional, se conecta la función emisora y se transmite la señal de recepción evaluada de vuelta a la unidad de control (conexión de colector abierto de alto potencial de reposo).

Funcionamiento
El sensor ultrasónico funciona según el principio "impulso-eco" en combinación con la "triangulación". Cuando recibe de la unidad de control un impulso digital de emisión, el circuito electrónico excita la membrana de aluminio mediante impulsos rectangulares dentro de la frecuencia de resonancia para generar vibraciones típicas de aprox. 300 µs, emitiéndose entonces ondas ultrasónicas: la onda sonora reflejada por el obstáculo hace vibrar a su vez la membrana, que entretanto se había estabilizado (durante el período de extinción de aprox. 900 µs no es posible ninguna recepción). La piezocerámica convierte estas vibraciones en una señal eléctrica analógica, que la electrónica del sensor amplifica y transforma en una señal digital (figura inferior). El sensor tiene prioridad frente a la unidad de control y, al detectar una señal de eco, conmuta la conexión de la señal a "bajo potencial" (<0,5 V). Si se encuentra una señal de eco en la línea, no se puede procesar la señal de emisión. Cuando la tensión se vuelve inferior al umbral de conmutación de 1,5 V en la línea de señales, la unidad de control incita al sensor a que realice la emisión.
A fin de poder cubrir una zona lo más extensa posible, el ángulo de detección es grande en el plano horizontal. En el plano vertical, por el contrario, es necesario que el ángulo sea pequeño, para evitar reflexiones perturbadoras procedentes del suelo.

La distancia "a" que hay hasta el primer obstáculo más cercano se calcula a partir del tiempo de propagación del primer impulso de eco llegado y de la velocidad del sonido.

Un ejemplo: actual de utilización son los sensores de aparcamientode, Estos son unos sensores de ultrasonidos de un diámetro de 19mm.. Los sensores de tercera generación utilizan la más avanzada tecnología de sensibilidad asimétrica.. El micro sensor tiene una capacidad de detección muy amplia, abarcando un ángulo de 160ª horizontalmente y 60º verticalmente. Esta avanzada tecnología aumenta la capacidad de detección en un 100% comparado con otros sistemas convencionales.
El minúsculo tamaño de los sensores, permite la instalación en todos los coches, ya que pueden ser pintados con spray para conservar la imagen original del vehículo.
Este dispositivo consta, de dos o cuatro sensores de ultrasonidos, a elección del cliente, que son instalados en el parachoques trasero. El sistema únicamente se activará cuando este activada la marcha atrás, indicado por un suave sonido.
La frecuencia del tono indicara al conductor de la cercanía de algún objeto, y la distancia hasta el vehículo.

Sensores electromagnéticos (radar)

El radar lo consideramos como un sensor, pues mide la distancia, la velocidad relativa y la posición lateral de los vehículos que marchan delante. Para ello el radar (Radiation Detecting and Ranging) emite paquetes de ondas milimétricas. Para su empleo en la circulación por las principales marcas de automóviles se ha autorizado la banda de frecuencias de 76...77 GHz (longitud de onda = 4 mm). Los paquetes de ondas emitidos son reflejados por las superficies de metal o material de alta dielectricidad y son detectados de nuevo por el módulo receptor del radar. La duración y/o frecuencia de las señales recibidas es comparada con la de las señales emitidas. A fin de que la comparación pueda ser utilizada para las interpretaciones deseadas, el paquete de ondas que ha de ser emitido es conformado en función del transcurso frecuencia-tiempo (modulación). Los modos más conocidos son la modulación de impulsos, en la que se forman impulsos de una dimensión de 10...30 ns (lo que corresponde a una longitud de 3...10 m), y la modulación de frecuencia, que en el momento de la emisión varía la frecuencia (momentánea) de las ondas en función del tiempo.

La señal recibida ha de ser demodulada para que pueda suministrar la información deseada. Si se trata de una señal de modulación de impulsos, se mide el tiempo transcurrido y entre la emisión y la recepción puede ser determinada a partir de esta diferencia de tiempo y en relación con la velocidad de la luz "c" (aproximadamente 300.000 km/s):

d = t . c/2

El divisor 2 tiene en cuenta el recorrido de ida y vuelta de la señal (ejemplo: t = 1 µs corresponde a una distancia de d = 150 m}.

Si se trata de la modulación de frecuencia, la variación de la frecuencia tiene lugar durante la emisión. En caso de variación lineal, la señal de impacto retardada en función del tiempo de recorrido presenta, en comparación con la señal actual emitida, una diferencia de frecuencia que es proporcional a la distancia (para 100 MHz/ms y una distancia d = 150 m, la deferencia de frecuencia obtenida es de 100 kHz). Si bien la velocidad relativa del objeto de medición se puede determinar a partir de mediciones sucesivas de la distancia, este parámetro se puede medir con una fiabilidad y precisión considerablemente mayores utilizando el efecto Doppler.

En caso de un acercamiento aumenta la frecuencia de las ondas recibidas en 510 Hz por m/s de velocidad relativa (a 76 GHz).

La posición lateral del objeto del radar constituye la tercera dimensión de base buscada. Esta sólo puede ser determinada si el haz del radar es dirigido en diferentes direcciones; partiendo de la intensidad de la señal, se determina la dirección que ofrece la reflexión más fuerte. Para ello es necesario un rápido barrido ("scanear") mediante un haz o una configuración multihaz. Con varias antenas.

Estructura
La frecuencia de trabajo de 76 GHz (longitud de onda de aprox. 3,8 mm) hace posible una construcción compacta, requerida para el empleo en vehículos. Un oscilador Gunn (diodo Gunn dentro de una caja ecoica) alimenta en paralelo tres antenas patch dispuestas en yuxtaposición, que sirven al mismo tiempo para la recepción de las señales reflejadas (figura inferior). Una lente de plástico colocada delante (lente de Fresnel) concentra el haz de rayos de emisión dentro de una ventana angular de ±5° en el plano horizontal y de ±1,5° en el vertical, referida al eje del vehículo. Por el desplazamiento lateral de las antenas, la característica de recepción de éstas (ancho de 6-dB : 4°) señala en diferentes direcciones. Además de la distancia de los vehículos que marchan delante y de su velocidad relativa, se puede averiguar de ese modo también la dirección en la que son detectados. Unos acopladores direccionales separan las señales emitidas de las señales recibidas. Tres mezcladores posconectados transponen la frecuencia de recepción en bajas frecuencias casi hasta el cero (0...300 kHz), mediante su mezcla con la frecuencia de emisión. Las señales de baja frecuencia son digitalizadas para su ulterior evaluación y sometidas a un rápido análisis de Fourier para determinar la frecuencia.

La frecuencia del oscilador Gunn se compara continuamente con la de un oscilador estable de referencia DRO (Dielectric Resonance Oscillator), siendo regulada a un valor teórico prefijado. A la vez se varía la tensión de alimentación del diodo Gunn, hasta que corresponde de nuevo al valor teórico. Para la medición, a través de este bucle de regulación se aumenta y reduce brevemente la frecuencia del oscilador Gunn cada 100 ms alrededor de 300 MHz en forma de dientes de sierra (FMCW Frequency Modulated Continuous Wave). La señal reflejada en un vehículo que marcha delante sufre un retardo relacionado con el tiempo de propagación de la onda (que se traduce en una disminución de la frecuencia en el flanco ascendente y un aumento igual de la frecuencia en el flanco descendente).
La diferencia de frecuencia es directamente proporcional a la distancia (p. ej. 2 kHz/m). Si los dos vehículos señalados no marchan a la misma velocidad, la frecuencia de recepción aumenta entonces por razón del efecto Doppler, tanto en el flanco ascendente como en el descendente.

Regulador inteligente de velocidad de marcha ACC (Adaptive Cruise Control)
Claro que este radar regulador de la distancia es mucho más que sólo un sensor. Pues además de determinar la distancia, la velocidad relativa y la posición lateral de vehículos que marchan delante, este aparato que los ingenieros constructores SCU (Sensor & Control Unit), o sea, unidad sensible y de control, realiza un procesamiento subsiguiente muy complejo que termina con instrucciones de regulación para el motor y los frenos (figura inferior). Las funciones de este aparato exceden a una simple regulación de la distancia y se extienden a una regulación inteligente de la velocidad de marcha ACC (Adaptive Cruise Control),

Una de las funciones de base es en primer lugar la regulación convencional de la velocidad de marcha, con la que se mantiene constante, una vez ajustada, la velocidad de marcha deseada. Esta función permanece activa mientras no se detecte ningún vehículo precedente cuya velocidad sea inferior a la velocidad deseada ajustada por el conductor. Pero cuando en la zona de detección del radar (aprox. 100 a 150 m) se descubre un vehículo que impide seguir la marcha con la velocidad deseada, ésta adapta entonces a la velocidad del vehículo que precede. Si las diferencias de velocidad son ligeras, ello se puede realizar simplemente reduciendo la admisión de gas; si las diferencias son de mayor importancia, se hace necesaria una intervención en los frenos.
Una vez se ha compensado la velocidad, el vehículo equipado con ACC sigue al vehículo precedente con un intervalo de tiempo ampliamente constante, es decir, con una distancia que aumenta también la velocidad.
La dificultad técnica mayor para el procesamiento de las señales dentro de la ACC-SCU la depara la elección del vehículo objetivo "correcto". Se trata en primer lugar de reconocer, entre las muchas reflexiones del radar, aquéllas que proceden de los vehículos precedentes ya detectados. Luego hay que apreciar si esos vehículos marchan realmente en el mismo carril (lo que particularmente antes de las curvas y durante ellas no es fácil de evaluar, si bien los sensores del sistema de control electrónico de la estabilidad ESP para la regulación de la dinámica de marcha suministran importantes magnitudes comparativas).