Sonar 3D: ver el cuarto con ultrasonido

Por qué hardware dedicado

Girar la laptop con servos no sirve: su parlante y su micrófono son casi omnidireccionales. La pared a 2.78 m devolvería el mismo eco desde cualquier ángulo, y la "imagen" sería una esfera borrosa. Lo que da la dirección es un haz estrecho, y el ancho de un haz depende de la relación λ/D entre la longitud de onda y el tamaño del emisor.

Cómo funciona el escáner

De eco a punto 3D

Cada eco que pasa la detección se convierte en un punto con intensidad igual a su SNR. Si el haz no es estrecho, el punto se "unta" sobre todo el cono: por eso la resolución angular la pone el haz, no el paso del servo.

Cuánto tarda

Ejemplo: pan de −60° a +60° y tilt de −15° a +30°, ambos en pasos de 5°, son 25 × 10 = 250 direcciones. Cada una tarda unos 0.2 s en asentar el servo más 8 pings × 30 ms, en total ≈ 0.44 s. El escaneo completo toma ≈ 2 minutos.

Los pings van separados ~30 ms para que la reverberación del anterior se apague: eso son 10 m de recorrido, o sea 5 m de alcance.

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Plano del circuito

Pines de la Pico

Los pines físicos se cuentan desde la esquina del conector USB: del 1 al 20 por un lado y del 21 al 40 por el otro. La numeración viene impresa en la parte de abajo de la placa.

HC-SR04 #1 (emisor)

El receptor (lo único que se suelda)

1. En el HC-SR04 #2, mira la serigrafía: cada transductor tiene una T o una R impresa cerca. Desuelda el que dice R.
2. Suelda un cable de 20–30 cm a cada patita (sirve un dupont cortado, del lado macho) y trénzalos: el cabezal se mueve y el trenzado reduce el ruido.
3. Con el multímetro, busca cuál patita tiene continuidad con la carcasa metálica: esa va a GND. Si no tienes multímetro funciona en cualquier sentido, sólo que con un poco más de ruido.

Servos y condensador

Marrón → GND · rojo → +5 V · naranja → GP16 (PAN, el de abajo) o GP17 (TILT, el de arriba). Pon el 470 µF entre +5 V y GND cerca de los servos: absorbe los picos de corriente que, si no, reinician la Pico.

El amplificador del eco

El eco llega al transductor en milivoltios. El ADC de la Pico mide de 0 a 3.3 V. Dos etapas no inversoras con el MCP6002 (amplificador dual rail-to-rail, alimentado a 3.3 V) lo llevan a décimas de voltio, centrado en 1.65 V.

REFERENCIA (Vmid = 1.65 V)
  +3.3V ──[10k]──┬──[10k]── GND
                 ├──(10 µF)── GND      (+ hacia Vmid, − hacia GND)
               Vmid

ETAPA 1 (×23)
  Receptor patita A ────────────┬──── pin 3 (IN+ A)
  Receptor patita B (carcasa) ─ GND
                                └──[10k]── Vmid
  pin 1 (OUT A) ──[22k]── pin 2 (IN− A)
  pin 2 (IN− A) ──[1k]──(100 nF)── GND

ETAPA 2 (×11)
  pin 1 (OUT A) ─────────────────── pin 5 (IN+ B)     cable directo
  pin 7 (OUT B) ──[10k]── pin 6 (IN− B)
  pin 6 (IN− B) ──[1k]──(100 nF)── GND
  pin 7 (OUT B) ─────────────────── Pico GP26 / ADC0 (pin 31)

ALIMENTACIÓN
  pin 8 (VDD) ── +3.3V      pin 4 (VSS) ── GND
  pin 8 ──(100 nF)── GND    lo más cerca posible del chip

Piezas: 4× 10 kΩ, 1× 22 kΩ, 2× 1 kΩ, 3× 100 nF, 1× 10 µF.

Armado paso a paso

En este orden, para poder probar cada parte antes de agregar la siguiente.

Pruebas de encendido

Antes del firmware de captura, unos scripts cortos en MicroPython verifican cada parte por separado. Instala MicroPython en la Pico: mantén BOOTSEL presionado al conectar el USB, copia el .uf2 oficial de micropython.org a la unidad que aparece, y luego usa Thonny o mpremote.

P1 · La Pico responde

pip install mpremote
mpremote connect list          # debe aparecer un puerto COM con la Pico
mpremote exec "import sys; print(sys.implementation)"

P2 · Centrar los servos (antes de atornillar los brazos)

from machine import Pin, PWM
import time

def servo(pin):
    p = PWM(Pin(pin)); p.freq(50); return p

def angle(p, deg):
    # SG90: ~0.5 ms = 0°, ~2.5 ms = 180°. Ajusta si tu servo zumba en los extremos.
    p.duty_ns(int(500_000 + deg / 180 * 2_000_000))

pan, tilt = servo(16), servo(17)
angle(pan, 90); angle(tilt, 90)     # centro: ahora atornilla los brazos
time.sleep(1)
for d in (60, 120, 90):                # barrido corto, un servo a la vez
    angle(pan, d); time.sleep(0.5)

Esperado: los dos servos van al centro y el PAN gira ±30°. Si la Pico se reinicia al moverlos, revisa el 470 µF o usa una fuente aparte de 5 V con la GND unida.

P3 · Nivel de reposo del ADC

from machine import ADC, Pin
Pin(23, Pin.OUT, value=1)           # fuente de la Pico en modo PWM: menos rizado en el ADC
adc = ADC(26)
xs = [adc.read_u16() for _ in range(2000)]
m = sum(xs) / len(xs)
print("media", m, "≈", round(m / 65535 * 3.3, 3), "V", "min", min(xs), "max", max(xs))

Esperado: media ≈ 32 768 (≈ 1.65 V), con poca dispersión. Si toca 0 o 65 535 hay un problema en el amplificador.

P4 · Disparo y eco crudo

from machine import ADC, Pin
import time, array

Pin(23, Pin.OUT, value=1)
trig, adc = Pin(15, Pin.OUT, value=0), ADC(26)
N = 3000
buf = array.array("H", bytes(2 * N))

trig.value(1); time.sleep_us(10); trig.value(0)
t0 = time.ticks_us()
for i in range(N):
    buf[i] = adc.read_u16()
dt = time.ticks_diff(time.ticks_us(), t0)
fs = N / dt * 1e6
print("fs efectiva ≈", int(fs), "Hz")
peak = max(range(N), key=lambda i: abs(buf[i] - 32768))
print("pico en muestra", peak, "→", round(peak / fs * 1e3, 2), "ms")

Esperado: con la mano a ~20 cm, algo de actividad por encima del reposo. A esta fs baja (que sub-muestrea los 40 kHz) la forma de onda no es fiable, pero confirma que el emisor dispara, que el receptor capta y que el amplificador responde. El HC-SR04 tarda unos cientos de µs en emitir después del TRIG; la diafonía directa TX→RX marca ese instante.

Tabla de aceptación

Arquitectura propuesta

La fase 1 se diseñó con puertos y adaptadores justamente para esto: el procesamiento de señal no sabe de dónde viene la grabación. La fase 2 agrega un dispositivo nuevo, un posicionador y el escaneo 3D, y reutiliza el pipeline.

Archivos nuevos previstos

Protocolo Pico ↔ PC

Comandos de texto por línea sobre el USB serie (CDC), y respuestas binarias para los datos. Simple de depurar con cualquier terminal.

Presupuesto: 12 000 muestras (24 ms ≈ 4 m de alcance) × 4 bytes = 48 kB por dirección. La RAM de la Pico (264 kB) alcanza sobrado, y el USB full-speed lo envía en una fracción de segundo.

Por qué C para el firmware de captura

Recomendación: MicroPython para las pruebas de encendido (iterar rápido) y C con el Pico SDK (o el core arduino-pico) para la captura, donde el ADC por DMA a 500 kS/s y el PWM de los servos funcionan de forma determinista. La decisión queda abierta para F5.

Procesamiento a 40 kHz

Preset previsto

fs = 500_000           # ADC del RP2040
f_start, f_end = 35_000, 45_000
ping_interval = 0.030   # ~5 m de alcance sin solapar la reverberación
max_range = 4.0
min_range = 0.05        # zona ciega por diafonía; se ajusta midiendo

Resolución esperada: la ráfaga dura 200 µs y el transductor es de banda estrecha (resuena varios ciclos más), así que dos objetos se separarán a partir de unos 5–10 cm. La precisión de un eco aislado debería ser mucho mejor gracias a la interpolación del pico. Ambas cifras son estimaciones y se miden en F10.

Hoja de ruta

Cada fase tiene una meta y criterios de "terminado" verificables. Las fases ya cumplidas vienen marcadas.

Qué esperar del resultado

Riesgos técnicos y mitigaciones

Bitácora

Registro de decisiones y resultados. Agrega una entrada cada vez que algo funcione, falle o cambie el diseño.

<div class="tl ok"><div class="when">DD-MMM-AAAA</div><h4>Título</h4>
  <p>Qué se probó, qué se esperaba, qué pasó, qué se cambió.</p></div>
<!-- clases: ok = funcionó · warn = parcial · bad = falló -->

Seguridad