Pontifícia Universidade
Católica do Paraná
Ccet – centro de
ciências exatas e de tecnologia
Engenharia de
computação
Projeto
Robô – LOST
Adroaldo
Martins Filho, Leandro Diogo Vazatta, Roberto Eliud
Marks Farias, Thiago Kendi Shiono.
1. Escopo do
Projeto
O projeto consiste em criar um veículo
autônomo, isto é, não conectado ao computador. O objetivo deste veículo é
seguir uma linha desenhada representando um circuito. Para realizar tal
atividade serão utilizados sensores. O controle do veículo será feito através
de um microprocessador.
Além de executar a tarefa de seguir linha, o robô será desenvolvido de tal forma que possa ser adequado a realizar outras tarefas como desviar de obstáculos e transitar por superfícies irregulares, havendo tempo hábil para tais modificações.
2. Projeto
mecânico preliminar
O veículo a ser montado será construído sobre o chassi de um carrinho, este carrinho foi adquirido pela equipe, pois a mesma verificou que o carrinho atende as principais necessidades do projeto.
O veículo funcionará com dois motores DC, que ligados a caixas de redução, controlarão as duas rodas traseiras de maneira independente. Além disso, o veículo possuirá duas rodas dianteiras “bobas” com função de dar equilíbrio ao mesmo.
Os sensores utilizados para a orientação do veículo serão detectores de infravermelho, sendo feito o uso de dois sensores para esta tarefa. Na figura 01 têm-se uma imagem do chassi do veículo.
Figura 01: Chassi do veículo.
3. Projeto da
pista de prova
A pista de prova consistirá em uma cartolina branca onde será pintada uma linha preta em diversas direções. A espessura da linha será definida de tal maneira que quando o sensor passar sobre ela o mesmo possa variar a tensão. A figura 02 representa um modelo de pista simples.
Figura 02: Modelo de pista.
4. Projeto dos sensores
Para realizar o controle
do sistema foi utilizado o módulo Sensor de Proximidade Infravermelho com Pic 12f675, LED
infravermelho (emissor – TIL81) e foto-transistor (receptor –TIL78), desenvolvido pelo professor Afonso Ferreira
Miguel (1). O módulo foi escolhido pela facilidade para tratar os sinais
adquiridos pelos sensores, visto que possíveis problemas, como influência da
luz ambiente, já estão resolvidos, uma vez que apenas a informação de
600Hz é filtrada , tendo como valores
de saída dois bits, os quais representam o funcionamento de cada sensor e
trabalham com 1/0.
Após análise e montagem, com certa facilidade, do esquema de funcionamento do módulo, partiu-se para a verificação de seu funcionamento e testes para regular a sensibilidade entre uma superfície branca e uma superfície preta, visto que o objetivo do projeto é de desenvolver um seguidor de linha.
Com o objetivo de regular
a sensibilidade do receptor, inúmeros teste foram realizados, os quais tinham
como objetivo determinar o valor do coeficiente para o funcionamento dos
sensores em uma região que iria de 1cm a 1,5cm da linha. O
valor do coeficiente obtido para estas restrições acabou sendo 10000.
Sendo verificado o correto funcionamento de todo o circuito para as
especificações que a equipe necessita, partiu-se para a obtenção de dados
ligados ao tempo de resposta e consumo do módulo responsável pela obtenção de
sinais dos sensores.
Através dos testes realizados foi verificado que a velocidade de resposta
média é de 125us.
Figura 03: Foto do osciloscópio verificando tempo de resposta (destacado em vermelho).
Já em relação ao consumo do módulo, obteve-se valores para diferentes situações como podemos observar na tabela abaixo.
Tabela 01: Consumo do circuito dos sensores.
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Estado dos sensores |
Consumo – mA |
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Dois sensores não refletindo |
42,86mA |
|
Dois sensores refletindo |
40mA |
|
Somente um sensor refletindo |
41,4mA |
Portanto tendo uma alimentação de 4,8V e a corrente em torno de 41mA, temos que o consumo de cada módulo é aproximadamente de 196,8mW.
Em relação à dimensão do modulo dos sensores, foi desenvolvido placas de 4cmX3cm (Figura 03) responsáveis pela emissão e processamento do sinal do LED infravermelho (emissor - TIL34) e do foto-transistor (receptor – TIL81).
Os receptores e os emissores responsáveis por seguir a linha estão acoplados em uma placa que serve para regular o seu posicionamento de acordo com a necessidade da pista e a largura de sua linha. Tal placa possui 3,1cmX10cm.
Importante destacar que o projeto possui outro módulo equivalente a este, no entanto será usado para detectar e desviar objetos sobre a pista, sofrendo alteração apenas na sensibilidade do receptor.
Figura 04: Diagrama do circuito de controle dos sensores.
Figura 05: Placa do circuito de controle dos sensores.
Figura 06: Teste feito para calibragem do sensor.
5. Projeto eletro-mecânico
O veículo será
movimentado através de dois motores DC, ligados a uma caixa de redução, ligados
às duas rodas traseiras. Para a alimentação destes motores serão usadas duas
pilhas, sendo que cada pilha fornece em média 700 A/h.
Para a medição do consumo dos motores foram feitos testes com o veículo em movimento e parado, também foram feitos testes com o circuito de controle acionado e não acionado. Um dos testes foi feito no piso do laboratório de engenharia de computação I, outro com as rodas do veículo suspensas. A tabela 02 mostra os resultados obtidos com as rodas suspensas. Com o veículo parado há somente o consumo do circuito de controle que será explicado mais adiante.
Tabela
02: Consumo dos motores com as rodas suspensas.
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Direção |
Consumo - mA |
|
Motor impulsionando para trás |
210 |
|
Motor impulsionando para frente |
213 |
O próximo passo foi medir o consumo dos motores com os circuitos de controle dos mesmos. A tabela 03 mostra os resultados obtidos com as rodas no piso do laboratório, na tabela 04 temos o pico de consumo nas mesmas condições que as da tabela 03.
Tabela
03: Consumo dos motores com o circuito de controle e rodas no piso.
|
Direção |
Consumo - mA |
|
Motor para trás |
221 |
|
Motor para frente |
223 |
Tabela
04: Pico de consumo dos motores com o circuito de controle e rodas no piso.
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Direção |
Consumo – Pico - mA |
|
Motor para trás |
403 |
|
Motor para frente |
412 |
O controle do motor é realizado usando dois relés, controlando a inversão do motor e acionamento do sistema. Como a corrente do AT89C2051, responsável pelo controle dos relés, é baixa, usam-se bc548 para o acionamento dos relés.
Importante destacar que o relé responsável pelo acionamento do sistema, quando acionado, mantém o sistema desligado. Uma vez que o sistema permanecerá a maior parte do tempo ligado, acaba-se tendo uma redução do consumo de energia. Na figura 07 é mostrado o diagrama do circuito de controle. A figura 08 mostra a placa do circuito de controle já feita.
Figura 07: Diagrama do circuito de controle dos motores.
Figura 08: Placa do circuito de controle.
Com o circuito de controle acionado tivemos consumos de corrente demonstrados na tabela 05.
Tabela
05: Consumo do circuito de controle.
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Estado dos relés |
Consumo - mA |
|
Dois acionados |
74,4 |
|
Um acionado e um desligado |
41,4 |
|
Dois desligados |
9,0 |
A velocidade do veículo foi medida traçando-se duas retas com uma
distância de
A medição do torque foi feita em vários locais do veículo. A primeira foi feita amarrando-se um fio no eixo do motor, após a caixa de redução. A segundo foi feita amarrando-se o fio na roda. Por último o dinamômetro foi preso na traseira do veículo. Em seguida os motores do veículo foram acionados fazendo-o entrar em movimento, a partir deste movimento foi possível medir os valores. Os resultados obtidos são mostrados na tabela 06.
Tabela
06: Valores de torque.
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Posição do dinamômetro |
Torque - N |
|
No eixo |
>5 |
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Na roda |
2,4 |
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Atrás do veículo |
0,2 |
Deve-se observar que foi impossível ter uma medida precisa do torque no eixo, pois o dinamômetro foi incapaz de agüentar a força exercida pelo motor.
6. Projeto eletrônico do microprocessador
O projeto será controlado por um microprocessador AT89C2051, que é um
modelo reduzido da família 8051, visto a necessidade de um pequeno número de
portas, unindo espaço e consumo de energia, do mesmo.
Um fator que foi decisivo para a escolha do mesmo, se deve ao fato da equipe possuir um conhecimento razoável em relação ao mesmo e que este possui funções que facilitariam a execução do projeto.
Esse microprocessador contem 20 pinos, sendo composto por 15 portas de entrada/saída (p1.0 até p1.7 e p3.0 até p3.7, excluindo-se a porta p3.6). O consumo do mesmo, sendo alimentado com 5V, é de no máximo 15mA, utilizando um clock de 11MHz. Caso fosse utilizado o microprocessador 89S52, o consumo seria de aproximadamente 25mA.
Portanto através desta escolha, poupamos espaço, e o consumo de energia em aproximadamente 10mA. Outra vantagem é que este pode ser alimentado de 2,7V até 6V enquanto o 89S52 deve ser alimentado com uma tensão entre 4V até 5,5V .
Após a escolha do microprocessador a ser utilizado para o processamento do sinal dos sensores e controle dos motores, partiu-se para a definição dos recursos necessários do microprocessador para a execução do mesmo. Verificou-se que ao utilizar um clock de 11MHz, não seria necessário utilizar as interrupções.
Desta maneira utilizou-se quatro pinos
O circuito do microprocessador possui dois leds, que servem para verificar o sinal proveniente da PIC, responsável por detectar a linha. No circuito também existe um push button responsável pelo reset do microprocessador.
Figura 09: Esquema do microprocessador.
7. Projeto do sistema de alimentação
A alimentação do projeto foi utilizado um conjunto de quatro pilhas AA de
1,2V em série, totalizando 4,8V destinados à alimentação dos circuitos de
controle do motor e dos sensores que se utilizam do padrão TTL.
A alimentação está ligada a uma central de distribuição a qual temos saídas para todos os módulos.
Já os motores são alimentados por uma pilha AA de 1,2V o que isola a alimentação dos motores do resto do sistema, pois os mesmos estão controlados por relés.
Após a montagem de todo o sistema e ligados à alimentação, verificou-se que os dados obtidos no relatório anterior, conferem com o atual estado do sistema.
Portanto através dos cálculos preliminares feitos durante o desenvolvimento do projeto, obtemos um sistema coerente de alimentação que foi verificado na prática.
A seguir temos o diagrama do circuito dos motores (figura 10), dos sensores (figura 11), módulo adquirido com o professor Afonso, e o módulo do microprocessador (figura 12) responsável pelo controle do projeto.
Figura 10: Diagrama do circuito responsável pelo controle dos motores.
Figura 11: Diagrama do circuito responsável pela aquisição do sinal dos sensores, desenvolvido pelo professor Afonso.
Figura 12: Diagrama do circuito responsável pelo controle dos módulos.
8. Fluxograma do software embarcado
O software que controla o carrinho pode iniciar de duas maneiras, uma é quando o carrinho está sobre a linha e outra quando o mesmo está fora dela.
Quando o carrinho está sobre a linha ele passa a verificar os sensores embaixo dele até que um deles seja acionado, então o motor no lado do sensor acionado é desligado e do lado oposto é ligado fazendo que ele vire para o lado do sensor que foi acionado. Este processo ocorre infinitamente, ou até que o sensor de obstáculo frontal seja acionado.
Quando este sensor é acionado o sistema liga o motor esquerdo e desliga o direito, desta maneira o carrinho passa a virar para a direita, até o momento que os sensores frontal e lateral não estejam mais acionados. Quando isto ocorre liga-se o motor direito e desliga o esquerdo e então o carrinho passa a virar para a esquerda.
Este processo se repete até o momento que o sensor da linha direita seja acionado, então o carrinho desviou do obstáculo e passa a verificar a linha novamente.
8.2.
Fluxograma do software embarcado.
Figura 13: Fluxograma
do software embarcado
9. Resultados
Após todas as etapas para realização deste
projeto concluídas, verificamos com sucesso o funcionamento pleno deste.
Primeiramente, fora conseguido o chassi a ser montado, com características
satisfatórias para o desenvolvimento. Algumas modificações foram feitas nestes,
porém com caráter de melhoria para posicionamento de sensores, ou placas. O
único problema visto nesta etapa, fora a roda traseira deste que possuía
diâmetro muito além do esperado e consequentemente acarretaria problemas de
velocidade e locomoção para este. Tal problema fora facilmente sanado, com a
substituição destas.
No projeto dos sensores, obtivemos resultados muito bons a partir da montagem do módulo emissor-receptor infravermelho. Nesta etapa, as dificuldades encontradas dizem respeito à potência do sinal emissor-receptor e a direção dos sensores para perfeita harmonia entre eles.
Para a parte eletromecânica, não tivemos dificuldades maiores, sendo escolhido o acionamento dos motores feito através de relés ao invés de transistores, pela sua simplicidade de operação.
Na escolha do microcontrolador, optamos por um da família 8051, devido a bons conhecimentos dos integrantes em sua programação. Salvo algumas mudanças no código-fonte, devido a erros de implementação ou de lógica, para as mais diversas situações, a etapa de montagem de uma placa controladora, assim como a programação desta, se mostrou como mais uma etapa vencida na montagem deste projeto.
Por fim, no projeto de alimentação, tivemos discussões somente na alimentação do motor, uma vez que em caráter prático, percebemos que uma pilha AA de 1,5V seria o suficiente. Para a alimentação dos circuitos, quatro pilhas AAs de 1,2V foram ideais.
Após todas as etapas concluídas, fora feita a confecção da pista de prova, sendo a plotter do laboratório de cad, usada para a impressão desta. Posteriormente, partimos para os testes práticos, sendo somente necessário realocarmos os sensores para o tipo de linha que implementamos. Após isto, percebemos um funcionamento pleno do projeto, sendo este apto a seguir uma linha desenhada, e caso um obstáculo seja colocado em seu caminho, este o desvia e retorna para a linha em questão.
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Figura 14:
Vista Superior do Início do Projeto |
Figura 15:
Vista Superior do Projeto |
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Figura 16: Vista Frontal do Projeto |
Figura 17: Vista Lateral do Projeto |
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Figura 18: Foto
da pista. |
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