Cómo funciona

Saber qué profundidad tiene una laguna, una pileta de tratamiento o un tramo de río suele exigir una lancha, un ecosonda y alguien que la maneje durante horas. Queremos que eso lo haga un barco chico que sale de la orilla, recorre el área en franjas parejas y vuelve con el mapa.

Para eso hacen falta tres cosas que trabajen juntas: un sonar que escuche el fondo, un barco estable que lo lleve a velocidad constante y un sistema de control que sepa dónde está, adónde va y qué hacer si algo falla. Diseñamos las tres.

Todo empieza en un oscilador que genera la portadora de 228 kHz, la frecuencia de resonancia del transductor Airmar AT225. Una etapa de potencia la convierte en una ráfaga de alta tensión de 2 ms; después hay 10 ms de silencio para escuchar. Ese ciclo de 12 ms se repite sin parar.

El transductor es un cristal piezoeléctrico: con tensión se deforma y empuja el agua, y cuando le llega una onda de presión genera tensión. Con el mismo principio emite y escucha. Hoy lo excitamos con unos 100 V; el sensor admite hasta 500 V pico a pico, y más tensión es más alcance.

En el circuito actual el MOSFET carga el cristal en una dirección y la descarga queda a cargo de un resistor. A 228 kHz cada semiciclo dura 2,2 µs, pero el cristal con ese resistor tarda unos 3,5 µs en descargarse. Por eso los primeros disparos de cada ráfaga salen con toda la excursión y los siguientes se van achicando.

Achicar el resistor lo descarga más rápido, pero quema más potencia: con 4,7 kΩ ya disipa 19 W. La solución es llevar el cristal en las dos direcciones con un push-pull: dos MOSFET y un transformador con toma central, todo alimentado con 12 V. La alta tensión existe sólo en el secundario, aislada, y desaparece la línea rectificada de 220 V.

El eco que vuelve del fondo es miles de veces más débil que el pulso que salió. Un amplificador de bajo ruido (NE5532) lo levanta; después un detector síncrono lo multiplica por la misma portadora que se usó para emitir. Esa multiplicación baja la señal de 228 kHz a su envolvente, que cambia mucho más despacio y se puede digitalizar con un microcontrolador chico.

Un Cortex-M0+ (KL43Z) la muestrea a 50 kHz con 12 bits y manda cada ciclo por USB a la computadora, sincronizado con el disparo: la muestra 0 de cada frame coincide con la emisión. Un programa propio en C# la recibe en vivo y la guarda para analizarla en Python y Matlab.

Un detalle que importa para lo que viene: la salida del detector tiene signo. Es lo que en un receptor de radio se llama canal I. Si se le suma un segundo detector con la referencia desfasada 90° (canal Q), se recupera también la fase del eco. Con fase se pueden combinar muchas mediciones en una imagen nítida; sin fase, no (sección 6).

El sonido tarda en ir y volver. Si se mide cuánto tardó el eco desde la emisión, la distancia sale directa. La velocidad del sonido cambia mucho según el medio: 343 m/s en aire y unos 1480 m/s en agua. Por eso el mismo frame de 12 ms ve 2 m en aire y casi 9 m en agua.

Con muestras cada 20 µs, la distancia se puede ubicar con un paso de 3,4 mm en aire. Pero esa no es la resolución real. Dos objetos se distinguen sólo si sus ecos no se pisan, y el eco dura lo mismo que el pulso. Con 2 ms de pulso, en aire hacen falta 34 cm de separación; en agua, casi metro y medio.

Para medir profundidad alcanza. Para hacer imágenes no: hay que acortar el pulso. El límite lo pone el propio cristal, que sigue vibrando un rato después de que se lo deja de excitar. Medir ese tiempo es una de las primeras pruebas de banco que tenemos pendientes.

Tenemos un día por semana con el hardware. Cada sesión sigue un protocolo: primero una captura de vacío, después un objeto patrón a distancia conocida, y se anotan ganancia, tensión del emisor y temperatura. Los frames se guardan sin promediar, porque la dispersión entre disparos es justamente la medida del ruido.

Con esas capturas medimos el ruido (su desvío y su forma), el porcentaje de muestras recortadas y cuánto mejora la señal al promediar. Cuando algo no cierra, planteamos una hipótesis y buscamos la prueba que la descarte. Varias cayeron.

Una medición sola da una línea: cuánto hay hasta el primer obstáculo y la forma del eco. Para ver el fondo como una imagen hay que combinar muchas mediciones tomadas desde lugares distintos. Lo planeamos en cuatro niveles, cada uno sobre el anterior.

Por eso la placa definitiva va a llevar prevista la detección I/Q aunque al principio se use sólo un canal: son un par de componentes ahora, y es la diferencia entre poder hacer imágenes coherentes o tener que rediseñar la placa de recepción después.

Entre la base y el barco usamos LoRa en 917 MHz, una banda libre en Argentina. LoRa estira cada dato en el tiempo para que el receptor lo pueda rescatar aunque llegue más débil que el ruido. A cambio entran pocos datos por segundo, que para manejar un barco alcanzan de sobra.

La radio es de un solo canal: si hablan los dos a la vez no se entiende nadie. Por eso siempre habla primero la base, y el barco contesta justo después.

Sobre el agua no hay obstáculos, pero la señal rebota en la superficie y el rebote llega casi junto con la señal directa, invertido. Si las dos antenas están bajas se cancelan en buena parte. Duplicar la altura de una antena suma 6 dB, lo mismo que 1,4 veces más alcance. Con la base arriba de la barranca de Rosario, a unos 20 m del agua, el cálculo da margen para cruzar el Paraná.

En el Paraná apagar los motores no es seguro: la corriente se lleva el barco a cerca de 1 m/s, unos 300 m en cinco minutos. El piloto estima esa corriente comparando hacia dónde apunta la proa (brújula) con hacia dónde se mueve de verdad (GPS), y la compensa para que las franjas salgan derechas.

Los dos motores pasan por una etapa que limita los cambios bruscos, espera antes de invertir el giro e ignora órdenes demasiado chicas, para no castigar los variadores. Y hay reglas que actúan solas, sin esperar a nadie.

Después de un aviso de seguridad el control no vuelve solo: si la radio va y viene, que el barco tome y suelte el mando por su cuenta sería peor. Decide el operador.

Una misión es un recorrido de hasta 512 puntos que el barco hace solo. Se dibuja en el mapa, se sube por radio y se larga. Antes de arrancar el programa revisa GPS, brújula, casa, enlace, batería y geocerca. Si algo interrumpe la misión, queda en pausa en el tramo donde estaba y se reanuda desde ahí.

Mientras el barco recorre una franja, el programa compara cada profundidad con el fondo de antes y de después en la misma franja. Si algo sobresale más de un metro en dos de tres mediciones seguidas, marca una anomalía en el mapa. Después se la puede inspeccionar con tres pasadas cruzadas encima.

La separación entre franjas decide qué se puede encontrar. Para un mapa no importa tanto; para encontrar un objeto, alguna franja le tiene que pasar por encima. La regla práctica es dejar las franjas a no más del ancho del objeto menos 2 m, lo que el barco se puede correr por el GPS y la corriente.

El código del barco y de la base está escrito sin depender del hardware. Así el mismo código corre en las placas y en un simulador del Paraná frente a Rosario, con corriente, ruido de GPS, error de brújula y un casco hundido para buscar. El simulador encontró fallas reales antes de que existiera el barco: se quedaba clavado contra la corriente al frenar en cada punto, y las franjas salían corridas 7 m con corriente cruzada. Las dos están corregidas.

Cada parte tiene pruebas automáticas que se corren cada vez que se toca algo en común.

Que compile y pase las pruebas no garantiza que ande en la placa: los pines, la radio y los sensores recién se prueban con el hardware en la mano. Por eso el plan de pruebas va por etapas: los propulsores en un balde sobre la mesa, el GPS y la brújula en una plaza, agua quieta en una pileta o una laguna, la costa del Paraná con un bote acompañando y, al final, el sonar a bordo. Las primeras salidas van con la potencia limitada al 40 % y la geocerca en 100 m.