Diseño de un sensor de distancia y velocidad basado en un sensor laser lidar-lite

Abstract

1.- INTRODUCCIÓN El presente trabajo tiene como objetivo desarrollar un dispositivo capaz asistir a conductores de todo tipo de vehículos. El dispositivo es capaz de medir distancias mediante un sensor laser “LIDAR-LITE”, con un rango de hasta 40 metros. A partir de estos valores se calcula la velocidad a la que el obstáculo o vehículo se aproxima y toda esta información es representada en una pantalla LCD, incorporada en el salpicadero, para lectura de los usuarios. La intención es que, con una mínima interacción del usuario con el sistema, este consiga gran cantidad de información de los alrededores del vehículo sin apenas tener que desviar la atención de la carretera, evitando distracciones y haciendo más seguras las carreteras. 2.- ESTADO DEL ARTE El uso de tecnología capaz de detectar objetos ha ido aumentando considerablemente a lo largo del tiempo, esto se debe, en gran medida, a la multitud de aplicaciones que pueden ofrecer. En este proyecto, la tecnología específica se denomina LIDAR (un acrónimo del inglés Light Detection and Ranging o Laser Imaging Detection and Ranging), que haciendo uso de un haz laser pulsado permite determinar la distancia desde un emisor a un objeto. El campo automovilístico ya usa multitud de sensores. Quizás el uso más conocido es el de los sistemas de aparcamiento asistido, en el que sensores colocados alrededor del vehículo ayudan a los conductores en la maniobra de aparcamiento, llegando los más modernos a realizar la maniobra de manera totalmente automatizada. En esta aplicación la mayor parte de los sensores son sistemas ultrasónicos, de rango mucho menor a los sistemas láser. La tecnología lidar ya se está usando como sistemas de calculo de velocidades en las conocidas como “pistolas laser” de las fuerzas del estado, que las usan como alternativa a los radares dispuestos a lo largo de las calles y carreteras. La diferencia del sistema estudiado en este proyecto frente a este uso, es que en el caso de las “pistolas laser” el sensor debe de estar inmóvil, o la lectura que hará será errónea, hasta ahora no se había implementado desde el punto de vista de un emisor móvil, calculando la velocidad absoluta a partir de las velocidades relativas calculadas por el sensor. 3.- MOTIVACIÓN Y OBJETIVOS Una parte fundamental de la investigación en el campo automovilístico consiste en encontrar diferentes métodos para reducir accidentes y aumentar la seguridad, tanto de los conductores como de los peatones. Este campo está en continua evolución, consiguiendo que en los últimos años el numero de accidentes se haya reducido de manera considerable. No obstante, el numero de siniestros sigue siendo elevado, es por ello que todo avance, por pequeño que sea, puede suponer una gran diferencia. El objetivo de este proyecto es doble: por una parte programar el sensor para que mida las distancias de manera continua, cada medio segundo realiza una nueva medición, calculando también la velocidad y, en segundo lugar, el diseño de un sistema de interacción con el usuario, constando de la pantalla donde se lee la información y de un sistema de alerta que avise al conductor de la proximidad de objetos una vez estos estén dentro de unos rangos de proximidad peligrosos. 4.-METODOLOGÍA El sistema básico se compone por dos elementos fundamentales: por un lado se tiene el sensor lidar y por otro la pantalla LCD, teniendo entre ambos un microprocesador Arduino, que se encargará de regir la comunicación entre los elementos del sistema, así como de realizar los cálculos necesarios para el correcto funcionamiento del mismo. Una vez finalizada la programación y configuración de los elementos básicos se le incluirán los elementos secundarios. Estos son: un pulsador para cambiar de función y un altavoz piezoeléctrico para alarma en caso de peligro. 4.1 Sensor Lidar-Lite El sensor utilizado, como mencionado anteriormente, hace uso de un haz laser pulsado para medir distancias. Para ello, el sensor mide el tiempo que pasa desde que emite el láser y detecta el haz reflejado. Una vez medido el tiempo, conociendo la velocidad a la que se propaga el haz, la velocidad de la luz, es capaz de determinar la distancia al objeto de manera muy precisa, el margen de error es de 1 cm. Tal y como se ha programado en este proyecto, el sensor mide la distancia cada medio segundo. La conexión entre el sensor y el microprocesador se realiza mediante el uso del bus I2C. De esta manera, tanto la conexión como la programación son mucho más sencillas a las otras alternativas. 4.2 Microprocesador Arduino UNO El microprocesador utilizado es el Arduino UNO, debido a la facilidad de acceso a él y a su simplicidad para programar. Las funciones principales del microprocesador en este proyecto son tres: recepción de las lecturas del sensor lidar, realizar los cálculos necesarios para obtener la velocidad y la configuración de la pantalla LCD. Debido a lo completo del sensor lidar utilizado, lo único necesario para su programación es la inclusión de la librería I2C, disponible online, al directorio del proyecto, indicar la dirección del sensor para empezar a recibir la información y la configuración de las variables para recoger las mediciones. Los cálculos necesarios para el proyecto son muy pocos y sencillos, se basan en cambios de unidades, para hacer más intuitiva la lectura para los usuarios, pues el sensor mide en cm. Otro cálculo que debe realizar es basándose en mediciones de distancias consecutivas y el tiempo entre mediciones conocer la velocidad de aproximación, considerando tanto el sensor en movimiento como estático. Una vez recogida la información del sensor y realizados todos los cálculos previos, se configura la pantalla LCD para que muestre la información deseada por el usuario. Para ello se incluye un pulsador que indica al microprocesador qué información mostrar, si distancia o velocidad. Además se incluye un altavoz que se configura para empezar a emitir un tono cuando la distancia medida por el sensor es menor a una distancia determinada previamente como distancia peligrosa. 5.- RESULTADOS Para comprobar el correcto funcionamiento de todos los elementos se fueron realizando varias pruebas a lo largo del desarrollo del proyecto. Se configuró elemento a elemento y se comprobó que, independientemente, todos cumplían su función. Para las mediciones de distancia se hizo uso del monitor serie, una cinta métrica y varios objetos, que se iban moviendo a lo largo del eje del sensor, comprobando que la distancia mostrada por el monitor y la cinta métrica coincidían. De esta manera se determinó que el sensor funcionaba correctamente y que el margen de error (1 cm) era el esperado y aceptable para la aplicación a estudiar. La segunda prueba fue comprobar que la pantalla respondiese correctamente a la programación del microprocesador. Para ello se empezó escribiendo la frase “Hola mundo”, para más adelante configurarla para que mostrase la distancia medida por el sensor, comprobando que los datos del monitor serie y la pantalla coincidían. Una vez configurada la pantalla se procedió a configurar el cálculo de las velocidades, para ello se instaló el pulsador que regulaba el cambio de la función distancia a la función velocidad. El último elemento a instalar fue la alarma sonora. Para ello se configuró una distancia de seguridad de 1 metro. Se comprobó que siempre que el sensor detectaba una distancia inferior a esta la alarma empezaba a sonar. Una vez finalizados los experimentos, se montó un prototipo con todos los elementos interconectados y se realizó la prueba final, en la que se comprobó que se cumplían los objetivos y que el prototipo funcionaba perfectamente. 6.- CONCLUSIONES Tras todos los experimentos y pruebas, se determinó que los requisitos propuestos para este proyecto se han completado y el prototipo funcionaba perfectamente, no obstante, a pesar se han cubierto todos los objetivos propuestos para el mismo, este prototipo no está todavía preparado para la función para la cual fue ideado. Para ello haría falta el uso de más de un sensor, configurando el microprocesador para regular la información entre todos y el uso de una pantalla LCD más compleja, que permitiera realizar el diseño de los alrededores del vehículo con total precisión. Con todo se puede considerar que el resultado es un éxito, pues con un poco más de trabajo y de pruebas en entornos reales, este dispositivo podría ser de gran utilidad aumentando la seguridad vial.

1.- INTRODUCTION The aim of this project is to develop a device capable of assisting drivers. The device is able to measure distances with a range of up to 40 meters, by the use of the laser sensor “LIDAR-LITE”. It will also be able to calculate the speed at which an object or another vehicle is approaching based on those measurements. All this information will be displayed on a LCD display, incorporated in the vehicle. The reason for this project is so that, with a minimum action from the user, he will obtain a great deal of information about the surroundings without the need to deviate his attention from the road, avoiding distractions and making roads safer. 2.- STATE OF THE ART The use of technology capable of detecting objects has experimented a considerable raise over the last years. One of the main reasons for this would be the great amount of applications such technology posses. In this project we will focus on a specific one called LIDAR (Laser Imaging Detection and Ranging), which, by the use of a laser pulse is capable of measuring distances to an object. Technology similar to this one is already applied for motoring purposes. Perhaps the most common one of them will be the assisted parking system, which, by means of sensors located all around the vehicle, aid the driver in the parking maneuver, with the most advanced ones allowing the vehicle to park in a completely automated way. The most common of the sensors used today for this purpose are ultrasonic based, the downside of these is the very low range they posses, compared to laser ones. In the same field, there are already systems using lidar technology. This can be found in the portable radars policemen use to determine the speed of the vehicles while driving. The main difference with the system studied and developed in this project is, in order for those systems to work, the policemen need to be still, for they are not programmed to calculate absolute speed based on relative speed. 3.- MOTIVATION Y OBJECTIVES A big part of the research done nowadays by the car companies is to find ways to make motorized vehicles safer thus reducing the number of victims and making them more secure both for the drivers and the pedestrians. This is a field in constant change and evolution, and thanks to that research, the number of accidents is decreasing every year. The number of accidents is still very high, though. Therefore, any advance to improve safety, no matter how small might it be, can make a huge difference. This project has a double intention: first, programming the sensor so that it can be continually measuring, every half a second will make a new measure, calculating also the speed. And secondly the user interface, composed by the LCD display where to read the information and a warning system, so that the driver is alerted when an obstacle or vehicle is too close. 4.-METHODOLOGY The basic system is composed by two fundamental elements: on one hand the lidar sensor and, on the other hand, the LCD display. Connecting these will be a microprocessor Arduino UNO which will be the core, controlling the information and making all the necessary calculations for the system to work correctly. Once the configuration of these elements is done some secondary elements will be included. Such as: a button so that the user can decide what information to display and a piezo, which will work as a speaker, so that the alarm can be heard by the driver. 4.1 Lidar-Lite sensor As previously stated, the sensor used in this project will measure distance by the use of a laser pulse. In order to do so, it will emit the pulse and detects the reflection of it, measuring the time between these two actions. Once the time has been measured, and knowing that a laser moves at the speed of light, it is capable of calculating the distances between the sensor and the object that made the laser bounce, with a very low error (around 1 cm). In this project the sensor has been programmed to measure the distance every half a second. For communication between the lidar and the microprocessor the use of the I2C bus is used, making the wiring and programming a lot simpler than any other possibility. 4.2 Arduino UNO microprocessor The microprocessor chosen for this project was Arduino UNO, given the easy access to it, and the simplicity of its programming. The microprocessor has three main functions in this project: receiving the measurements from the lidar, making all the needed calculations for determining the speed and the programming of the LCD display. Given how complete the lidar sensor is, the only necessity for programming it is to include the I2C library to the Arduino project directory, this can be found online, determine the address of the sensor so that the communication starts and determining the variables to collect and save the information given by the lidar. This project has only a few and very simple calculations, most of them are basically making the readings user-friendlier. This is due to the fact that the sensor gives the data in centimeters, which is not useful for the application; so we have to change it to meters and the speed give it in kilometers per hour. Another calculation to be done is, based on two consecutive distance measures and the delay between them, determine the speed, considering both the sensor to be static or moving. Once the information from the sensor is collected and all the math done, the LCD is programmed to show the information desired by the user. For this, the system includes a button, which will indicate the microprocessor what to show in the display. Also a speaker is programmed to start an alarm when the distance between the sensor and the object is considered as dangerous. 5.- RESULTS Throughout the development of the project experiments were realized to make sure every element in it worked correctly. In order to do so, every element was first proved, wired and programmed independently. The first experiment was to check the lidar sensor. For which, the use of a ruler, various objects and the series monitor in the Arduino software were used. Objects were put on various distances from the sensor and then the information displayed in the monitor and the measurements with the ruler were compared. After this experiment the sensor was proved to work perfectly with an error margin of 1 centimeter, which was both expected and acceptable for the use of the sensor. The second experiment was to make sure the screen was correctly wired and it was programmed correctly. To do so, the first thing to be done was wiring the screen and printing “Hola mundo”. Once this was done, it was programmed to print the distance calculated by the sensor, and then checked that the data in the monitor and screen were the same. The third experiment was the math necessary for the speed calculation. First the button was installed so that we could change between displaying the speed and distance and then checked math was correct. The last element to configure was the alarm, to do so a dangerous distance of 1 meter was used, so that when the sensor detected anything less than 1 meter the alarm would go off. Once all the experiments were done, the whole system was wired, so that the last proof could be done, checking that every element was correctly intercommunicated and the prototype was correctly working. 6.- CONCLUSIONS After all the experiments were conducted, the conclusion was that all the requisites imposed for the projects were completed and the prototype worked perfectly. Nevertheless, even after completing all the objectives, the prototype is not yet ready to be implemented on a real system. In order to do so, more than one sensor must be added, reconfiguration of the microprocessor must be done to accept information of as many as needed to be able to, in a more complex LCD screen, draw a virtual map of the surroundings of the vehicle with minimum error. All in all the result of the project can be considered successful, for with only a little more work and the ability to test it in real systems, this device could be of great help in reducing the accidents and making roads safer.