ES1276729U - Medidor modular de magnitudes fisicas - Google Patents
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Abstract
Medidor (1) modular de magnitudes físicas; caracterizado porque comprende: - una carcasa (2) cerrada provista de un hueco (20) interior prismático o cilíndrico, - un microprocesador (3) de las magnitudes físicas recogidas, dispuesto en dicha carcasa (2), - una pluralidad de sensores (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) de magnitudes físicas, dispuestos en dicha carcasa (2), y - una batería (5) y controlador (50) de carga y alimentación, dispuesto en dicha carcasa (2); donde los elementos electrónicos se encuentran dispuestos en unas placas (6) de forma complementaria a la sección del hueco (20) interior de la carcasa (2), encontrándose dispuestas paralelamente en el interior del mismo y conectadas por medio de un bus (7) y un multiplexor (8).
Description
DESCRIPCIÓN
MEDIDOR MODULAR DE MAGNITUDES FÍSICAS
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un medidor modular de magnitudes físicas, de bajo coste, para recolección de datos ambientales con posibilidad de navegación mixta inercial-visual.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En la actualidad, la medición de magnitudes físicas en determinados medios agresivos, especialmente en el medio marino, es tan importante como costosa.
Efectivamente, es importante, teniendo en cuenta que el mar ocupa más del 70% de la superficie de la tierra, y es un medio fundamental se transporte, soporte vital y ecológico del planeta. Por otro lado, es costosa debido a las condiciones de agua salada, fuertemente corrosiva.
Es por ello que estas mediciones precisan de dispositivos de toma de datos resistentes a estas condiciones, que se implementan mediante electrónicas específicas y adaptadas, y por tanto de alto coste, tanto por la baja escalabilidad como por la propia naturaleza resistente a la corrosión que deben incorporar.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El medidor modular de magnitudes físicas de la invención comprende, en su realización más esencial y genérica:
-una carcasa cerrada provista de un hueco interior prismático o cilíndrico,
-un microprocesador de las magnitudes físicas recogidas, dispuesto en dicha carcasa, -una pluralidad de sensores de magnitudes físicas, dispuestos en dicha carcasa, y
-una batería y controlador de carga y alimentación, dispuesto en dicha carcasa;
donde los elementos electrónicos se encuentran dispuestos en unas placas de forma complementaria a la sección del hueco interior de la carcasa (esto es, que caben en dicha
sección), encontrándose dispuestas paralelamente en el interior del mismo y conectadas por medio de un bus y un multiplexor.
De este modo, se obtiene un dispositivo de bajo coste para el muestreo de magnitudes físicas múltiples (data-logger), ya que no hay exposición directa de los sensores al medio -por lo que puede ser sumergible si está convenientemente estanqueizada- y que se puede implementar con electrónica de bajo coste y uso extendido en otros campos. Esto es lo que posibilita reducir los altos costes de los dispositivos habituales en dispositivos submarinos de este tipo.
Supone también una actualización de la técnica empleada en este campo de la tecnología, dado que en este sector técnico se tiende a utilizar sistemas conocidos y probados extensamente. El enfoque novedoso ha consistido en aislar esta electrónica de las condiciones ambientales exteriores, con el fin de poder emplear sensores coste reducido empleado generalmente en la electrónica de consumo, y leer magnitudes internamente en una carcasa cerrada, que puede ser estanca.
Por ejemplo, la presión (y profundidad) externa se estiman por la leve variación de presión barométrica en el interior del dispositivo y debida a la compresión de la carcasa. O para determinar la temperatura externa mediante los sensores internos, basta con esperar al régimen permanente, dado que la temperatura interna y externa tenderán a ser la misma tras un periodo transitorio breve, al no haber generación de calor interna; no obstante, este método de "sensor con modelo físico” permite estimar la temperatura incluso durante transitorios, pudiendo determinar la temperatura externa en movimiento (con limitaciones) sin esperar a que alcance la temperatura del ambiente en su interior.
El dispositivo dispondrá de dos modos de funcionamiento configurables:
- Navegación: Durante el cual el número de sensores a leer por ciclo se ve limitado a la frecuencia de operación del mismo; priorizando aquellos que intervienen en la estimación de la posición.
- Monitorización: Se suspende la estimación de la posición y únicamente se leen y almacenan las magnitudes configuradas.
El modo de monitorización se ejecutará con periodos altos (orden de minutos) y el modo de navegación con periodos bajos (orden de milisegundos). El dispositivo puede ser
configurado para que detecte automáticamente cuándo debe pasar de un modo al otro, de forma que estime la posición hasta alcanzar el punto en el que se deja colocado, con una autonomía esperada de, al menos, un mes de operación con periodos de captura de datos de 15 minutos.
Además, el concepto modular de disponer paralelamente las placas en la carcasa e interconectadas por un bus y multiplexor es completamente escalable y lo convierte en un dispositivo fácilmente adaptable a las necesidades de la aplicación en cuestión.
Al ser de tamaño reducido, originalmente ideado para ser portado por un buzo sujeto a su arnés, el sistema puede ser empleado en cualquier actividad que requiera la extracción de datos en un entorno que pueda resultar corrosivo para la electrónica de medición, no estando, por tanto, limitado a aplicaciones submarinas.
En el ámbito de investigación científica, el dispositivo puede ser empleado para aplicaciones como las siguientes:
• Empleando múltiples unidades con un equipo de buzos, puede caracterizarse una zona de interés tridimensionalmente para observar la variación de magnitudes, como la temperatura, a diferentes profundidades en diferentes coordenadas.
• Recuperación de corales y otras especies en peligro.
• Añadiendo un dispositivo de visualización de datos portátil, el sistema podría ser empleado como unidad de estimación de posición independiente de GPS, aumentando la seguridad de los buzos durante una inmersión en aguas de visibilidad reducida.
• Caracterización de variables ambientales durante expediciones espeleológicas.
• Inclusión como módulo independiente en robots comerciales para recopilación de datos en entornos dañinos o inaccesibles para las personas.
Por otro lado, podría repercutir positivamente al tejido industrial, principalmente impulsando su digitalización, en aplicaciones como las siguientes:
• Recopilación de datos ambientales para agricultura. El dispositivo puede contar con conectividad Wi-Fi y Bluetooth; por lo que supondrían una solución sencilla para la digitalización del campo si se implementara con estrategias de Big Data.
• Monitorización de obra submarina en puertos y muelles.
• Monitorización de granjas de peces o bateas de mejillones en acuicultura. Es de esperar que, a diferencia de los requerimientos de alta precisión en los sensores empleados en
oceanografía, en acuicultura sea más conveniente tener múltiples unidades de recogida de datos y de bajo coste para monitorizar la mayor extensión posible de la planta.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La figura 1 muestra una vista exterior del dispositivo de la invención en una versión estanca, con una de sus tapas abierta.
La figura 2 muestra una vista del dispositivo de la invención con la carcasa seccionada
La figura 3 muestra un diagrama de bloques del dispositivo de la invención.
La figura 4 muestra una vista exterior del dispositivo de la invención similar a la de la figura 1, donde hay una perforación en la carcasa para medición de presiones bajas, como por ejemplo la presión atmosférica.
DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PRÁCTICA DE LA INVENCIÓN
El medidor (1) modular de magnitudes físicas de la invención comprende (ver figs. 2 y 3): -una carcasa (2) cerrada provista de un hueco (20) interior prismático o cilíndrico,
-un microprocesador (3) de las magnitudes físicas recogidas, dispuesto en dicha carcasa (2),
-una pluralidad de sensores (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) de magnitudes físicas, dispuestos en dicha carcasa (2), y
-una batería (5) y controlador (50) de carga y alimentación, dispuestos en dicha carcasa (2); donde los elementos electrónicos se encuentran dispuestos en unas placas (6) de forma complementaria a la sección del hueco (20) interior de la carcasa (2), encontrándose dispuestas paralelamente en el interior del mismo (mediante separadores (60), por ejemplo) y conectadas por medio de un bus (7) y un multiplexor (8).
Por ejemplo, las placas (6) pueden estar conectadas a través de un multiplexor (8) I2C (que permite la conexión de hasta 2048 sensores); comprendiendo el bus (7) de interconexión ocho canales dobles. Cada una de las placas (6) de circuitos (PCBs) se conecta con la siguiente y la anterior a través de dicho bus de ocho pares de líneas, correspondientes a los
ocho canales (dobles) de comunicación de protocolo I2C (un cable SDA y otro SCL por cada canal) que llegan al multiplexor digital, conectado directamente al módulo I2C del microprocesador (3) principal. El diseño modular, disponiendo las placas (6) paralelamente, puede conectarse mediante conectores (61) de latón o nylon (por su resistencia a la corrosión).
Por su parte, los sensores se encuentran dispuestos en las placas modulares (que cada una de ellas implementa uno o más sensores específicos, permitiendo realizar diversos montajes configurables), y se encuentran seleccionados (sin ser una lista limitativa) entre: -sensores de temperatura (4a), para toma de temperaturas en régimen estático o dinámico, -acelerómetros (4b),
-sensores de presión (4c), comprendiendo la carcasa partes deformables (21) para que la presión exterior se transmita interiormente y pueda ser medida,
-sensores de imagen (4d) (cámaras), comprendiendo la carcasa partes transparentes (22) (ventanas, o ser directamente toda la carcasa transparente) para poder captar las mismas.
Además, de manera muy preferente el medidor puede comprender un GPS (4e) para obtención de posiciones y/o un reloj de tiempo real (9) (en este caso implementado con el microprocesador (3) principal como se ve en la fig. 3), para poder estimar la incertidumbre asociada a la posición, de manera dinámica, cuando no haya señal GPS disponible.
Además, se prefiere que los sensores de imagen (4d) comprendan un procesador de imágenes (10) específi
procesadores de bajo coste.
Idealmente, la carcasa (2) cerrada es estanca para utilización en medio acuático, especialmente marino, y en cualquier caso se prefiere que comprenda forma cilíndrica, donde las bases (25) de la misma comprenden o integran las zonas deformables (21) necesarias para los sensores de presión (4c), para mediciones de presiones hidrostáticas o hidrodinámicas. En realidad, en este caso las zonas deformables se integrarán en las bases debido a su forma plana, en comparación con la forma curva perimetral lateral que es más resistente a la compresión. Para mediciones de presión de magnitud atmosférica, donde el material de la carcasa puede ser demasiado rígido debido a lo baja que es esta presión en comparación con la hidrostática, se pueden realizar unas perforaciones (26) en la carcasa (2), que se encuentran cerradas mediante unas láminas (27) de material elástico para
conseguir deformaciones medibles a estas presiones atmosféricas (ver fig. 4).
La alimentación de cada una de las placas (6) o PCBs, por otro lado, es realizada mediante de un par de cables (V+, V-) (53) independientes para cada placa, y que parte directamente del controlador (50) de carga y alimentación. Protegiendo cada línea de alimentación mediante un fusible (55), se impide el fallo total del dispositivo en caso de cortocircuito en alguno de sus módulos. Además, la alimentación de cada una de estas placas (6) módulos está gobernada por un elemento de corte (51) (idealmente un transistor de efecto campo de potencia) que permite al microprocesador (3) principal cortar el suministro de potencia a cualquiera de los mismos a fin de reducir el consumo de potencia, o bien, si detecta un comportamiento defectuoso en alguno de los mismos.
Adicionalmente, el medidor (1) comprenderá de forma muy preferente un módulo de comunicaciones inalámbricas (16) (con su correspondiente placa (6)), dispuesto en el hueco (20) interior de la carcasa (2), para comunicación exterior y transmisión de los datos recogidos.
Indicar que la carcasa (2) puede comprender unos enganches de fijación, no representados, para portar o colgar o largar en el mar.
Para el primer prototipo de dispositivo, la carcasa (2) se fabricó en metacrilato (PMMA), transparente, para facilitar la fabricación de la misma, permitiendo la libre colocación de cámara y sensores de iluminación en cualquier lugar de la estructura. El cilindro principal tiene 10mm de espesor, 100mm de diámetro exterior, 140mm de largo. Las tapas se fabricaron en grosores de 4mm, 8mm y 12mm; eligiendo la apropiada según el rango de profundidad operativa. Estas se fijan al tubo principal mediante 12 tornillos (por tapa) M3 de acero inoxidable AISI-316, resistente a la corrosión; existiendo un surco, de 1.5mm de profundidad, interior al diámetro de perforación de los tornillos (tanto en la tapa como en el cuerpo principal) para la colocación de una junta tórica (100) de caucho de butadieno (NBR). En caso de no ser suficiente para asegurar la estanqueidad del dispositivo, se sellará la unión con silicona líquida usada aplicaciones náuticas.
Para un producto de fabricación en serie, será conveniente fabricar la estructura principal en materiales de menor coste, como PVC o similares, y fabricar ventanas, de metacrilato u otro plástico transparente selladas mediante juntas tóricas y tornillería, tras las cuales colocar los
sensores de imagen y luminosidad.
Adicionalmente, el sistema incorporará un algoritmo de navegación mixta inercial-visual. El objetivo de este algoritmo es el de estimar la posición de forma continua incluso en ausencia de señal GPS de forma que pueda emparejarse cada dato ambiental tomado con una posición asociada; dando lugar a la posibilidad de crear mapas 3D de magnitud.
La navegación inercial (en realidad, la navegación autónoma en sí) en el campo de la robótica es un problema aún bajo estudio sin una solución óptima. El empleo del aprendizaje reforzado (de la familia del Machine Learning) para mejorar los resultados de la navegación inercial ha sido estudiado por algunos investigadores; no obstante, en el presente medidor se contemplan tres aspectos innovadores:
- El modelo de Machine Learning incluye, como entrada, la caracterización de ruido de los acelerómetros para calibración de la red neuronal, permitiendo cambiar los acelerómetros según las prestaciones que requiera la aplicación sin más que incluir su modelo de ruido asociado.
- Incluye un contador de tiempo disparado en la última posición determinada de forma fiable, por GPS, para poder estimar la incertidumbre de la posición calculada en base a la integración de las señales de aceleración con ruido.
-Con cierto periodo de muestreo, el procesador de imágenes (10) exclusivamente dedicado al procesamiento de imágenes de la cámara estima si el dispositivo se encuentra en movimiento, o no, y se lo comunica al algoritmo de navegación para que pueda acotar la varianza de la lectura de los acelerómetros. Es decir, si la cámara insiste en que el dispositivo no se encuentra en movimiento, los valores de aceleración actuales deben considerarse offsets con respecto del valor de aceleración real.
Descrita suficientemente la naturaleza de la invención, así como la manera de realizarse en la práctica, debe hacerse constar que las disposiciones anteriormente indicadas y representadas en los dibujos adjuntos son susceptibles de modificaciones de detalle en cuanto no alteren el principio fundamental.
Claims (15)
1. - Medidor (1) modular de magnitudes físicas; caracterizado por que comprende:
-una carcasa (2) cerrada provista de un hueco (20) interior prismático o cilíndrico,
-un microprocesador (3) de las magnitudes físicas recogidas, dispuesto en dicha carcasa (2),
-una pluralidad de sensores (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) de magnitudes físicas, dispuestos en dicha carcasa (2), y
-una batería (5) y controlador (50) de carga y alimentación, dispuesto en dicha carcasa (2); donde los elementos electrónicos se encuentran dispuestos en unas placas (6) de forma complementaria a la sección del hueco (20) interior de la carcasa (2), encontrándose dispuestas paralelamente en el interior del mismo y conectadas por medio de un bus (7) y un multiplexor (8).
2. - Medidor (1) modular de magnitudes físicas según reivindicación 1, donde las placas (6) se encuentran conectadas a través de un multiplexor (8) I2C; comprendiendo el bus (7) de interconexión ocho canales dobles.
3. - Medidor (1) modular de magnitudes físicas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los sensores se encuentran dispuestos en placas modulares, y se encuentran seleccionados entre:
-sensores de temperatura (4a),
-acelerómetros (4b),
-sensores de presión (4c), comprendiendo la carcasa partes deformables (21),
-sensores de imagen (4d), comprendiendo la carcasa partes transparentes (22).
4. - Medidor (1) modular de magnitudes físicas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un GPS (4e) para obtención de posiciones.
5. - Medidor (1) modular de magnitudes físicas según reivindicación 4, que además comprende un reloj de tiempo real (9) para el cálculo de la incertidumbre asociada a la posición estimada en ausencia de señal GPS.
6. - Medidor (1) modular de magnitudes físicas según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, donde los sensores de imagen (4d) comprenden un procesador de imágenes (10) específico.
7. -Medidor (1) modular de magnitudes físicas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la carcasa (2) comprende forma cilíndrica.
8. - Medidor (1) modular de magnitudes físicas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la carcasa (2) cerrada es estanca.
9. - Medidor (1) modular de magnitudes físicas según reivindicación 8 en relación con la reivindicación 7, donde las bases (25) de la carcasa comprenden las zonas deformables (21) para los sensores de presión (4c).
10. -Medidor (1) modular de magnitudes físicas según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, donde la carcasa (2) comprende unas perforaciones (26) que se encuentran cerradas mediante unas láminas (27) de material elástico.
11. -Medidor (1) modular de magnitudes físicas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el controlador (50) de carga y alimentación comprende unos elementos de corte (51) de alimentación a las diferentes placas (6).
12. - Medidor (1) modular de magnitudes físicas según reivindicación 11, donde los elementos de corte (51) de alimentación comprenden transistores de potencia de efecto campo.
13. -Medidor (1) modular de magnitudes físicas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el controlador (50) de carga y alimentación comprende un fusible (55) de protección en cada alimentación a cada placa (6).
14. -Medidor (1) modular de magnitudes físicas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende un módulo de comunicaciones inalámbricas (16), dispuesto en el hueco (20) interior de la carcasa (2).
15.-Medidor (1) modular de magnitudes físicas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la carcasa (2) comprende unos enganches.
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