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Relatório Científico apresentado ao curso de Graduação de Engenharia Mecânica sobre carrinho autônomo.
Tipologia: Trabalhos
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Ana Laura Mendonça Almeida Magalhaes Caio César Melo de Sousa Miranda Mário Alves Raul Ribeiro Rocha RELÂMPAGO MARQUINHOS- CARRO DE CORRIDA AUTÔNOMO: Capacidade de reconhecimento de objetos e desvio Belo Horizonte 2018
Ana Laura Mendonça Almeida Magalhaes Caio César Melo de Sousa Miranda Mário Alves Raul Ribeiro Rocha RELÂMPAGO MARQUINHOS- CARRO DE CORRIDA AUTÔNOMO: capacidade de reconhecimento de objetos e desvio Relatório Científico apresentado ao curso de Graduação de Engenharia Mecânica, na disciplina de Introdução á Engenharia, Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais – Construção de um carrinho de corrida autônomo objetivando a competição da IPUC (Instituto Politécnico da Universidade Católica) Orientador: Prof. Nilson de Figueiredo Filho Área de concentração: Eletrônica e Mecânica Belo Horizonte 2018
The project is about a trolley programmed by Arduino. The objective is go through a runway in autonomous. Using, for that two ultrasonic sensors interconnected in Arduino, as was proposed like requisite for discipline conclusion of engineering introduction in mechanical engineering course for graduation. Were four months of research and tests for project conclusion. This realization was very used, in view that was a funny way to learn. Keyswords: Arduino. Robotic. Stand-alone Car. Detour. Principle of Robotics.
2.1 Objetivos Gerais O presente projeto tem como objetivo central, fornecer a chance de trabalhar com robótica utilizando a placa Arduino UNO como microcontrolador responsável por acionar uma ( Ponte H L298 ), que eventualmente ativará os motores do carrinho. Tudo isso em uma base acrílica. O objetivo deste trabalho é desenvolver um protótipo de carro autônomo, capaz de desvio á obstáculos com auxílio de sensores ultrassônicos, controladors também pela placa Arduino UNO. 2.2 Objetivos Específicos Os objetivos específicos do trabalho são: a) Criar um carro autônomo controlado por Arduino UNO, dotado da capacidade de desvio de obstáculos utilizando sensores ultrassônicos e uma Ponte H para acionamento do sistema de tração. b) Tornar viável a movimentação do carrinho em curvas e não somente em linha reta. c) Avaliar formas de redução de erros quanto o estabelecimento de velocidade do carrinho, tal qual durante a aplicação de curvas. d) Avaliar formas de reconhecimento de obstáculos para que o carrinho seja capaz de fazer um desvio automático. e) Explorar os conceitos básicos de robótica, mecânica e programação, por meio de contato com a tecnologia e novos conceitos. f) Desenvolver por meio da robótica, a capacidade de pensamento inovador e resolução de problemas por conta própria do autor. g) Promover diversão durante a montagem e programação do carrinho autônomo, com a finalidade de entusiasmar o autor para com a disciplina de engenharia.
Segundo Simon Monk (2012), Arduino é uma pequena placa de microcontrolador que contém um plug de USB (Universal Serial Bus) que permite a ligação com um computador. Além de possuir diversos outros terminais com ligações para dispositivos externos, assim como : motores, sensores luminosos, alto- falantes, entre outros. As placas de Arduino são energizadas pelo próprio computador a partir do plug USB, ou por uma fonte de alimentação externa, podendo ser também controlada por computador de forma direta, ou programadas pelo computador, e em seguida desconectadas, tornando possível o manuseio independente. De acordo com Marco Aurélio (2018), motor elétrico é uma máquina destinada a converter energia elétrica, em energia mecânica. Aonde o seu uso vem se intensificando cada dia mais, por diversos fatores. Como por exemplo: o baixo custo, simplicidade de transporte, limpeza, simplicidade de comandos, e até mesmo, como alternativa mais sustentável por não emitir resíduos como o dióxido de carbono. O funcionamento de motores elétricos, está baseado nos princípios de eletromagnetismo, mediante condutores situados num campo magnético e atravessados por corrente elétrica, sofrendo a ação de uma forma mecânica denominada torque. Existem vários tipos de motores elétricos, aonde os mais comuns são os de corrente contínua ( em que existe um fluxo ordenado de elétrons em uma mesma direção) e de corrente alternada ( onde a magnitude e direção da corrente varia ciclicamente, não existindo portanto uma direção específica do fluxo de elétrons). No projeto do carro autônomo, será utilizada uma fonte externa para fornecer energia para os motores assim como para a placa Arduino Uno, sendo está fonte acoplada á base acrílica do projeto e ligada ao microcontrolador. A partir da função ‘’ Vin’’ do Arduino ( saída aonde a diferença de potencial fornecida á placa é ‘’transportada’’ para o aparelho conectado ), a Ponte H será energizada e por consequência, acionará os motores.
Para controlar o sentido de rotação do motor, existem duas condições que podem ser alcançadas na Ponte H, (no caso b que será denominado nesta pesquisa como controle vermelho, e c denominado controle verde da figura anterior), nestas situações a corrente elétrica chega ao motor por caminhos opostos, o que acarreta no controle de sentido de sua rotação. Além disso, a Ponte H, fornece também o controle da chave que liga a fonte externa á própria Ponte H, tornando possível assim o controle de aceleração do carrinho autônomo, chave esta que será tratada como chave principal, no caso da Ponte H L298, existe também a função de acionamento simultâneo do controle vermelho e do verde, que acarreta em um ‘’freio’’ do sistema de rotação do motor, baseado em torque. Segundo Cristiano Bertulucci (2018), um sinal analógico é aquele que possui variação de valor contínuo com resolução infinita em tempo e magnitude. ‘’Uma bateria de 9 volts é um exemplo de um dispositivo analógico em que sua tensão de saída não é precisamente 9V, mudando ao longo do tempo e podendo assim, ter qualquer valor real numérico.’’ Afirma o pesquisador, numa mesma visão o pesquisador define um sinal PWM ( Pulse Width Modulation ), como um conceito de ‘’pulsar’’ rapidamente um sinal digital em um condutor. Sendo possível através desta técnica simular uma tensão estática variável. Um dispositivo como um microcontrolador, pode trabalhar com entradas e saídas que possuem apenas dois estados: ligado, e desligado. Assim é possível sua utilização para controlar facilmente por exemplo, o estado de um LED, ( acesso, ou apagado). Entretanto, com a utilização de PWM, torna-se possível o controle da intensidade do brilho do LED, e não somente o estado em que se encontra, uma vez que alterando o estado do LED em uma velocidade muito alta, a percepção é de uma luz mais ‘’fraca’’ á visão humana que não acompanha um movimento tão rápido. No projeto do carrinho autônomo, este artifício será utilizado como regulador de aceleração do motor do carrinho. Ligando a chave principal de cada Ponte H (referente á sua respectiva roda), aos pinos de PWM, do microcontrolador, se torna possível o controle da aceleração do carrinho. Em um mesmo contexto, a função de controle vermelho, e de controle verde, não se fazem necessárias quanto o sistema PWM, uma vez que a finalidade de ambas diz respeito ao estado (Ligado/Desligado), e por isso podem ser ligadas em terminais conforme a preferência do autor.
Quanto a função de reconhecimento de objetos, utiliza-se um sensor ultrassônico, que é definido por Cristiano Bertulucci (2018) como um mecanismo capaz de detectar a distância de um determinado objeto até o mesmo, utilizando-se da reflexão do som. Sendo assim, a utilização de um sensor ultrassônico neste projeto se faz necessário quanto á obtenção de dados para que seja feito o reconhecimento de objetos na trajetória do carro autônomo e consequentemente um desvio. Uma vez que a distância percorrida pela onda, é o dobro da distância real do sensor até o objeto, justamente pelo fato do sinal emitido pelo sensor ter destino até o objeto e este por sua vez refletir a onda com destino ao receptor do sensor, utilizando-se deste conhecimento, torna-se possível a percepção do objeto com um certo grau de precisão. Figura 3 – Funcionamento do sensor ultrassônico Fonte: Dragao sem chama (2018)
Fonte: Autoria própria A terceira parte do projeto, tem como objetivo preparar os materiais (que exigem tal cuidado), para a eventual montagem física do carrinho. Nota-se a necessidade de solda para este quesito, além disso, a atenção quanto á solda dos fios é de extrema importância. No caso dos condutores do motor, não é necessária uma sequência pré-estabelecida, quanto a polaridade dos fios. Por se tratar de uma situação facilmente resolvida durante a etapa de programação. Quanto á soldagem dos fios do suporte de baterias ao plug P4, é necessária a atenção para o caminho que eventualmente será percorrido pela corrente elétrica. O polo positivo deve ser soldado em um pequeno orifício no interior do plug (o menor), já o polo negativo, deverá ser soldado no orifício maior, do interior do plug (se encontra ao redor, sobreposto ao orifício de polo positivo). 4.4 Montagem Física a) Montagem dos componentes da base acrílica. b) Encaixe dos motores com rodas, em seus respectivos lugares na base acrílica. c) Utilização da fita adesiva dupla face, para acoplamento do suporte de baterias na base acrílica (recomenda-se o acoplamento na extremidade “retangular” da base acrílica). d) Utilização da fita adesiva dupla face, para acoplamento da Ponte H, na base acrílica (por se tratar de um componente frágil ao toque, evitar o contato principalmente com a parte inferior do acionador). e) Utilização da fita adesiva dupla face, para acoplamento do microprocessador Arduino UNO R3 (é interessante que a placa seja fixada na base acrílica na extremidade oposta ao suporte de baterias, com a
Ponte H, mediando ambas). Durante esta parte do projeto, objetiva-se a fixação dos demais componentes do carro autônomo á base acrílica. Sendo possível diversas combinações quanto a posição dos componentes, mesmo que algumas não sejam recomendadas pelo motivo de comprometer tanto a estabilidade do projeto, quanto a real eficiência do mesmo. Fonte: Autoria propria 4.5 Ligações dos Componentes a) Ligar os Jumpers macho-macho, nos terminais da placa de Arduino, com destino á Ponte H (Nota-se a presença de pequenos riscos, de coloração branca frente os pinos de terminação PWM na placa de Arduino, e estes por consequência, devem ser reservados para ás chaves principais da Ponte H, sendo os demais controles independentes da função PWM). b) Ligar os condutores do motor no acionador Ponte H, em seu respectivo lugar. c) Utilizar a função “Vin” do Arduino, para proporcionar diferença de potencial à Ponte H, bem como a função “GND” (também referente á placa Arduino) para atuar como polo negativo do sistema, tudo isso feito a base de Jumpers macho-macho. Na quinta etapa do projeto, utiliza-se de um conhecimento prévio de eletrodinâmica, quanto ao fornecimento de energia para o sistema, bem como a
4.6 Testes Iniciais Como os motores foram acoplados ao carrinho sem testes prévios quanto a polaridade para acionamento do sentido de sua rotação. Faz-se necessário a realização de testes na etapa de lógica de programação para que se descubra o sentido. Utilizando do software Arduino, segue-se a seguinte lógica para obtenção da informação: Fonte: Autoria própria
Fonte: Autoria Própria Em um primeiro momento, foram definidos os pinos que fazem a ligação entre a placa de Arduino e a Ponte H. Na função de setup , definiu-se o modo de cada pino, entrada ( INPUT ) e saída ( OUTPUT ). Na função loop é onde a parte lógica realmente começa. Por se tratar de um sistema binário ( aquele que é utilizado em programação; 1 ou 0) , e por um byte se consistir em 8 bites , (ou seja, um byte contem a combinação de 8 bites que por sua vez apresenta função com 2 valores), sendo assim existem possibilidades em um byte igual a 256 (2^8), ou seja, valores
Fonte: Autoria Própria
Fonte: Autoria própria
