Diseño del sistema de adquisición de datos para instrumentación a distintas gravedades.

Transcripción

1 Diseño del sistema de adquisición de datos para instrumentación a distintas gravedades. J. Amigó-Vega *,1,3 A. Serrano-Muñoz 2,3 G. Viera-López 2,3 E. Altshuler 3 1 3er año, Facultad de Automática y Biomédica, Universidad Tecnológica de la Habana CUJAE, Calle 114 Marianao, Habana, Cuba. 2 Facultad de Telecomunicaciones y Electrónica, Universidad Tecnológica de la Habana CUJAE, Calle 114 Marianao, Habana, Cuba. 3 Grupo de Sistemas Complejos y Física Estadística, Facultad de Física, Universidad de La Habana, Habana, Cuba. PACS instrumentación, experimentos a diversas gravedades, sistemas complejos. Resumen El trabajo se centra en una nueva versión del sistema de adquisición de datos del instrumento LiaB (Lab in a Bucket), desarrollado en la Facultad de Física originalmente para el estudio de penetración de intrusos en medios granulares. La nueva versión permite realizar un amplio espectro de experimentos a diferentes gravedades sin hacer grandes cambios en el setup experimental. Añadimos al sistema existente una SBC (single board computer), diversos sensores (acelerómetro, giroscopio, brújula y cámara) y un circuito de potencia para el accionamiento de actuadores. Desarrollamos un algoritmo que analizando la señal del acelerómetro detecta la estabilización en la gravedad efectiva y desencadena una respuesta determinada por las especificaciones del experimento. 1- Introducción Realizar experimentos variando como parámetro la gravedad es un problema complejo tanto para la física como la ingeniería. Varias soluciones han sido propuestas, pero la mayor parte no son prácticas para su uso frecuente [1]. Goldman y Umbanhowar y Altshuler et al. desarrollaron un sistema experimental basado en una máquina de Atwood para estudiar la penetración de intrusos a baja velocidad en medios granulares [2, 3]. El trabajo consiste en la realización de una nueva versión del sistema de adquisición de datos del instrumento LiaB (Lab in a Bucket) desarrollado en la Facultad de Física. 2- Plataforma experimental El sistema diseñado fue concebido para introducirse en un cubo que forma parte de una máquina de Atwood de 15 metros de altura. La otra carga de la máquina es un contrapeso que regula la aceleración que experimenta el sistema entero. La Figura 1 muestra un esquema de la plataforma experimental. * jamigovfecrd@gmail.com Teléfono:

2 Figura 1: Esquema del sistema con Lab-in-a-bucket configurado para caer La gravedad "sentida" en el interior del cubo (g eff), se puede controlar cambiando la masa del contrapeso permitiendo que el sistema reproduzca gravedades mayores o menores que la encontrada en la Tierra, la relación está dada por la siguiente ecuación: geff = g [1 mb mcw mb + mcw ] Desde investigaciones previas esta plataforma ha logrado reproducir g eff en el rango de 0.4 g hasta 1.2 g con un ruido en el orden de los 0.01 g. La duración de los experimentos depende de la g eff a reproducir. En la Figura 2 podemos apreciar un ejemplo de los datos obtenidos por el acelerómetro durante un experimento simulando la gravedad de Marte (0.4 g), la duración es de aproximadamente 1.5 segundos. Figura 2: Aceleración relativa al cubo vs tiempo en un experimento típico. La gráfica muestra los datos del acelerómetro sin filtrado alguno, demostrando la excelente estabilidad del sistema. Notar la región entre 6.15 y 7.46 segundos que corresponde a la aceleración gravitatoria en la superficie marciana.

3 3- Sistema de Adquisición de Datos El sistema de Adquisición de Datos (SAD) está constituido por una Single Board Computer (SBC) encargada de leer los datos de los sensores, accionar actuadores y comunicarse con el circuito de potencia. Los protocolos de comunicación soportados son USB, I2C, SPI o UART. La computadora genera una red WiFi que permite configurar y monitorear los experimentos. Los datos pueden ser procesados en tiempo real o post-procesados por herramientas software. 3.1 Descripción En la Figura 3 se puede apreciar la disposición de los elementos. Se encuentran colocados en la parte superior del cubo. Figura 3: Componenetes hardware colocados en la tapa del cubo. Esta se cierra al comenzar los experimentos. La computadora muestrea los datos de aceleración y orientación utilizando un MPU-6050 [4], la presión y temperatura se miden a través de un BMP180 [5] y datos de una brújula obtenidos con un HMC-5885L [6]. Una cámara diseñada específicamente para esta SBC, permite visualizar el interior del cubo con una resolución de 800x600 píxeles. Se colocó un sistema de iluminación para mejorar la calidad de las imágenes. Los datos son adquiridos de los sensores cada 8ms utilizando el protocolo de comunicación I2C y de la cámara a 25fps. La información se almacena temporalmente en RAM hasta que finaliza el experimento debido a la latencia de escritura impuesta por la memoria externa. En la Figura 4 se aprecia el esquema de conexión de los circuitos. Mientras se está desarrollando el experimento la información que se almacena en RAM puede ser utilizada por programas que se ejecuten en la computadora. Un ejemplo es el algoritmo de tiempo-real que usamos para determinar la estabilización en g eff usando las últimas mediciones obtenidas por el acelerómetro en el eje z. Una vez terminado el experimento toda la información es almacenada en una memoria SD conectada a la computadora.

4 Figura 4: Esquema de conexión electrónico del Sistema de Adquisición de Datos. 1-SBC(Raspberry Pi 2), 2-Arduino UNO, 3-Puente H, 4-PowerBank(5V), 5-Cámara, 6-Dongle WiFi, 7-Motor DC, 8-PowerBank(12V), 9-Brújula, 10- Acelerómetro, 11-Giroscopio. 3.2 Circuito de Potencia Las señales de salida de las unidades de procesamiento por lo general, no tienen la capacidad de accionar los actuadores debido a que no son capaces de suministrar la potencia necesaria requerida por estos. Por tanto, se hace necesario que intermedie un circuito que se encargue de transformar estas señales que cumplan los requerimientos de alta potencia característicos de los actuadores. El circuito encargado de realizar esta tarea es denominado Puente H. Se puede apreciar en la Figura 5 el pin-out de las configuraciones utilizadas en nuestro diseño. La Figura muestra el esquemático del circuito de potencia para manejar los actuadores en caso que fuesen motores. Figura 5: A la izquierda el pin-out del L298N, a la derecha el conexión de las salidas en caso que fuesen motores.

5 4- Conclusiones Hemos realizado una nueva versión del Sistema de Adquisición de Datos del instrumento LiaB (Lab in a Bucket) que permite la reproducción de gravedades diferentes a la de la Tierra durante cortos períodos de tiempo. Con nuestra nueva versión del sistema aumentamos el tiempo efectivo de los experimentos y le añadimos prestaciones que aumentan el espectro de experimentos que se pueden realizar con la plataforma, por ejemplo, la detección automática de la estabilización en g eff. Bibliografía [1] V. Pletser, Acta Astronaut. 55, 829 (2004). [2] D. I. Goldman and P. Umbanhowar, Phys. Rev. E 77, (2008). [3] E. Altshuler, H. Torres, A. González-Pita, G. Sánchez-Colina, C. Párez-Penichet, S. Waitukaitis, and R. C. Hidalgo, Geophys. Res. Lett. (2014). [4] IvenSense, Mpu6050, (2011). [5] Bosch, Bmp180, (2013). [6] HoneyWell, Hmc5883l, Axis_Digital_Compass_IC.pdf (2010).