Departamento de Computación

En este trabajo se propone el uso del efecto Doppler para detectar obstáculos a velocidades de desplazamiento peatonal que se encuentra entre 0.19 y 1.21m/s, siendo la velocidad peatonal típica de 0.6166 m/s. El procesamiento de las señales producto del efecto Doppler, permite detectar el movimiento y calcular las velocidades de los objetos en el entorno a partir del cambio de frecuencia en las ondas transmitidas y recibidas. El efecto Doppler sobre las microondas nos permite alcanzar distancias de propagación mayores a 15 metros. Para detectar obstáculos en un entorno se debe obtener: la ubicación, distancia y tamaño de los objetos que obstruyen el paso en la trayectoria del desplazamiento. En los últimos 30 años se ha abordado el problema de la detección de obstáculos desde varios enfoques: usando imágenes, usando láser y usando ondas de sonido. Los resultados de estas aproximaciones han llevado a la generación de sistemas de detección de obstáculos con avances significativos; sin embargo, la distancia máxima a la que estos sistemas son capaces de detectar obstáculos es de cinco metros para entornos controlados. Además, estos enfoques presentan desventajas debido a factores como: temperatura, humedad en el medio, poca visibilidad, lluvia, ausencia de luz solar, baja calidad de las imágenes, complejidad en el procesamiento de los datos, entre otras. Las desventajas que las aproximaciones han reportado nos dan la oportunidad de explorar el efecto Doppler para la detección de obstáculos usandomicroondas electromagnéticas, empleando un sistema radar que se pueda portar o vestir: wearable. Se propone la detección de obstáculos estáticos, dentro de entornos no controlados. El sistema que se propone es capaz de ayudar a la navegación del entorno y propone una mejora en el alcance de distancia en comparación con los sistemas estudiados hasta el momento. Se emplea el efecto Doppler en la banda X (10.525 GHz) para la detección de obstáculos. Además, se propone una arquitectura e implementación de un sistema wearable, para asistir al portador en la navegación de entornos no controlados con retroalimentación para el usuario. Para la construcción del sistema se obtiene información del entorno, se acondiciona la señal y después, se procesa para identificar los obstáculos en una trayectoria definida. Por último se presentan los resultados al usuario, a través de una interfaz sonora. El uso de Arduino hace posible implementar los bloques de procesamiento de la señal mediante software, evitando el diseño y armado de circuitería electrónica. Se requiere del acondicionamiento de la señal del sensor para emplear su señal en la plataforma de desarrollo Arduino. El diseño de la etapa de procesamiento de la señal está basada en los principios de sistemas de radares. El sistema se compone físicamente de un sensor de frecuencias de microondas, un microcontrolador sobre la plataforma Arduino, un conversor analógico digital, un amplificador de señal y una bocina.

Palabras clave: efecto Doppler, detección de obstáculos, navegación peatonal, sistema de radar, disposivos vestibles.

Abstract

In this work we propose to use the Doppler effect in order to detect obstacles at pedestrian travel speeds. The pedestrian travel speeds are between 0.19 and 1.21m/sec, typically 0.6166m/sec. The processing of the signals produced by the Doppler effect, allows to detect the movement and to calculate the velocities of objects in the environment, through the change of frequency in the transmitted and received waves. The Doppler effect on microwaves allows to reach distances of propagation greater than 15 meters. To detect obstacles in an environment, several parameters must be considered: location, distance and size of objects that block the passage in the trajectory of the displacement. In the last 30 years the problem of obstacle detection has been tackled from several approaches: images, lasers, and sound waves. The results of these approaches have led to the generation of obstacle detection systems with significant advances. However, the maximum distance at which these systems are capable of detecting obstacles is up to five meters for controlled environments. In addition, these approaches have disadvantages due to factors such as: temperature, humidity, visibility, rainfall, sunlight absence, image quality, complexity in data processing, among others. These disadvantages have given us the opportunity to explore the Doppler effect for the detection of obstacles using electromagnetic microwaves on a wearable radar system. This proposal aims to detect static obstacleswithin uncontrolled environments. The proposed system is capable of helping the navigation in the environment and proposes an improvement in the range of distance compared to the systems studied so far. The Doppler effect on the X band (10.525 GHz) is used for the detection of obstacles. In addition, we propose an architecture and implementation of a wearable system, to assist the bearer in navigating in uncontrolled environments with feedback for the user. For the construction of the system, the information is obtained fromthe environment, the signal is conditioned and then processed to identify the obstacles in a defined path. Finally, the results are presented to the user, through a sound interface. The use of Arduinomakes possible to implement the signal processing through software, avoiding the design and assembly of electronic circuitry. The conditioning of the signal fromsensor is required in order to processing it on an Arduino device. The processing signal stage is designed following the principles of the radars systems. This proposal is composed of a microwave sensor, an Arduino microcontroller, an analogic-digital converter, a signal amplifier, and a speaker.

Keywords: Doppler effect, obstacle detection, pedestrian navigation, radar system, wearable.