TÍTULO: ELÉTRICA DE UM SISTEMA DE CONTROLE DE UM PÊNDULO INVERTIDO APLICADO AO TRANSPORTE DE CARGA
TÍTULO:
CATEGORIA: EM ANDAMENTO CATEGORIA:
ÁREA: CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA ÁREA:
SUBÁREA: Engenharias SUBÁREA:
INSTITUIÇÃO(ÕES): FACULDADE DE JAGUARIÚNA - FAJ INSTITUIÇÃO(ÕES):
AUTOR(ES): TIAGO ARMANDO GÁSPERI ALMEIDA AUTOR(ES):
ORIENTADOR(ES): RAPHAEL ISSAMU TSUKADA ORIENTADOR(ES):
PROJETO ELETRICO DE UM SISTEMA DE CONTROLE DE UM PENDULO INVERTIDO, APLICADO A UM ROBO SEGUIDOR PESSOAL PARA
TRANSPORTE DE CARGA.
Electronic project of a control system of an invested pendulum, applied to a personal following theft for cargo transport.
ALMEIDA, Tiago Armando Gásperi Universidade de Jaguariúna
Resumo: Este trabalho tem como objetivo auxiliar o transporte de carga por meio de um robô assistente pessoal e terá seu ângulo de equilíbrio mantido por um controle PID (controle de processos que une as ações derivativa, integral e proporcional) e seu deslocamento controlado por rádio frequência e por sensor de luz infravermelho. Pretende-se, portanto, controlar o ângulo de rotação de um pêndulo invertido mantendo seu equilíbrio vertical, monitorando sua aceleração e inclinação, tendo como referência 90° em relação a horizontal, com a finalidade de transportar uma carga evitando o esforço físico de uma pessoa. Na modelagem do sistema elétrico a ser desenvolvido será arquitetado um esquema de comunicação cabeado entre os micros controladores, motores e sensores junto com a alimentação através de uma fonte 12V. Espera-se dos resultados práticos obtidos um alto grau de confiabilidade em relação à teoria aplicado, e indicativo de potencialidade prática do trabalho proposto.
Palavras chave: Pêndulo invertido. Robô transportador. Robô seguidor pessoal.
Abstract: This work aims to assist the transport of cargo through a personal assistant robot and will have its equilibrium angle maintained by a PID control (process control that joins the derivative, integral and proportional actions) and its displacement controlled by radio frequency and by infrared light sensor. It is intended, therefore, to control the angle of rotation of an inverted pendulum maintaining its vertical balance, monitoring its acceleration and inclination, having as reference 90 ° in relation to the horizontal, in order to carry a load
avoiding the physical effort of a person . In the modeling of the electrical system to be developed, a wired communication scheme will be designed between the microcontrollers, motors and sensors together with the power supply through a 12V source. It is expected from the practical results obtained a high degree of reliability in relation to the applied theory, and indicative of practical potentiality of the proposed work.
Keywords: Inverted pendulum. Conveyor robot. Personal follower robot.
INTRODUÇÃO
Controlar um pêndulo invertido é um projeto clássico na disciplina de sistemas de controle. Este princípio é utilizado em lançamento de foguetes ao espaço, simular testes em sistemas de veículos espaciais ou no controle de equilíbrio de robôs, “Um pêndulo invertido típico é um dispositivo físico que se consiste de uma barra cilíndrica, usualmente metálica, a qual é livre para movimentar em torno de um ponto fixo” (RIBEIRO, 2007). O sistema pêndulo-carro-motor necessita ser modelado como um sistema linear para que todos os seus parâmetros sejam identificados para ser projetado um controlador a fim de estabilizá-lo. A identificação destes parâmetros auxiliará o projeto de um controlador PID, assim como a definição dos controladores e sensores a serem utilizados neste projeto.
OBJETIVOS
Este trabalho tem como objetivo desenvolver e implementar um processo de controle capaz de estabilizar um pêndulo invertido sobre rodas, sujeito a ruídos aleatórios, em torno de sua posição superior baseando-se num controlador clássico digital. Partindo-se deste princípio, pretende-se desenvolver um robô auxiliar pessoal para transportar pequenas cargas, como sacola de supermercado também poderá ser utilizada para transporte de ferramentas como um auxiliar mecânico, por exemplo, evitando deste modo sobrecarga desnecessária sobre articulações e membros.
DESENVOLVIMENTO
O primeiro trabalho sobre o controle de um pêndulo invertido em torno de uma posição de equilíbrio instável foi publicado em 1960, com a tese de bacharelado de J. K. Roberge no instituto de tecnologia de Massachusetts. Logo se seguiu a publicação de outro trabalho com a mesma temática, produzido em 1966 por J. F. Schaefer e R. H. Cannon. Um dos veículos baseados neste princípio mais famosos é o Segway R Personal Trans-porter (Figura 1), que foi lançado em 2001 e desenvolvido por Dean Kamen. “Para compreender e controlar sistemas complexos é conveniente obter modelos matemáticos quantitativos dos mesmos. Para isto é necessário analisar as relações entre as variáveis do sistema e obter um modelo matemático o mais preciso possível. ” (RIBEIRO, 2007). O projeto segue de forma linear, e algumas de suas etapas serão dependentes entre si. Será projetado um sistema mecânico na configuração de pêndulo invertido sobre rodas, com o uso de software de desenho computacional. Esta etapa fornecerá parâmetros de inercia e massa do sistema, também suas propriedades geométricas e de densidade das suas peças. O modelo matemático do sistema será então equacionado e linearizado, adotando as hipóteses pertinentes. As equações resultantes serão levadas ao domínio da frequência através das transformadas de Laplace para revelar as funções de transferência do sistema.
“Usa-se uma malha de controle com o objetivo de estabilizar a haste do pêndulo na posição vertical. Isso é possível exercendo-se uma força que movimenta o carro e tende a contrabalançar a dinâmica natural do pêndulo. ” (SILVA, 2013). Outros problemas relativos a serem enfrentados são por conta de todos os componentes eletrônicos a serem utilizados para a montagem do projeto, bem como um grande entendimento dos (amplificadores, inversores, capacitores, transistores, ruído gerado, picos de corrente, reguladores de tensão, etc.). Através de estudos e discussões em grupo definimos que alguns dos componentes que utilizaríamos no sistema seriam: Protoboard, Arduino, Baterias 12V, Sensores, 2 motores DC (a provavelmente o auxilio de servos motores). Que estão interligados através de um diagrama de bloco (Figura 2)
Figura 2: Diagrama de blocos (ARAUJO, 2011).
Os sensores que deverão ser utilizados para elaboração do projeto são os sensores de medição inercial SEN-11072 (breakout board) (Figura 3), fornecidos pela empresa Sparkfun Electronics.
Figura 3: SEN-11072
“Uma breakout board nada mais é que uma placa de circuito impresso (PCI) que serve para receber e distribuir conexões por fio rápidas e limpas através de conectores ou pinos. ” (TORIGE, 2013). E suas principais características são:
• Escala de 500o/s
• 9, 1mV/o/s de sensitividade • Tensão de 2.7V à 3.3V • Offset 1.35V
Com um acelerômetro de 3 eixos ADXL-335: • Leitura na escala de +/- 3g
• Sensitividade de 330 mV/g • Saída de 1,65V a 0g
• Tensão de operação de 1.8V à 3.6V
Além dos sensores de luz infravermelho (sensores de proximidade) que serão utilizados para a detectar objetos a sua frente a fazer sua correção de rota, controlados através de rádio frequência.
Os motores que serão utilizados para a locomoção e equilíbrio do veículo são os motores de escovas MY1016 (Figura 4) que são usados em scooters elétricas. Tendo sua tensão de operação de 24V e potencia de 250W.
A seguir algumas das especificações técnicas do motor: • Rotação de 2750RPM
• Corrente de 13,7A • Pinhão de 11 dentes
Figura 4: Motor MY1016
Para o controle de direção e velocidade dos motores, poderão ser utilizados o Sabertooth 2X25 (Figura 5) que através da variação da tensão de entrada e ajuste da polaridade será capaz de direcionar o seu movimento para corrigir a inclinação e se locomover. A Sabertooth 2X25 é capaz de fazer o controle de dois motores simultâneos.
Figura 5: Sabertooth 2X25
“O Sabertooth 2x25 é um controlador versátil, eficiente e fácil de ser utilizado. Através dele podem-se controlar dois motores de corrente contínua, podendo fornecer 25A contínuos por canal” (TORIGE, 2013).
O veiculo será guiado por um acelerômetro e terá auxilio do giroscópio, o equipamento mais comum utilizado para o processamento dos sinais dos sensores para o controle dos motores é o Arduino (Figura 6). “O Arduino é uma plataforma open-source de microcontroladores para prototipagem eletrônica e desenvolvimento de software” (TORIGE, 2013). O modelo que poderá ser utilizado neste projeto é o Arduino Mega 2560 R3, considerado uma das versões com maior poder de processamento.
Figura 6: Placa do Arduino Mega 2560 R3
Para ser utilizado como um transportador de cargas necessita-se de baterias como fonte de alimentação para a unidade de processamento e os motores, serão utilizadas duas baterias seladas de 12V com capacidade de 9Ah.
Para ser desenvolvido o controle do veículo precisa-se de uma correta leitura dos sensores (mediante os conversores analógicos-digitais do Arduino) para isso é feito o ajuste da posição zero (offset) das escalas dos sensores, o sinal que o acelerômetro terá como saída é uma tensão que será proporcional a aceleração em seu eixo.
O controle dos motores DC será feito através de uma das opções de controle do módulo Sabertooth, que não foi definido ainda, mas poderá ser feito
pela operação de serial simplificado, e com apenas um comando pode ajustar a direção e velocidade dos motores, facilitando a interface do controlador
A locomoção do veículo é feita através de sua inclinação, quanto maior a inclinação do veículo, maior deve ser a respostas das rodas assim aumentando sua velocidade, para isso deverá ser utilizado um controlado PID, com base nos estudos realizados foi previsto problemas com ruídos nas leituras dos sensores, para resolver este problema será necessário a utilização de um filtro para minimizar estes ruídos, por exemplo o filtro de Kalman que “É um algoritmo que utiliza uma séria de medições ruidosas dos sensores ao longo do tempo e a partir delas tenta estimar o estado do sistema baseando-se nos estados atual e anterior” (TORIGE, 2013) e pode ser uma solução para este futuro problema.
Para o desenvolvimento da rotina de controles será necessário a criação de um diagrama de blocos (Figura 7) da malha de controle
Figura 7: Malha de controle (TORIGE, 2013)
A integração de todos estes componentes será melhor visualizada através de um diagrama elétrico (Figura 8) onde será demonstrado as principais conexões dos componentes utilizados
Figura 8: Diagrama elétrico (TORIGE, 2013)
CONCLUSÃO
O objetivo deste trabalho foi o estudo para a construção de um robô seguidor pessoal aplicado para o transporte de cargas e controle de um pendulo invertido, com o foco em seu sistema elétrico, assim compreendendo todos os desafios e problemas a serem enfrentados em seu futuro desenvolvimento e construção do projeto.
Após estudo realizado foram identificados alguns problemas que deveram ser solucionados, como a escolha correta dos componentes elétricos e eletrônicos para melhor aplicação no projeto, para a realização deste projeto deverão ser utilizados os componentes citados acima como o sensor SEN-11072, motores MY1016, controlador Sabertooth 2X25, microprocessador Mega 2560 R3, mas que ao longo de seu futuro desenvolvimento poderão ser substituídos por outros modelos ou versões caso seja identificado que não nos atenderam da forma esperada.
Outra questão que provavelmente deverá ser resolvida é o problema com ruídos na leitura dos sinais nos sensores, que já está antecipadamente sendo prevista com base nos estudos prévios para a realização de projeto, para tal problema será aplicado um filtro, e inicialmente será aplicado o filtro de Kalman para tentar solucionar tal problema.
Para ser obtido sucesso na construção de tal projeto precisa-se de um controle preciso sobre a inclinação da plataforma e um ajuste fino quanto a seu ângulo de inclinação, este deverá ser o maior desafio enfrentado para a conclusão do projeto, pois o veículo deve manter seu equilíbrio sem interferência externa, para isso será aplicado uma rotação nas rodas em direção da queda até que o ângulo de queda seja corrigido e o veículo volte ao equilíbrio, que será aplicado através de um controle PID com os termos integral e derivativos zerados.
E finalmente serão aplicados os sensores infravermelhos que através de um comando via rádio frequência irão controlar a movimentação do veículo e evitar que ele colida com os obstáculos encontrados pelo caminho.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. SILVEIRA, C. B. O Controle PID de Forma Simples e Descomplicada.
Universidade Estadual Paulista (UNESP), 2016.
2. MATSUSAKI, C. T. M. Modelagem de sistemas de controle colaborativos para sistemas produtivos. São Paulo, 2014
3. RIBEIRO, R. Implementação de um sistema de controle de um pêndulo invertido. Universidade federal de Itajubá, 2007.
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5. DELGADO NETO, G. G.; ALKMIN E SILVA, L. C.; VIEIRA, V. C.; DEDINI, F. G. Aplicação do roteiro crítico de projeto em curso de graduação – CONEM. Salvador, 2008
6. DORF, R.; BISHOP, R. Sistemas de Controle Modernos. 11° ed. Rio de Janeiro, LTC, 2009.
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10. TORIGE, G. L. CONSTRUÇÃO DE UM PROTÓTIPO DE UM VEÍCULO AUTO-EQUILIBRANTE. PUC Rio Grande do Sul, 2013.
11. ROBOLIV. Disponível em: <http://www.roboliv.re/conteudo/sensor-de- infravermelho> Acesso em 12 de maio de 2018.
12. IBYTES. Disponível em: <http://www.ibytes.com.br/como-funciona-o-sistema-de-radio-controle-atraves-da-radiofrequencia/> Acesso em 12 de maio de 2018.
13. LABORATORIO DE GARAGEM. Disponível em:
<http://labdegaragem.com/profiles/blogs/tutorial-emissor-e-receptor-infra-vermelho-com-arduino?xg_source=activity> Acesso em 26 de maio de 2018.
