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O projeto proposto para a aula de laboratorio da disciplina de Eletr^onica Aplicada (EEL7300) foi projetar, simular e desenvolver um rob^o de locomoc~ao aut^onomo que possa, sem a utilizac~ao da eletr^onica digital, percorrer uma trajetoria predeterminada, onde no presente caso, o rob^o seguira uma linha da cor preta em um fundo branco. O projeto consiste de um sistema de emiss~ao e detecc~ao da luz re etida no solo e, a partir da intensidade do sinal captado, realizar o controle de dois m
Tipologia: Provas
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Projeto: Robˆo Seguidor de Linha
O projeto proposto para a aula de laborat´orio da disciplina de Eletrˆonica Aplicada (EEL7300) foi projetar, simular e desenvolver um robˆo de locomo¸c˜ao autˆonomo que possa, sem a utiliza¸c˜ao da eletrˆonica digital, percorrer uma trajet´oria predeterminada, onde no presente caso, o robˆo seguir´a uma linha da cor preta em um fundo branco. O projeto consiste de um sistema de emiss˜ao e detec¸c˜ao da luz refletida no solo e, a partir da intensidade do sinal captado, realizar o controle de dois motores de corrente cont´ınua atrav´es de um circuito composto basicamente por amplificadores operacionais, transistores e resistores.
A idealiza¸c˜ao dos robˆos descende de tempos antigos. Relatos hist´oricos apresentam a constru¸c˜ao de instrumentos autˆonomos desde o in´ıcio da civiliza¸c˜ao grega, quando eram utilizados sistemas de pesos e bombas pneum´aticas para a constru¸c˜ao de equipamentos sem necessidade pr´atica ou econˆomica. No Jap˜ao, a rob´otica teve inicio de uma maneira um pouco diferente da dos gregos, onde as primeiras apari¸c˜oes de robˆos se deu na forma de ’M´agicos’ Automatas ou em japonˆes Karakuri, que s˜ao bonecos com movimentos programados atrav´es de engrenagens, onde seus construtores eram considerados como um tipo de m´agicos, pois conseguiam fazer com que objetos inanimados tomassem vida. Um exemplo deste tipo de robˆo pode ser visto na Figura 1.
Figura 1: Robˆo Japonˆes Karakuri.
O grande estopim para o desenvolvimento das m´aquinas autˆonomas se deu com a Primeira Rev- olu¸c˜ao Industrial, quando foram desenvolvidos e aperfei¸coados dispositivos autom´aticos capazes de manipular pe¸cas, permitindo a automatiza¸c˜ao da produ¸c˜ao e com isso, a diminui¸c˜ao do pre¸co dos produtos, que at´e ent˜ao eram totalmente manufaturados.
Apesar desta evolu¸c˜ao do meio industrial, a palavra robˆo foi utilizada pela primeira vez apenas em 1922 na pe¸ca de teatro R.U.R. (Rossum’s Universal Robots) criada pelo checoslovaco Karel Capek, sendo originada da palavra checa robota que significa trabalho for¸cado.
Figura 2: Cena da pe¸ca teatral R.U.R. onde foi apresentado pela primeira vez o termo Robˆo.
Este projeto prop˜oe a implementa¸c˜ao de um sistema utilizando eletrˆonica anal´ogica, para o deslo- camento de robˆos AGVs guiados por sensores que detectam uma faixa de cor.
Desenvolver um robˆo capaz de se movimentar atrav´es de uma trajet´oria plana demarcada por uma faixa escura envolta por um meio claro atrav´es de sensores compostos por diodos emissores de luz infravermelha e foto transistores, motores CC e um circuito de controle anal´ogico baseado em amplificadores operacionais.
Com o intuito de obter-se um melhor entendimento dos componentes e procedimentos realizados neste trabalho, segue abaixo uma r´apida revis˜ao bibliogr´afica dos principais temas e conceitos te´oricos necess´arios para o entendimento do projeto.
O divisor de tens˜ao ´e uma t´ecnica de projeto utilizada para criar uma tens˜ao el´etrica (Vout) que seja proporcional `a outra tens˜ao (Vin).
Vin −
Vout −
Figura 4: Exemplo de circuito divisor de tens˜ao.
Podemos demonstrar o funcionamento de um divisor de tens˜ao utilizando o circuito da Figura 4, onde temos dois resistores, R 1 e R 2. A tens˜ao Vout que queremos calcular sert´a a tens˜ao em cima do resistor R 2 , como mostra na equa¸c˜ao 1.
Vout =
R 2 ∗ Vin R 1 + R 2
LDR (do inglˆes Light Dependent Resistor ), em portuguˆes Resistor Dependente de Luz ou Fotore- sistˆencia, ´e um componente eletrˆonico passivo do tipo resistor vari´avel, mais especificamente, ´e um resistor cuja resistˆencia varia conforme a intensidade da luz que incide sobre ele. A medida que a` intensidade da luz aumenta, a sua resistˆencia diminui.
Figura 5: S´ımbolo utilizado para referenciar um LDR em um projeto eletrˆonico.
Figura 8: Circuito b´asico para a utiliza¸c˜ao de um transistor NPN e o gr´afico da curva IC por VCE.
Para obter o extremo superior da reta de carga (corrente IC ) devemos supor um curto entre coletor e emissor (VCE = 0), de forma que toda a tens˜ao de alimenta¸c˜ao se fixe no resistor de coletor.
Teremos ent˜ao: IC =
Para obter o extremo inferior da reta de carga, devemos supor os terminais de coletor e emissor abertos.
Teremos ent˜ao: VCE = VCC
Fica ent˜ao caracterizado que o transistor opera apenas em um dos extremos da reta de carga: corte ou satura¸c˜ao
Freq¨uentemente precisamos comparar as tens˜oes de entrada para verificar qual delas ´e a maior. Tudo o que precisamos ´e uma resposta sim ou n˜ao. Um comparador ´e um circuito com duas tens˜oes de entrada (n˜ao inversora e inversora) e uma tens˜ao de sa´ıda.
A maioria dos circuitos comparadores s˜ao constru´ıdos por ampops na configura¸c˜ao de malha aberta ou `as vezes tendo sua tens˜ao de sa´ıda limitada por diodo zener. Na maioria dos casos o diodo zener tamb´em ´e utilizado como tens˜ao de referencia.
Vp −
Vn −
vout
Vcc
Figura 9: AmpOp em malha aberta operando como comparador.
Neste projeto utilizamos o ampop na configura¸c˜ao de malha aberta, onde o tens˜ao de sa´ıda Vout ser´a dada pela express˜ao 2.
Vout = A 0 (Vp − Vn) (2)
Como o ganho em malha aberta (A 0 ) do amplificador operacional LM358 ´e 100.000, ent˜ao se a tens˜ao na entrada for Vp > Vn a sa´ıda estar´a saturada e a tens˜ao de sa´ıda ser´a pr´oxima `a da alimenta¸c˜ao do ampop. Caso Vn > Vp, na presente configura¸c˜ao, a sa´ıda do mesmo ser´a simplesmente a alimenta¸c˜ao negativa do amplificador, ou seja, zero volts.
Uma m´aquina de corrente cont´ınua pode funcionar como motor (convertendo energia el´etrica em mecˆanica) ou como gerador (convertendo energia mecˆanica em el´etrica). Ela possui um enrolamento de campo localizado no estator e um enrolamento de armadura no rotor. Ambos os enrolamentos s˜ao alimentados com corrente cont´ınua. O rotor ´e a parte girante da m´aquina, localizado sobre o eixo da mesma e constitu´ıdo de um material ferromagn´etico envolto pelo enrolamento de armadura. O estator ´e a parte est´atica da m´aquina, tamb´em constitu´ıdo de material ferromagn´etico, localizado em torno do rotor e envolto pelo enrolamento de campo. Um anel comutador ´e respons´avel pela invers˜ao adequada do sentido das correntes que circulam no enrolamento de armadura e ´e localizado junto ao eixo da m´aquina, girando com a mesma.
No caso dos motores, uma tens˜ao el´etrica ´e aplicada nos terminais do enrolamento de armadura atrav´es do anel comutador, fazendo com que circule uma corrente el´etrica nesse enrolamento, pro- duzindo, assim, um campo magn´etico e pares de p´olos (norte e sul) no rotor. Aplicando uma tens˜ao nos terminais do enrolamento de campo, h´a uma intensifica¸c˜ao do campo magn´etico atrav´es do corpo do estator, produzindo pares de p´olos magn´eticos pelo mesmo. A intera¸c˜ao entre os campos magn´eticos de armadura no rotor e do campo no estator faz com que os mesmos tentem se alinhar, um p´olo norte de um campo tentar´a se aproximar de um p´olo sul do outro. Caso os campos magn´eticos n˜ao estejam alinhados, surgir´a um par de for¸cas que produzir´a um torque no eixo fazendo com que o mesmo gire. Assim, o anel comutador, que est´a localizado no eixo da m´aquina, tamb´em gira, mudando o sentido da tens˜ao aplicada nas bobinas, o que inverte o sentido das correntes e, consequentemente, o sentido do campo magn´etico. Com isso, h´a novamente a produ¸c˜ao de um bin´ario de for¸cas que mant´em o movimento do eixo. A Figura 10 abaixo demonstra as etapas do funcionamento do motor cc.
Os ve´ıculos guiados automaticamente (ou AGVs - Automated Guided Vehicle) s˜ao m´aquinas autˆonomas que n˜ao necessitam de condutor humano e que s˜ao capazes de se deslocar em trajetos predefinidos. Desenvolvidos para receber e executar instru¸c˜oes, seguir um caminho, carregar e distribuir materiais, esses ve´ıculos tˆem como vantagens a capacidade de se adequarem a ´areas apertadas, dividirem os corre- dores com pessoas e empilhadeiras e se adaptarem a mudan¸cas de trajeto. Al´em disso, s˜ao flex´ıveis, demandam pouca manuten¸c˜ao e possuem capacidade de carga bastante vari´avel. Suas aplica¸c˜oes mais comuns s˜ao em transporte de materiais para linhas de produ¸c˜ao, galp˜oes e em portos. Exemplos de AGVs podem ser vistos nas Figuras 11 e 12.
Figura 11: Exemplo de um AGV em um ambiente portu´ario.
Figura 12: Exemplo de um AGV transportante objetos dentro de uma f´abrica.
Dos v´arios m´etodos de controle de ve´ıculos autˆonomos por referˆencia, o mais simples e barato de ser implementado em um ch˜ao de f´abrica ´e o seguidor de faixa. Este m´etodo tem por base identificar uma faixa de cor diferente em rela¸c˜ao ao restante do ambiente de movimenta¸c˜ao do robˆo, por meio de sensoriamento ´optico. Este sistema de sensoriamento pode ser realizado com o uso de cˆameras ou por sensores fotoel´etricos. O uso de cˆameras exige processamento digital, que al´em de caro, foge do escopo deste trabalho. Portanto o m´etodo de sensoriamento a ser empregado ser´a atrav´es de sensores fotoel´etricos utilizando LEDs (Light Emitting Diode) e LDRs (Light Dependent Resistor ).
O circuito de controle do robˆo seguidor de faixa tem como base um par de sensores como ´e mostrado no diagrama de blocos abaixo. Estes sensores ficam espa¸cados de forma que a faixa de contraste da superf´ıcie a ser seguida fique entre eles. O par de sensores ´e conectado a um sistema anal´ogico de controle com a fun¸c˜ao de tratar o sinal enviado pelos sensores. A sa´ıda deste bloco controla os dois motores, sendo, cada um deles, respons´avel pela tra¸c˜ao de uma das rodas do robˆo de forma independente. Quando um dos sensores atinge a faixa de contraste, o sensor detecta uma mudan¸ca na quantidade de energia captada, o que permite a corre¸c˜ao da trajet´oria para manter a faixa de contraste entre o par de sensores. O diagrama de blocos do circuito pode ser observado na Figura 13.
Sensor LDR 01
Sensor LDR 02
Reflexo de Luz do Led 1
Reflexo de Luz do Led 2
Sistema de Controle Analógico
Motor 01
Motor 02
Figura 13: Diagrama de blocos do circuito a ser implementado.
O robˆo proposto por este trabalho ´e guiado atrav´es da navega¸c˜ao por referˆencia ´optica. Assim, utiliza-se um par de sensores fotoel´etricos que operam em modo de reflex˜ao, cada um em uma extrem- idade do robˆo, de maneira que a faixa de contraste de cor, que demarca o trajeto, permane¸ca entre eles.
Cada sensor ´e constitu´ıdo por um LED vermelho de alto brilho, que emite um feixe de luz sobre a superf´ıcie, e um LDR para capta¸c˜ao da energia refletida. O LDR funciona como uma resistˆencia vari´avel, e o circuito montado ao seu redor desenvolve um divisor de tens˜ao, onde a tens˜ao em cima do LDR ir´a variar se o mesmo encontra-se em cima ou do lado da linha de caminho. O divisor de tens˜ao de cada sensor, ao inv´es de utilizar simplesmente dois resistores, utiliza um potenciˆometro e um LDR, pois ´e necess´ario calibrar o circuito para que quando os dois sensores estiverem em cima da mesma faixa de cor, todos componentes apresentem a mesma resistˆencia ˆohmica. Os sinais de tens˜ao regulados s˜ao ent˜ao transmitidos para o bloco comparador.
Inicialmente foi proposto o desenvolvimento de um projeto em que utilizaria quatro amplificadores operacionais, sendo dois para gerar uma onda triangular e dois para o controle dos motores, que fun- cionariam como comparadores, e assim podendo controlar a velocidade de cada motor utilizando uma t´ecnica chamada PWM (do inglˆes Pulse Width Modulation). Entretanto, devido `a uma dificuldade de se obter uma onda triangular perfeita, o que aumentaria demasiadamente a complexidade e o pre¸co do circuito, foi ent˜ao proposto um novo circuito com a utiliza¸c˜ao de apenas dois amplificadores opera- cionais, e com um controle onde o motor estaria ou ligado ou desligado.
Ap´os a id´eia do funcionamento do robˆo ter sido pensada, foi feito utilizando o software Proteus ISIS a simula¸c˜ao do mesmo. O circuito da Figura 15 demonstra o que foi simulado. Dentro do quadrado do Sensor 01 encontra-se o primeiro divisor de tens˜ao, onde RLDR1 ´e o potenciˆometro para a regula¸c˜ao da resistˆencia entre os dois sensores, e LDR1 ´e o sensor LDR. A tens˜ao em cima do LDR1 ir´a variar dependendo de quanto a superf´ıcie estiver refletindo as ondas luminosas do LED1, e esta mesta tens˜ao ir´a fazer com que o amplificador operacional sature em +Vcc ou em 0. O mesmo ocorre com a parte do Sensor 02.
Figura 15: Circuito montado e pronto para ser simulado no software Proteus ISIS.
No caso da Figura 15 o circuito apresenta-se desligado, nenhuma tens˜ao esta sendo transferida para os motores. Na Figura 16, quando o valor da resistˆencia dos dois LDRs for a mesma, que ocorrer´a quando os dois sensores estiverem sob a mesma cor e o robˆo estiver andando em linha reta.
Figura 16: Simula¸c˜ao para quando o robˆo estiver andando em linha reta.
Na Figura 17 podemos perceber o que ocorrer´a quando o robˆo estiver sobre uma curva, onde um dos sensores ester´a sobre a faixa de cor escura, o que far´a que um dos dois motores desligue, fazendo que o robˆo corrija sua trajet´oria.
Figura 17: Simula¸c˜ao para quando o robˆo estiver com apenas um motor ligado.
Apesar da existˆencia de diversos sensores ´opticos no mercado, pelo custo e disponibilidade optou- se por usar LEDs vermelhos de alto brilho e fotoresistores LDR separadamente, o que necessitou a utiliza¸c˜ao de potenciˆometros auxiliares para calibrar a diferen¸ca de resistˆencia dos LDRs.
O uso de uma fonte assim´etrica de tens˜ao cont´ınua exige a utiliza¸c˜ao de circuitos integrados com alimenta¸c˜ao assim´etrica. O LM358 mostrado na Figura 19, al´em da alimenta¸c˜ao assim´etrica possui dois amplificadores operacionais integrados no mesmo CI, sendo o mais apropriado para este projeto.
Figura 19: Amplificador Operacional LM358.
Como o amplificador operacional ser´a utilizado como comparador, as caracter´ısticas mais impor- tantes s˜ao:
Mais informa¸c˜oes sobre o LM358 podem ser encontradas no datasheet do mesmo, presente nos anexos.
Como o amplificador operacional n˜ao tem capacidade de fornecimento de corrente suficiente para alimentar os motores, foram utilizados transistores NPN BC547 que podem chavear correntes de at´e 100mA.
Figura 20: Transistor NPN BC547.
6.6.1 Vers˜ao 1.
Ap´os ter testado o funcionamento do projeto em uma protoboard, partiu-se ent˜ao para a pr´oxima etapa de desenvolvimento, que ´e a confec¸c˜ao da placa de circuito impresso, onde foi utilizado o software desenvolvido pela empresa Cadsoft, EagleCad.
O processo do desenvolvimento da placa de circuito impresso implica em trˆes partes, a primeira ´e de desenvolver o esquem´atico do circuito, que ´e apresentado na Figura 21. O segundo passo ´e, a partir do esquem´atico, projetar a localiza¸c˜ao dos componentes e o caminho das trilhas de cobre por onde a corrente fluir´a na placa. A placa desenvolvida para este projeto ´e mostrada na Figura 22.
Figura 21: Imagem do esquem´atico desenvolvido no software EagleCad.
