As áreas de cor clara consistem em duas folhas de papel A1 na cor branca, medindo 594mm de largura e 841mm de altura, fixada na superfície. A área das folhas A1 é de
½ m² e estão distanciadas uma da outra em aproximadamente 64 cm. O próprio piso da sala onde foi realizado o experimento será considerado como sendo a área escura. Os cones utilizados no experimento são apenas ilustrativos. A curvatura que o veículo fará dependerá apenas da variação de cor no plano determinando sua faixa de operação.
A escolha desta faixa de operação não foi feita por acaso. Está diretamente associada ao funcionamento dos sensores que detectaram a trajetória pré-definida para a orientação do veiculo na superfície. Isso oferece de certa forma maior controle ao autotrônico que sempre fará uma curva na ausência de área clara, evitando com que o veículo desloque- se em direção reta continuamente, vindo a se chocar com as paredes da sala onde foi realizado o experimento.
O resultado obtido com o experimento foi à execução bem sucedida, por parte do veículo, da tarefa programada, porém com algumas considerações a serem feitas sobre o experimento:
● O tipo de superfície deve ser plano e sua cor variar entre clara e escura, homogeneamente;
● A lógica adotada para os sensores (IR) foi: (superfície escura - sensor aceso), (superfície clara - sensores apagados).
● Calibração da altura dos sensores, localizados a frente da roda dianteira para que conseguissem detectar a cor da superfície;
● A faixa de operação (espaço físico) do veículo;
● A obtenção de um modo de operação, ou seja, duas velocidades de trabalho, uma para o veículo avançar em direção reta e outra para fazer a curva em movimento;
● Os parâmetros de sintonia foram três: a tensão de partida (neste caso, correspondente a 85% de Duty Cycle). O tempo de partida de 0.4 segundos (delay_ms (200), o número de iterações sendo igual a 2 (z==2) e ainda a velocidade para o movimento (80% de Duty Cycle) que servia para o veículo fazer a curva;
● A carga da bateria, já que a mesma quando descarregada impossibilita o acionamento dos motores (passo e CC);
● Os testes realizados no test bench (plataforma de testes) podem ocorrer corretamente, mas o comportamento do veículo na superfície pode não corresponder da mesma maneira, por exemplo, um Duty Cycle de 45% que corresponde à velocidade de aproximadamente 2 Volts, provoca o acionamento dos motores CC no test bench, porém o veículo não tem força suficiente para deslocar-se na superfície (também considerar carga da bateria).
4.2 – Projeto de Software de Controle
O projeto de software de controle é desenvolvido e compilado através da linguagem de programação C em um ambiente próprio para o mesmo (Pic C Compiler), carregado através de um software de comunicação (877TB) para o microcontrolador PIC16F877.
O programa tem o propósito de fazer com que o veículo desloque-se sobre uma superfície plana, com variação entre a área de cor clara, fixada na superfície e a área de cor escura ao seu redor, considerando esta a própria superfície da sala onde foi realizado o experimento, delimitando a sua faixa de operação. De acordo com os sinais provenientes dos sensores (IR) em relação ao tipo de cor (clara ou escura) no plano, o autotrônico se movimentará para frente em direção reta ou fará uma curva. O código fonte do programa encontra-se no anexo E. O diagrama de blocos mostrado na figura 4.3 apresenta o procedimento do programa para a execução da tarefa realizada pelo veículo.
Figura 4.3 – Procedimento do programa para a execução da tarefa realizada pelo veículo.
Para a execução da tarefa pelo veículo, de acordo com o diagrama de blocos da figura 4.3, inicialmente são verificados os estados dos sensores (IR). Caso estes estados indiquem presença de superfície clara, os motores CC são ligados no sentido de conduzir o carro em linha reta. Caso os estados dos sensores indiquem ausência de superfície clara, o motor de passo é comandado em um sentido, logo em seguida os motores CC são acionados, assim o veículo fará uma curva e tão logo encontre outra superfície de cor clara o motor de passo retornará à posição inicial para conduzir o veículo em direção reta, permanecendo desta maneira até encontrar superfície escura novamente. Perceba que o funcionamento depende estritamente da cor da superfície na qual o veículo se encontra. Para informações detalhadas sobre toda a sintaxe e funções
do programa desenvolvido, o interessado deverá consultar a apostila do curso de linguagem C (Santos, 1997) e mais o tópico de ajuda nos manuais do kit Feedback 40 – 100 (Feedback, 2000).
4.3 – Experimento no modelo de Engenharia
Os experimentos iniciais são sempre realizados com o modelo de engenharia, em bancada, como mostrado na figura 4.4, onde todos os componentes e as partes mecânicas encontram-se desmontados para que o usuário realize a montagem e alguns testes da fase de projeto.
Figura 4.4 – Modelo de engenharia em bancada.
A prática deste exercício com o modelo de engenharia além de auxiliar no planejamento e nos testes da fase de projeto, também proporciona ao usuário uma integração sob todos os aspectos de engenharia, incluindo mecânica, elétrica, eletrônica, comunicação e software de programação num só equipamento, sendo importante para o domínio do sistema mecatrônico pelo entendimento sistêmico do kit em conjunto com uma aplicação de navegação. Isto facilita o usuário na associação deste com outros projetos mais complexos de diversos ramos de atividades.
4.4 – Aplicação com o Modelo de Corrida
Os experimentos finais da fase de projeto são sempre realizados com o modelo de corrida, onde todos os componentes já estão montados, cabendo ao usuário apenas realizar os testes práticos com o veículo na plataforma de testes, mostrados na figura 4.5 e subsequentemente na superfície.
Figura 4.5 – Modelo de corrida no test bench.
Os testes realizados no test bench (plataforma de testes) devem simular fielmente a tarefa de navegação de veículo autônomo em condições ideais para que o veículo execute a tarefa programada de forma bem sucedida. É importante salientar que os testes realizados no test bench simulam a tarefa de navegação de veículo autônomo em condições ideais, ou seja, poderão ocorrer corretamente, mas o comportamento do veículo na superfície poderá não corresponder da mesma maneira. Por isso, as considerações finais do experimento com o modelo de corrida devem ser feitas com o veículo na superfície, dentro da sua faixa de operação e com algumas sintonias.
Capítulo 5 – Comentários e Conclusões
O kit mecatrônico Feedback 40 – 100 apresenta uma interessante plataforma para estudo. Os experimentos feitos com este foram realizados com certa facilidade, porém este trabalho de conclusão de curso tem como objetivo principal reunir material suficiente para complementar os manuais do kit, também servindo como documentação inicial para trabalhos futuros utilizando este tipo de equipamento, já que os dois manuais do kit mecatrônico Feedback 40 – 100 (Getting Started e Reference Manual) são escritos em inglês e não trazem informações claras nem detalhadas sobre assuntos pertinentes a projetos e experimentos.
A aplicação prática deste trabalho de conclusão de curso proporcionou o exercício nas áreas de controle digital, eletrônica, elétrica, comunicação e software de programação adquiridos ao longo do Curso Superior em Automação Industrial. A cada experimento, novas idéias surgiram acrescentando mais conhecimento ao que foi estudado e bem mais ao que se estava descobrindo.
Com a devida orientação, tais conhecimentos foram praticados em laboratório:
Aplicação dos sensores (IR), do motor de passo, da função PWM do microcontrolador PIC16F877 na placa de controle microprocessada e a própria programação do microcontrolador PIC16F877 para tarefas de controle de um sistema mecatrônico. Os sensores (IR) são importantes para detecção da trajetória pré-definida na superfície, o motor de passo, para tratar do posicionamento angular da direção do veículo; o sinal PWM responsável pelo sinal de controle para a velocidade dos motores CC através da sua tensão de entrada; e o algoritmo de controle relativo a cada um destes componentes em particular.
Os sensores (IR) são responsáveis pela detecção da trajetória pré-definida na superfície.
Eles simplesmente enviam à placa de controle microprocessada sinais digitais que serão transformados em informações úteis para os atuadores. Por isso, para o seu funcionamento desejável os sensores devem estar ligados perfeitamente e com a melhor distância possível entre eles e a superfície.
O motor de passo é responsável pelo posicionamento angular do veículo. Ele simplesmente segue os comandos fornecidos através do programa embarcado no microcontrolador. Por isso, para o seu funcionamento desejável o programa construído e as devidas ligações físicas na placa de controle microprocessada devem estar corretos.
Os dois motores CC são responsáveis pela movimentação independente do veículo a um determinado valor de tensão de entrada e também seguem os comandos fornecidos através da placa de controle. Por este motivo, o programa construído e as devidas ligações físicas na placa de controle microprocessada também devem estar corretos.
Contudo, a relevância está no uso do sinal PWM, uma função utilizada pelo microcontrolador PIC16F877, presente na placa de controle, a qual controla a tensão fornecida aos motores e por sua vez a velocidade de rotação, podendo-se variar a tensão de entrada aplicada em um dispositivo de corrente contínua utilizando apenas uma saída digital, tornando vantajosa sua aplicação. Esta não é a única vantagem de um gerador de sinal PWM, mas também o fato de apresentar um custo financeiro menor e ser mais simples de implementação que uma saída analógica. Perceba que o sinal PWM não exige alta potência da placa de controle microprocessada, minimizando assim o desgaste dos componentes.
A placa de controle, a qual utiliza o microcontrolador PIC16F877 é responsável pelo cálculo de ações pertinentes a tarefas de controle dos motores (CC e de passo). Toda a linguagem de programação deve ser construída num ambiente próprio para o mesmo, compilada e carregada para o microcontrolador PIC16F877 presente nela. Deve-se evitar deixar a placa microprocessada constantemente ligada, quando não a estiver utilizando, evitando o superaquecimento dos seus componentes vindo a danificar o equipamento e comprometendo o funcionamento.
Com a realização deste trabalho de conclusão de curso com o kit mecatrônico Feedback 40 – 100 concluiu-se o quanto é importante tratar corretamente o problema dos modos de operação do veículo de acordo com a tensão da bateria. A bateria fornece suprimento vital (alimentação) para o sistema, logo deve ser considerada a sua economia também.
Estes dois problemas afetam enormemente a navegabilidade do veículo e o tempo de autonomia, consequentemente prejudicando a missão (ou tarefa) do veículo.
Estes tópicos chamam atenção para alternativas de solução por controle ótimo (economia da bateria) e/ou controle adaptativo (adaptação das velocidades do motor à condição da bateria).
Todos os componentes do kit mecatrônico Feedback 40 – 100 expostos e o experimento envolvendo os mesmos foram apresentados neste trabalho de maneira clara, objetiva e aplicados ao assunto de robótica e mecatrônica, porém considerando este trabalho um complemento de informações no Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial.
Espera-se que o presente trabalho seja utilizado como documentação inicial para trabalhos futuros envolvendo este tipo de equipamento, podendo servir de material didático para o Curso Superior em Automação Industrial, e que através dele outros alunos possam exercitar ainda mais suas habilidades. Logo, pretende-se que este trabalho seja uma contribuição para o entendimento e a prática fundamentalmente aplicados em atividades da área tecnológica.
Referências Bibliográficas
CEFET-CAMPOS. “http://www.intranetcefetcampos.com”, Figura extraída em abril de 2006.
CLARK, D., OWINGS, M. “Building Robot Drive Trains”, Robot DNA Series, Ed. Mc Graw Hill. (2003).
FEEDBACK INSTRUMENT LIMITED,“Mechatronics Project Kit”, Feedback Instrument Limited, Crowborough, (2000).
“http://www.adlerplanetarium.org/.../exploration.html”, Figura extraída em dezembro de 2006.
“http://www.mcmanis.com/chuck/robotics/tutorial/h-bridge/index.html”, Figura extraída em agosto de 2007.
“http://www.netrino.com/Publications/Glossary/PWM.html”, Texto acessado em dezembro de 2006.
JUNG, C.R.; OSÒRIO, F.S.; KELBER, C.R.; e HEINEN, F. J. “Computação Embarcada: Projeto e Implementação de Veículos Autônomos Inteligentes.” XXV Congresso da Sociedade Brasileira de Computação (SBC), UNISINOS - São Leopoldo/RS, (2005).
JURY, E. I.“Theory and Application of the Z-Transform Method”, Krieger Pub Co, (1973).
LEMOS, A.M.N. e TORRES, F.T. “Navegação Autônoma de Veículos Terrestres.”
Trabalho de Conclusão de Curso em Ciência da Computação. Centro de Ciências Exatas e de Tecnologia. Unama. Belém/PA, (2003).
MICROCHIP, Data Sheet do PIC16F877. “http://www.microchip.com/”, Texto acessado em novembro de 2006.
SANTOS, H. J.“Curso de linguagem C”. UFMG, São Paulo. Apostila,126 p., (1997).
SCHERZ, P.“Pratical Eletronics for Inventors”, Second Edition, Ed. Mc Graw Hill, (2006).
SUÁRES, L. L. “Conhecimento Sensorial - Uma Análise Segundo a Perspectiva da Semiótica Computacional”. Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, Dissertação de Mestrado, UNICAMP - Campinas/SP, (2000).
APÊNDICE:
CONSIDERAÇÕES PRÁTICAS PARA OPERAÇÃO DO EQUIPAMENTO (KIT FEEDBACK 40 – 100)
A seguir são descritas algumas considerações importantes para a correta operação do equipamento, observadas e anotadas pelo autor deste trabalho de conclusão de curso durante o período em que esteve à frente deste trabalho.
Carregando a bateria
A bateria é de nickel-cadmium recarregável, especial para modelos eletrônicos, que pode ser carregada (ver figura 01) seguindo os passos abaixo:
1. Conecta-se um cabo de força a fonte de alimentação DC (corrente contínua) de 12 Volts;
2. Feito o passo 1, conecta-se ao limitador (adaptador);
3. Feito o passo 2, conecta-se por fim a própria bateria.
Figura 01 – Carregando a bateria
[Figura traduzida de (Mechatronics Project Kit, 2000)].
Observação: O tempo máximo de carga para as baterias do kit é de duas horas (ou entre 1.5 e 2 h) e esse tempo de carga deve ser respeitado para não danificar as mesmas.
Características da bateria:
Marca: Duratrax
Bateria: Shark DTX C2030
Modelo: Shark 1500MAH 7.2 Volts - 6 celulas-plug tamyia Made in china
Outras informações: “http://www.duratrax.com”
Características do Carregador:
Marca: Sunpower Modelo: MA15-120
Entrada: 100-240 Volts aproximadamente 1.0A Max 47-63Hz
Saída:+12...1.25A Made in Taiwan
Outras informações: “http://www.fbk.com”
Medição da tensão da bateria
É necessário fazer a medição da queda de tensão da bateria com um multímetro regularmente para saber com quanto ela estará à medida que for sendo feito um ou outro experimento. Isto interfere diretamente no desempenho do sistema, afetando enormemente a navegabilidade do veículo e o tempo de autonomia. Agindo dessa forma, o usuário poderá economizar a bateria e/ou adaptar as velocidades do motor à condição da bateria.
Ligar o equipamento
O equipamento sempre deverá ser ligado ou pelo professor responsável ou pelo(s) aluno(s), sob a orientação do próprio professor. Jamais o equipamento deve ser ligado somente pelo(s) aluno(s), sem a presença do professor responsável, a menos que o(s) aluno(s) esteja autorizado pelo professor e completamente familiarizado com o equipamento, evitando assim qualquer acidente.
Placa de controle microprocessada
A placa de controle microprocessada é o módulo central do sistema e merece todos os cuidados em suas ligações e operações. Deve-se evitar deixar a placa microprocessada constantemente ligada, quando não a estiver utilizando, evitando o superaquecimento dos seus componentes que podem danificar o equipamento e comprometer o funcionamento.
Ferramentas
As ferramentas necessárias para trabalhos com o kit feedback 40 -100 são: chave de fenda lisa pequena, chave de fenda pequena phillips, chave de boca 4mm, 5.5mm e 7mm, fio colorido múltiplo, alicate cortador de fio e descascador de fios. O usuário ainda poderá contar com uma fita adesiva para isolamentos elétricos, para proteção de alguns contatos ou ligações.
Ligações entre os terminais das placas
As ligações entre os terminais das placas (placa de controle microprocessada, placa de potência para o motor de passo e placa de potência para os motores CC) são feitas utilizando fios flexíveis de cobre, revestidos por material isolante. Os fios de cobre não vêm com o kit e por isso o usuário deverá tê-los cortados sempre com o tamanho ideal para a ligação entre as placas. Os fios não deveram ser muito rígidos, evitando que sejam partidos internamente e dificultem identificação de possíveis falhas de contato.
Parafusos dos terminais das placas
Os terminais das placas (placa de controle microprocessada, placa de potência para o motor de passo, placa de potência para os motores CC) dispõem de parafusos para o usuário fazer a ligação entre elas, através de fios de cobre, revestidos por material isolante. É importante não deixar os parafusos destes terminais folgados, caso estes não estejam conectados evitando que com isso eles venham a ser perdidos e comprometam o equipamento.
Manuseio do equipamento
Para manusear os sensores e as placas (placa de controle microprocessada, placa de potência para o motor de passo, placa de potência para os motores CC), o usuário deve segurá- las pelas laterais tomando o cuidado para não tocar nos componentes eletrônicos que estão contidos nestas para que não venham a ser danificados. O mesmo se aplica na hora em que os sensores e as placas estiverem ligados, onde o usuário jamais deve tocar com as mãos e nem introduzir nenhum objeto nos componentes eletrônicos. Muitos dos componentes são sensíveis à descarga eletrostática.
Modelo de engenharia e Modelo de corrida
Todos os dois kits mecatrônicos (Modelo de engenharia e Modelo de corrida) estão com todas as suas peças e componentes internos completos, funcionando perfeitamente e são utilizados separadamente. Nem todas as peças serão necessárias para a montagem de determinado experimento, tanto no modelo de engenharia, quanto no modelo de corrida, ficando a critério do usuário utilizar ou não todas as peças, lembrando que cada kit tem as suas próprias peças e elas não devem ser misturadas.
Guardando o equipamento
O equipamento depois de ter sido utilizado deverá ser guardado nas mesmas embalagens, no mesmo lugar exatamente como foi encontrado pelo usuário. Caso o próprio tenha dúvida de como fazê-lo, deverá sempre perguntar ao professor responsável.
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Com estas orientações e contando com o bom senso do usuário, tenho certeza que o equipamento será bem utilizado não somente por um, como por muitos outros, através
dos anos, ajudando muito a instituição, ao professor e ao próprio aluno, assim como me ajudou na realização deste trabalho de conclusão de curso!
Carlos Henrique Rodgero Frutuoso
ANEXO A:
CÓDIGO FONTE DO PROGRAMA PARA DEMONSTRAR A VARIAÇÃO DE TENSÃO MÉDIA NA SAÍDA DO CONTROLADOR (SINAL PWM)
#include <16f877.h> // Biblioteca com instruções mnemônicas do 16F877.
#fuses HS, NOWDT, NOPROTECT // Fusos( HS: oscilador de alta velocidade, NOWDT : não utiliza watchdog timer,NOPROTECT : o código não é protegido contra gravação.)
#use delay(clock=10000000) // Referência do delay: ciclos do microprocessador correspondentes a um segundo.
void main() // função retorna vazia { // inicio do programa
int1 x; // variável x - auxiliar na contagem de passos x=0; // inicialização da variável em x = 0
setup_ccp1(CCP_PWM); // ativando função PWM do PIC16f877 setup_timer_2(T2_DIV_BY_16, 255, 1); // configurando temp. do PIC16f877 output_c(0b00000100); // saída para os pinos da porta C do microcontrolador while (x==0) // enquanto a variável em x for igual ao valor 0
{ // inicio da instrução
set_pwm1_duty(130); // acionar a saída pwm 1 com 130% de duty cycle delay_ms(1000); // tempo de espera entre um passo e outro igual a 1 segundo set_pwm1_duty(0); // acionar a saída pwm 1 com 0% de duty cycle
delay_ms(3000); // tempo de espera entre um passo e outro igual a 3 segundo } // fim da instrução
} // fim do programa
ANEXO B:
CÓDIGO FONTE DO PROGRAMA PARA O MOTOR DE PASSO
#include <16f877.h> // Biblioteca com instruções mnemônicas do 16F877.
#fuses HS, NOWDT, NOPROTECT // Fusos( HS: oscilador de alta velocidade, NOWDT : não utiliza watchdog timer,NOPROTECT : o código não é protegido contra gravação.)
#use delay(clock=10000000) // Referência do delay: ciclos do microprocessador correspondentes a um segundo.
void main() // função retorna vazia { // início do programa
int1 x; // variável x - auxiliar na contagem de passos int8 z; // variável z - auxiliar na contagem de passos x=0; // inicialização da variável em x = 0
z=0; // inicialização da variável em z = 0
while (x==0) // enquanto a variável em x for igual ao valor 0 { // início da instrução
output_D(0b00000011); // saída para os pinos da porta D do microcontrolador delay_ms(1000); // tempo de espera entre um passo e outro igual a 1 segundo output_D(0b00000110);
delay_ms(1000);
output_D(0b00001100);
delay_ms(1000);
output_D(0b00001001);
delay_ms(1000);
z=z+1; // incremento
if (z==2) // se a variável em z for igual ao valor 2 x=1; // inicialização da variável em x =1 } // fim da instrução
z=0; // inicialização da variável em z = 0
while (x==1) // enquanto a variável em x for igual ao valor 1 { // início da instrução
output_D(0b00001001); // saída para os pinos da porta D do microcontrolador delay_ms(1000); // tempo de espera entre um passo e outro igual a 1 segundo output_D(0b00001100);
delay_ms(1000);
output_D(0b00000110);
delay_ms(1000);
output_D(0b00000011);
delay_ms(1000);
z=z+1; // incremento
if (z==2) // se a variável em z for igual ao valor 2 x=0; // inicialização da variável em x =0 } // fim da instrução
} // fim do programa
ANEXO C:
CÓDIGO FONTE DO PROGRAMA COM FUNÇÃO PWM DO MICROCONTROLADOR PIC16F877 PARA O MOTOR CC
#include <16f877.h> // Biblioteca com instruções mnemônicas do 16F877.
#fuses HS, NOWDT, NOPROTECT // Fusos( HS: oscilador de alta velocidade, NOWDT : não utiliza watchdog timer,NOPROTECT : o código não é protegido contra gravação.)
#use delay(clock=10000000) // Referência do delay: ciclos do microprocessador correspondentes a um segundo.
void main() // função retorna vazia { // início do programa
setup_ccp1(CCP_PWM); // ativando função PWM do PIC16f877
setup_timer_2(T2_DIV_BY_4, 127, 1); // configurando temp. do PIC16f877 while (1) // enquanto expressão lógica verdadeira { // início da instrução
set_pwm1_duty(120); // acionar a saída pwm 1 (120% de duty cycle)
} // fim da instrução } // fim do programa