Missão: “Formar Profissionais capacitados, socialmente responsáveis e aptos a promoverem as transformações futuras”.
JHONATAN OLIVEIRA BATISTA
VEÍCULO GUIADO AUTOMATICAMENTE - AGV: APLICADO PARA MEDIÇÃO DE GASES EM ESPAÇO CONFINADO
FOZ DO IGUAÇU-PR 2018
JHONATAN OLIVEIRA BATISTA
VEÍCULO GUIADO AUTOMATICAMENTE - AGV: APLICADO PARA MEDIÇÃO DE GASES EM ESPAÇO CONFINADO
Monografia apresentada ao Curso de Engenharia Elétrica do Centro Universitário Dinâmica das Cataratas como requisito para obtenção do título de bacharel em Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. Dr. Breno Carneiro Pinheiro
FOZ DO IGUAÇU-PR 2018
JHONATAN OLIVEIRA BATISTA
VEÍCULO GUIADO AUTOMATICAMENTE - AGV: APLICADO PARA MEDIÇÃO DE GASES EM ESPAÇO CONFINADO
Monografia do trabalho de conclusão de curso para obtenção do título de Engenheiro Eletricista apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica do Centro Universitário Dinâmica das Cataratas, aprovado pela comissão julgadora:
Orientador: Prof. Dr. Breno Carneiro Pinheiro Professor do Centro Universitário Dinâmica
das Cataratas
Prof.
Professor do Centro Universitário Dinâmica das Cataratas
Marcelo Henrique Manzke Brandt
Professor do Centro Universitário Dinâmica das Cataratas
RESUMO
BATISTA, Jhonatan, O. VEÍCULO GUIADO AUTOMATICAMENTE - AGV: APLICADO PARA MEDIÇÃO DE GASES EM ESPAÇO CONFINADO. 61 f. Trabalho de Conclusão de Curso - Curso de Engenharia Elétrica, Centro Universitário Dinâmica das Cataratas, Foz do Iguaçu 2018.
A atuação da robótica está tendo cada vez mais interação na vida do homem devido a grande complexibilidade e quantidade de processos que existem atualmente. Isso fez com que a aceitação da robótica fosse feita de modo bastante positivo por conta das inúmeras vantagens que pode ser oferecidas. E com as plataformas de linguagem aberta serem uma das opções mais visadas por conta do seu baixo custo, cada vez mais os processos estão sendo automatizados e minimizando a participação braçal do trabalhador no processo. Além dessa participação, a robótica também pode ser utilizada para a atuação no sentido de manter a segurança e integridade física do trabalhador, sendo que ele pode ser exposto ao invés de uma pessoa. Este trabalho tem por fundamento elaborar um protótipo que atue de forma autônoma em espaços confinados para realizar medições de partículas de gás e alertar o trabalhador sobre a presença ou ausência de gás presente no interior desse ambiente através de alertas sonoro e visual. Esse protótipo será controlado por uma plataforma arduino e guiado por sensoriamento. Os testes serão realizados em uma plataforma com uma trilha pré-estabelecida para verificar o correto funcionamento do protótipo quanto a desejada aplicação.
ABSTRACT
BATISTA, Jhonatan, O. AUTOMATICALLY GUIDED VEHICLE - AGV: APPLIED FOR MEASUREMENT OF GASES IN CONFINED SPACE. 61 f. Course Completion Work - Electrical Engineering Course, Dynamic University Center of the Falls, Foz do Iguaçu 2018.
The performance of the robotics is having each time more interaction in the life of the man due the great complexity and amount of processes that exist currently. This made with that the acceptance of the robotics was made in sufficiently positive way on account of the innumerable advantages that can be offered. E with the platforms of open language to be one of the options more aimed at on account of its low cost, each time more the processes is being automatized and minimizing the manual participation of the worker in the process. Beyond this participation, the robotics also can be used for the performance in the direction to keep the security and physical integrity of the worker, being been that it can be displayed instead of a person. This work has for bedding to elaborate an archetype that acts of independent form in confined spaces to carry through gas particle measurements and to alert to the worker on the presence or present gas absence in the interior of this environment through you alert sonorous and visual. This archetype will be controlled for a platform arduino and guided by sensors. The tests will be carried through in a platform with a preset track to verify the correct functioning of the archetype how much the desired application.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Arduino Uno ... 7
Figura 2 - Shields Para Arduino Variados ... 8
Figura 3 - Software IDE ... 9
Figura 4 - Entradas de Alimentação Arduino ... 12
Figura 5 - Conectores de alimentação para Shields e módulos ... 13
Figura 6 - Microcontrolador ATMEGA16U2 ... 14
Figura 7 - Microcontrolador ATMEGA 2560 ... 14
Figura 8 - Visão geral dos recursos do Arduino MEGA2560 ... 16
Figura 9 - Exemplo de motores de corrente contínua (CC) ... 16
Figura 10 - Principio de funcionamento do motor CC ... 18
Figura 11 - exemplo de modulação de onda ... 19
Figura 12 - formato da ponte H ... 20
Figura 13 - Visão geral do motor shield L293D ... 21
Figura 14 - Exemplo de sensores para arduino ... 22
Figura 15 - Sensor TCRT5000 ... 23
Figura 16 - Diagrama interno do sensor ... 24
Figura 17 - Sensor de gás inflamável e fumaça - MQ-2 ... 24
Figura 18 - Estrutura de um LED ... 25
Figura 19 - Buzzer ... 26
Figura 20 - Chassi com parafusos, porcas e partes para fixação dos motores ... 29
Figura 21 - 4 motores DC ... 30
Figura 22 - 4 Rodas ... 31
Figura 23 - Arduino MEGA 2560 ... 33
Figura 24 - Motor Shield L293D Driver ponte H ... 34
Figura 25 - Módulo Sensor IR 3 canais ... 35
Figura 26 - Suporte com as pilhas ... 37
Figura 27 - LED's instalados no protótipo ... 38
Figura 28 - Acompanhamento pelo monitor serial ... 41
Figura 29 - Em "A" o gás foi detectado. Em "B" dentro do limite máximo ... 42
Figura 30 - Verificação visual de rotação dos motores ... 43
Figura 31 - Identificação dos motores lado direito e esquerdo ... 44
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 1 1.1 Justificativa ... 2 1.2 Proposta ... 2 1.3 Objetivo ... 2 1.3.1 Geral ... 2 1.3.2 Específicos ... 3 2 DESENVOLVIMENTO/REFERENCIAL TEÓRICO ... 5 2.1 Conceito ... 5 2.1.1 Robôs Pessoais ... 5 2.1.2 Robôs de Serviço ... 5 2.1.3 Robôs de Campo ... 5 2.1.4 Robôs Industriais ... 5
2.2 Veiculo Guiado Automaticamente (AGV) ... 6
2.2.1 Arquitetura ... 6 2.3 Arduino ... 6 2.3.1 Hardware ... 8 2.3.2 Software ... 8 2.3.3 Princípios de Operação... 10 2.3.4 Escolha Do Arduino ... 10 2.3.5 Arduino Mega 2560 ... 11
2.3.5.1 Introdução Arduino Mega 2560 ... 11
2.3.5.2 Alimentação ... 11
2.3.5.3 Conectores De Alimentação Para A Conexão De Shields E Módulos ... 12
2.3.5.4 Comunicação Usb ... 13
2.3.5.5 Microcontrolador Utilizado ... 14
2.3.5.6 Pinos De Entrada E Saída Da Placa Arduino Mega 2560 ... 15
2.4 Motor De Corrente Contínua (CC) ... 16
2.4.1 Introdução... 16
2.4.2 Aspectos Construtivos ... 17
2.5 Método De Controle Por PWM ... 18
2.6 Ponte H ... 19
2.7 Motor Shield L293D ... 20
2.8 Sensores ... 21
2.8.1 Sensor Óptico Refletivo TCRT5000 ... 22
2.8.1.1 Funcionamento ... 23
2.8.2 Sensor de gás inflamável e fumaça - MQ-2 ... 24
2.9 LED ... 25
2.10 Buzzer ... 25
2.11 Pilha Alcalina ... 26
2.12 Norma Regulamentadora 33 (NR-33) - Segurança e Saúde nos trabalhos em espaço confinado ... 26
2.13 Espaço confinado ... 27
2.14 NBR 14787 Espaço Confinado - Prevenção de acidentes, procedimentos e medidas de proteção ... 27 3 DESENVOLVIMENTO ... 29 3.1 Chassi ... 29 3.2 Motores ... 30 3.3 Rodas ... 31 3.4 Arduino MEGA 2560 ... 32
3.5 Motor Shield L293D Driver ponte H ... 33
3.6 Módulo Sensor IR 3 canais ... 34
3.7 Sensor de gás inflamável e fumaça - MQ-2 ... 35
3.8 Buzzer ... 36 3.9 Pilhas Alcalinas ... 36 3.10 LED ... 37 4 METODOLOGIA ... 39 4.1 Problema ... 39 4.2 Projeto ... 40
4.2.1 Testes de módulo IR de 3 canais ... 40
4.2.2 Testes de sensor de gás e fumaça MQ-2 ... 41
4.2.3 Testes de controle dos 4 motores ... 42
4.3 Resultados ... 45
4.3.1 Principais Erros ... 45
4.3.2 Resultados Positivos ... 46
5 CONCLUSÃO ... 49
1 INTRODUÇÃO
O inicio do desenvolvimento de dispositivos capazes de realizar trabalhos de maneira autônoma começou no século XVIII em indústrias têxteis, no qual tinha-se o foco em automatizar as operações industriais, dando início a revolução industrial. Isto fez com que as empresas investissem em suas linhas de produção a fim de se manter de forma competitiva com as outras indústrias.
A partir de então, novas tecnologias vem sendo desenvolvidas para atender a crescente necessidade do mercado de cada vez produzir maiores quantidades em menor tempo possível. Isso influenciou a expansão das máquinas automatizadas, que oferecem sistemas de produção mais eficiente e barato.
Existem atualmente veículos móveis que podem ser teleoperados, onde sua atuação depende do manuseio humano à distância, ou de forma autônoma que é a operação com pouca ou nenhuma interação do ser humano em seu funcionamento.
Diversos setores industriais, comerciais e até mesmo de entretenimento vem se beneficiando de tecnologias autônomas para solucionar os seus problemas. Podemos citar de exemplos o uso de plataformas móveis em indústrias aplicados em armazéns, em serviços hospitalares para transporte de material humano (urina, sangue, fezes, etc), em restaurantes para transporte de alimentos pedidos pelo cliente e após a refeição recolher a louça utilizada. Na parte de entretenimento pode citar o uso de robôs autônomos em gincanas, nos quais são submetidos os robôs a caminhos para competição.
O fato da inclusão dos robôs nos processos garantem também diminuição de riscos de acidentes no processo de produção, manutenção ou até instalação, de forma a submeter o robô ao risco no lugar do trabalhador.
Além dos riscos que podem ser submetidos o trabalhador como: queda de altura, amputação de membros, esmagamento, atropelamento, entre outros. Existem os riscos que podem não ser vistos ao olho humano mas que podem causar danos ao trabalhador. Tais riscos são: intoxicação por gases, asfixia por falta de oxigênio ou até mesmo material suspenso no ar que tenha potencial para afogar o trabalhador.
Por conta disso, existem normas de segurança que regulamentam esses tipos de serviço e exigem que seja feita medição antes de entrar em um ambiente que possa conter
gases no seu interior. E é durante essa medição que podem ocorrer acidentes com o trabalhador devido aos efeitos que os gases podem causar no organismo humano.
1.1 Justificativa
A cada dia, a robótica está cada vez mais fazendo parte da vida das pessoas, seja na indústria, no comércio, nas residências e até mesmo no transporte. Atualmente o custo da aplicação e a facilidade de desenvolvimento de mecanismos robóticos estão cada vez mais acessíveis por conta da facilidade de se obter informação e por ter plataformas de linguagem livre.
Com a inclusão robótica cada vez maior, facilitou muito o estudo de novos meios de facilitar o trabalho e a acessibilidade das pessoas através de protótipos. E as plataformas de linguagem aberta já são vistas como um meio de baratear o custo da implementação da automação em diversas áreas.
1.2 Proposta
Este trabalho visa apresentar um protótipo de um AGV com tração elétrica, controlado por arduino e guiado por sensores. O AGV deve se movimentar sobre um caminho predefinido de cor oposta ao plano que está exposto, que será a trilha na cor preta. Através da leitura dos sensores realizada pelo trajeto serão enviados sinais elétricos para a plataforma arduino. Através dos valores recebidos pelos sensores, o arduino irá comandar a velocidade e a direção de rotação dos motores elétricos. Serão realizadas medições de gases presentes dentro do espaço confinado através de um sensor de detecção de gás e fumaça e que, através dos valores enviados para o arduino irá emitir ou não um sinal sonoro e luminoso para identificar a presença ou não do gás.
1.3 Objetivo 1.3.1 Geral
Desenvolver um protótipo de veículos através de conceitos de Veículo Guiado Automaticamente (AGV) para que ele realize a função de medir a presença de gases dentro de um espaço confinado. O objetivo principal é proporcionar segurança ao trabalhador que irá realizar o trabalho dentro de um ambiente confinado, diminuindo a chances de ocorrer um acidente com os gases presentes dentro de um espaço confinado.
1.3.2 Específicos
Para alcançar o objetivo geral deverá ser necessário dos seguintes objetivos específicos:
- Aprofundar os conhecimentos sobre robótica; - Aprimorar os conhecimentos de programação;
- Pesquisar sobre o funcionamento de cada componente necessário para a construção do protótipo;
- Verificar os possíveis perigos sobre o espaço confinado;
- Obter conhecimento das normas regulamentadoras para a realização de trabalha dentro desse espaço;
- Verificar a melhor solução possível para os problemas encontrados durante as pesquisas;
- Verificar os componentes corretos para a aplicação proposta pelo projeto; - Achar a melhor solução de alertar sobre os riscos identificados pelo protótipo.
2 DESENVOLVIMENTO/REFERENCIAL TEÓRICO
2.1 Conceito
O conceito robô é definido como "maquina controlada por computador" e são programados para realizar diversos tipos de trabalho, tais como: manipular e mover objetos. A vantagem de se utilizar um robô ao invés de um ser humano é que ele executa tarefas de forma mais rápida, mais eficiente em determinados momentos, atividades repetitivas sem demonstrar cansaço, de modo mais barato (PSCHEIDT, 2007).
Os robôs são divididos em diversos grupos de acordo com suas funcionalidades: 1. Robôs Pessoais;
2. Robôs de Serviço; 3. Robôs de Campo; 4. Robôs Industriais. 2.1.1 Robôs Pessoais
São robôs voltados para interagir com o ser humano na forma de entretenimento, ajuda doméstica, mas sem realizar nenhuma tarefa.
2.1.2 Robôs de Serviço
São utilizados tanto em ambientes externos e internos. Tem a necessidade de se conhecer o ambiente no qual estão trabalhando e deve ter autonomia para reconhecer, processar informações e atuar em alguns casos encontrados no ambiente.
2.1.3 Robôs de Campo
Ao contrário dos robôs de serviço, o grupo de robôs de campo atua em locais de pouco conhecimento para a realização de tarefas como: desarmar bombas, exploração, limpeza de acidentes químicos, etc.
2.1.4 Robôs Industriais
Esses robôs são utilizados nas linhas de produção para executar tarefas industriais seguindo sempre uma sequência de ações. Devem sempre conhecer o ambiente no qual será instalados e saber exatamente a sua posição para definir uma tomada de decisão. Aplicados
em linhas de montagem de produtos, transportes de materiais e atividades pesadas realizadas dentro da indústria.
2.2 Veículo Guiado Automaticamente (AGV)
Os Veículos Guiados Automaticamente (AGV's) são máquinas autônomas capazes de se deslocarem em trajetos predefinidos sem a necessidade de um condutor humano. Foram desenvolvidos para receber e executar instruções, seguir um caminho, fazer a distribuição de material em indústrias. São excelentes para se adequar em áreas apertadas, se adaptam facilmente a mudança de rota, são bastante flexíveis e demandam pouca manutenção (ANDRADE D. S., 2013).
A ideia do AGV é baseada no desenvolvimento de um sistema modular para a aplicação de seus diversos campos de atuação. A função inicial do AGV era que:
• O custo de investimento e planejamento fosse baixo, de modo que fosse facilmente instalado;
• A aplicação fosse de forma flexível;
• Sua manipulação fosse fácil para melhorar a produtividade e a qualidade de serviço (PSCHEIDT, 2007).
Um dos ganhos do AGV, além da produtividade e controle, é a segurança pois estes sistemas podem ser equipados com sensores ópticos e ultrassônicos para que se evite colisões com obstáculos ou acidentes dentro da fábrica, os quais são problemas corriqueiros (excesso de velocidade e falta de atenção) quando se trata de condução por operadores e sua velocidade programada de forma que seja constante (HAMMOND, 1986).
2.2.1 Arquitetura
A arquitetura se dá através de um software ou hardware que é utilizado para o controle do robô inteiro para sua movimentação e suas ações que são tomadas em situações variáveis. E para esse projeto foi utilizado a plataforma arduino e seus acessórios para a montagem desse protótipo, os quais serão descritos a seguir.
2.3 Arduino
Arduino é uma plataforma de prototipagem eletrônica projetada em 2005 na Itália por um grupo de pesquisadores. O objetivo desse projeto era criar um dispositivo que fosse de
baixo custo de implementação, que tivesse diversas funções disponíveis e que fosse fácil fazer a programação para que dessa forma fosse de fácil acesso a estudantes e pessoas que queriam projetar, mas não tinham muita experiência e conhecimento com sistemas de automação. Essa plataforma conta com software e hardware livres, o que significa que qualquer pessoa que tenha interesse em modificar, montar, programar e personalizar a plataforma arduino, pode realizar essas mudanças por ter código aberto (THOMSEN, 2014).
Figura 1 - Arduino Uno
Fonte: (MOTA, 2017).
A plataforma arduino possibilita adicionar Shields, que são acessórios que acrescentam mais funcionalidades, como: sistema de localização (GPS), sistema de conexão wireless (WI-FI), conexão Bluetooth (que é uma tecnologia sem fio que permite a troca de dados com outros dispositivos que sejam dotados com essa conexão), sensor de umidade, sensores de presença, sensores ultrassônico, display, entre diversos outros (CAMPOS, 15).
Figura 2 - Shields Para Arduino Variados
Fonte: (SANTOS, 2016) 2.3.1 Hardware
Muitos dizem que o arduino é um microcontrolador, porém ele é somente uma plataforma de desenvolvimento que utiliza um microcontrolador AVR da Atmel (Atmel é fabricante de microcontroladores AVR). Microcontrolador é como um processador de computador, porém esse dispensa o uso de memória RAM externa e armazenamento para o programa, pois tudo isso já está incluso no seu interior. Internamente já contém memória RAM para arquivar os dados, uma unidade para ser realizado o processamento das informações e memória para armazenar o programa. A diferença entre o processador e o microcontrolador está no tempo de processamento, pois o microcontrolador possui um desempenho inferior por conta de sua finalidade de utilização ser outra (TANCIO, 2013).
Além de conter microcontrolador, a plataforma arduino conta com diversos outros componentes que serão descritos mais a frente.
2.3.2 Software
A IDE (Integrated Development Environment, ou Ambiente de Desenvolvimento Integrado) é um software de programação que permite a criação de "esboços" de programação para arduino. Depois de realizado o "esboço" de programação, é possível efetuar a sua transferência para o arduino fazendo o upload da IDE, que vai realizar um processo de adaptação da linguagem a ser transferida. O primeiro passo é traduzir a programação para a
linguagem C e que a seguir, é transferida a um compilador AVR-GCC que traduz a linguagem em parâmetros de leitura entendíveis para o microcontrolador (SOUZA, 2013).
A IDE nada mais é que um compilador de linguagens de programação GCC que é uma derivada das linguagens Wiring e Processing, possibilitando assim a programação em C e C++ que é a linguagem adotada pelo arduino (BITTENCOURT, 2017).
A IDE é uma multi-plataforma que pode ser instalada em diversos sistemas operacionais (Linux, MAC OS X, Windows) e é dedicada para arduino disponibilizando diversos exemplos de códigos e opções (TANCIO, 2013).
Figura 3 - Software IDE
2.3.3 Princípios de Operação
O arduino tem seu funcionamento semelhante ao de um pequeno computador, que possibilita a interpretação de entradas e controle das saídas para criar um sistema automático, conforme a necessidade do projeto aplicado. Quando é dito programar, quer dizer impor ao controlador quais serão suas decisões à tomar de acordo com as circunstancias em que ele será submetido. Essa programação é um código no qual tem uma sequência lógica de tomada de decisões que levam em consideração as entradas que serão fornecidas e as saídas no quais irão ser controladas. Toda essa programação é feita no IDE (MOTA, 2017).
O ciclo de programação do arduino pode ser dividido em 4 etapas:
1- Conectar a placa arduino com uma porta USB do computador através de um cabo USB;
2- Desenvolvimento de um "esboço" de programação que contenha comandos para a placa;
3 - Transferir esse "esboço" para a memória da placa por meio de conexão física USB; 4 - Aguardar o sistema reiniciar que em seguida será executado o "esboço" criado pelo programador (SOUZA, 2013).
2.3.4 Escolha Do Arduino
Para a realização de um projeto, é necessário escolher corretamente a plataforma de acordo com a finalidade do projeto. A utilização de outros tipos de arduinos também pode funcionar corretamente, porém há alguns critérios a serem seguidos para aumentar as chances de sucesso no projeto, citados a seguir:
1º Critério - Quantidade de portas de entrada/saída e disponibilidade de interfaces PWM, I2C, SPI entre outras: Deve-se ter conhecimento de quais interfaces entrada/saída são necessárias para então realizar a escolha da placa vendo a disponibilidade de interfaces que melhor se aplica á necessidade do projeto; 2º Critério - Espaço de memória: É importante ter conhecimento da quantidade de memória RAM aproximadamente estipulada para utilização do projeto, pois é ela que cria e manipula as variáveis necessárias ao programa. Isso serve para evitar futuras frustrações com o projeto por falta de memória. Atentar-se também
a memória flash que é responsável pelo armazenamento do "esboço" do programa quando este está sendo transferido para a placa e a memória eeprom que é onde se armazena as variáveis que ficam na memória mesmo quando desligado o sistema. 3º Critério - Compatibilidade com Shields e módulos: deve ter em vista a facilidade na hora de realizar a montagem e a facilidade de encontrar módulos disponíveis no mercado que sejam compatíveis com a plataforma escolhida. 4º Critério - Compatibilidade com bibliotecas e fácil documentação: é necessário que seja feito a escolha da placa que seja bem documentada e que seja compatível com as bibliotecas disponibilizadas para uso comum o que facilita a programação para programadores com pouca experiência.
5º Critério - Dimensões: Escolher a plataforma que tenha o tamanho adequado para o projeto.
6º Critério - Tensão de Operação: Deve ser escolhida de acordo com as interfaces do projeto para que não haja incompatibilidade de tensão com módulos e Shields, o que pode ocasionar o uso de circuitos adicionais. (IZABELLE, 2016)
2.3.5 Arduino Mega 2560
2.3.5.1 Introdução Arduino Mega 2560
O arduino mega 2560 é uma placa da plataforma arduino que é capaz de executar diversas funções em conjunto com sensores e módulos eletrônicos. Consta em sua estrutura com um microcontrolador ATmega2560 que faz todo o processamento e gerenciamento de dados do sistema. O mega se destaca por conter maior capacidade de memória e número de portas disponíveis em relação as outras versões, o que faz com que ele seja o mais procurado para projetos com maiores complexibilidade que necessitem de diversas portas e grande espaço de memória. Outra parte que o faz ser o mais procurado é o fato de o MEGA contar com uma vasta documentação e grande com bibliotecas e Shields disponíveis atualmente (Izabelle, 2016).
2.3.5.2 Alimentação
A alimentação do arduino MEGA pode ser realizada por duas maneiras: via cabo USB ou por uma fonte externa. Quando é utilizado o USB deve-se atentar a quantidade de sensores e componentes por conta da porta USB dos computadores e notebooks serem de baixa
corrente (aproximadamente 250 mA) o que pode ser insuficiente para alimentar um sistema com muitos servomotores e sensores. Quando utilizado uma alimentação externa (bateria ou fonte) pela entrada P4, proporciona maiores possibilidades de utilização de sensores e componentes, pois é possível oferecer tensões entre 6 e 20 VDC por conta do regulador de tensão interno. Porém recomenda-se tensões entre 7 e 12 VDC pois se for fornecido tensão menor que 5 V pode fazer com que o sistema fique instável e se for tensão maior que 12 V pode sobre aquecer o regulador e danificar a placa. Ressaltando que a seleção de entrada de energia é feita pelo arduino MEGA automaticamente (Souza, 2014).
Figura 4 - Entradas de Alimentação Arduino
Fonte: (Souza, 2014)
2.3.5.3 Conectores De Alimentação Para A Conexão De Shields E Módulos
O arduino MEGA conta com um regulador de tensão de 3,3 V que fornece esse valor de tensão continua para alimentar Shields e circuitos que utilizem esse nível de tensão. Esse regulador é limitado e fornece uma corrente de limite máximo de 50 mA. Os conectores de alimentação são:
- IOREF: fornece uma tensão de referência para os Shields de forma que possibilite-os selecionar a interface apropriada. Sendo assim, adaptando a alimentação dos Shields que funcionam na placa arduino em tensões de 3,3 V para 5 V e vice-versa;
- RESET: pode ser utilizado para fazer um reset externo na placa arduino pois é um pino conectado ao pino reset do microcontrolador;
- 3,3 V: fornece uma tensão para alimentação de Shields e módulos externos no valor de 3,3 V e uma corrente máxima de 50 mA;
- 5 V: fornece uma tensão de alimentação para Shields e circuitos externos no valor de 5 V;
- GND: pino que serve de referência, terra ou ground;
- VIN: pino para alimentar a placa através de Shields ou bateria externa O valor da sua tensão irá ser a mesma fornecida pelas entradas USB ou P4 (MOTA, 2017).
Figura 5 - Conectores de alimentação para Shields e módulos
Fonte: (Souza, 2014) 2.3.5.4 Comunicação USB
A interface USB existente na placa serve de além de alimentação, serve para a comunicação da placa com um computador via cabo USB. Para traduzir essa comunicação há um microcontrolador ATMEL ATMEGA16U2 que possibilita o upload do código binário que é gerado depois da compilação do programa escrito pelo usuário e que faz a tradução das informações para que o computador e o microcontrolador conversem. No microcontrolador estão conectados dois LED's (TX, RX) que são controlados pelo software do microcontrolador que servem para indicar quando há envio e recepção de dados do computador para a placa (Souza, 2014).
Figura 6 - Microcontrolador ATMEGA16U2
Fonte: (Souza, 2014).
2.3.5.5 Microcontrolador Utilizado
O microcontrolador utilizado no arduino MEGA 2560 é o ATMEL ATMEGA2560 citado anteriormente. Ele possui 256 Kb de memória flash, 8kb de memória RAM e 4 kb de memória EEPROM o que possibilita maior poder de processamento e armazenamento. Opera com clock de 16 MHz. Conta com 4 canais de comunicação serial, 16 entradas analógicas, 15 saídas PWM e possui 54 portas digitais. Possui ainda comunicação SPI, I2C e 6 pinos que servem para interrupções externas. (THOMSEN, 2014)
Figura 7 - Microcontrolador ATMEGA 2560
2.3.5.6 Pinos De Entrada E Saída Da Placa Arduino Mega 2560
A placa arduino MEGA 2560 possui 54 pinos de entradas e saídas digitais podem ser usadas como entrada ou saída através da utilização das funções: pinMode(), digitalwrite() e digitalRead(). Operam com tensão de 5V e podem consumir ou fornecer até 40 mA. Dentre eles, possui algumas funções especiais como:
- Comunicação Serial: Serial 0 (RX) e 1 (TX); Serial 1: 19 (RX) e 18 (TX); Serial 2: 17 (RX) e 16 (TX); Serial 3: 15 (RX) e14 (TX). Os pinos 1 e 0 estão conectados ao microcontrolador responsável pela comunicação entre o computador e o arduino;
- Interrupções externas: os pinos 2 (interrupt 0), 3 (interrupt 1), 18 (interrupt 5), 19 (interrupt 4), 20 (interrupt 3) e 21 (interrupt 2) podem ser configurados para disparar na interrupção em níveis lógicos altos e baixos ou na borda de subida e descida de acordo com a necessidade do projeto desenvolvido;
- PWM: os pinos 2 até o 13 e os pinos de 44 até o 46 podem ser utilizados como saídas PWM que fornece um sinal de 8 bits de resolução através da utilização da função analogWrite() na programação;
- Comunicação SPI: os pinos 50 (MISO), 51 (MOSI), 52 (SCK), 53 (SS) estão ligados ao conector ICSP e para ativá-los basta utilizar a função SPI library na programação;
- Comunicação I2C: é feita através dos pinos 20 (SDA) e 21 (SCL).
Os pinos de A0 até A15 são entradas analógicas onde podem ser feita a conversão de 10 bits, ou seja, o valor fornecido de entrada será convertido para valores entre 0 e 1023 proporcionalmente (Souza, 2014).
Figura 8 - Visão geral dos recursos do Arduino MEGA2560
Fonte: (Souza, 2014).
2.4 Motor De Corrente Contínua (CC) 2.4.1 Introdução
Um motor de corrente contínua (CC) é simplesmente um motor alimentado por uma fonte de corrente contínua que pode ser fornecida por uma bateria ou qualquer alimentação em corrente continua transformando-a em energia mecânica. A troca de energia entre o rotor e o estator (comutação) pode ser feita através da utilização de escovas (escovado) ou sem o uso de escovas (brushless). A sua velocidade pode ser variada apenas mudando o nível de tensão a ele aplicado (SILVEIRA, 2017).
Figura 9 - Exemplo de motores de corrente contínua (CC)
2.4.2 Aspectos Construtivos
Para ser feita a melhor analise das características construtivas do motor CC, pode-se dividi-lo em duas principais partes: estator e rotor. O estator é formado por imãs permanente e o rotor é uma bobina de fio de cobre esmaltado por onde passa a corrente elétrica (FUENTES, 2005).
Somente o uso da corrente contínua fornecida por pilhas ou baterias para o funcionamento do motor não é o suficiente para garantir o seu correto funcionamento. É necessário o uso de um comutador que faz mudanças periódicas da polaridade através da inversão do sentido da corrente nos momentos certos (HONDA, 2006).
2.4.3 Princípios De Funcionamento
Quando uma tensão elétrica é aplicada nos terminais do enrolamento da armadura pelo anel comutador, produz um campo magnético e pares de pólos (norte e sul) no rotor por conta da corrente elétrica que circula no enrolamento da armadura. Quando a tensão é aplicada nos terminais de enrolamento de campo, o campo magnético através do corpo do estator é intensificado fazendo com que produza pares de polos magnéticos. A interação entre os campos magnéticos do campo do estator e de armadura do rotor faz com eles tentem se alinhar, o polo norte de um campo tentará se alinhar com o polo sul do outro campo. Em caso de não alinhamento entre os campos, surgirá diversas forças que produzirá torque no eixo fazendo com que ele gire. Isso faz com que o comutador gire, pois ele está conectado ao eixo do motor. Assim ele irá fazer a mudança do sentido da tensão aplicada nas bobinas, que consequentemente irá inverter também o sentido da corrente das correntes que irão inverter proporcionalmente o sentido do campo magnético. Isso fará que constantemente seja gerado forças que fazem o eixo se manter em movimento. (ANDRADE, 2013)
Figura 10 - Principio de funcionamento do motor CC
Fonte: (HONDA, 2006).
2.5 Método De Controle Por PWM
Segundo Maimon (2004), PWM (Pulse Width Modulation) ou modulação por largura de pulso é uma técnica utilizada para variar o valor médio de uma forma de onda periódica. Ou seja, através da largura do pulso de uma onda quadrada é possível realizar o controle da potência ou da velocidade. Com a variação do tempo em que a onda quadrada fica exposta em nível alto e em que ela fica em nível baixo, obtém-se o período. Através da largura do pulso em que a onda está em nível alto é feito o controle do valor de tensão médio aplicada. E para calcular essa proporção da tensão aplicada é utilizada a formula que calcula o ciclo ativo da forma de onda (duty-cycle):
100 (2.1)
Duty-Cycle: Valor em (%);
Largura do pulso (PW): Tempo em que o sinal esta ligado (nível alto);
Período: Tempo de um ciclo da onda (tempo de nível alto + tempo de nível baixo).
Utilizamos esse valor de duty-cycle encontrado para calcular o valor de tensão médio aplicado pela onda, utilizando a seguinte fórmula:
Tensão Média = Tensão Aplicada x Duty-cycle (2.2) Figura 11 - exemplo de modulação de onda
Fonte: (MAIMON, 2004).
2.6 Ponte H
Para ser feita a locomoção do protótipo irá ser usado motor de corrente contínua que já foi citado anteriormente o funcionamento. E para isso irá ser usado o método de ponte H para ser feito controle da orientação da direção dos motores. Ponte H possui esse nome devido ao formato em que o circuito é montado, que é semelhante à letra H. É um circuito especial que permite realizar a inversão da polaridade (direção) da corrente que circula pela carga a ela conectada. Ela possui quatro interruptores eletrônicos que podem ser controlados de maneira independente para fazer a inversão do sentido da corrente ou até mesmo o impedimento de passagem de corrente pela carga. (CARDOSO, 2017)
Figura 12 - formato da ponte H
Fonte: (Wikipedia, 2016). Condições de funcionamento:
• S1 e S4 fechadas, S2 e S3 abertas: A corrente passa pelo motor em um sentido, fazendo-o girar em uma direção;
• S1 e S4 abertas, S2 e S3 fechadas: A corrente passa pelo motor no sentido inverso, fazendo-o girar na direção contrária;
• S1 e S3 abertas: O motor não gira, pois não há fluxo de corrente por ele.
2.7 Motor Shield L293D
Será utilizado um Shield compatível com o arduino, escolhido para o projeto, para efetuar o controle dos motores por PWM e por ponte H. O shield escolhido foi o motor shield L293D, que foi desenvolvido pela linha arduino com a finalidade de controlar a velocidade e o sentido de rotação de motores DC. Ele é específico para realizar esse tipo de função pelo fato de suportar valores de tensão e corrente maior que o próprio arduino MEGA2560 suportaria. O shield L293D possui dois chips L293D que são compostos individualmente por duas pontes H. Possui também um CI 74HC595. Esse conjunto de componentes são os principais responsáveis pela possibilidade desse shield poder controlar ao mesmo tempo 4 motores DC de forma independente, 2 servos (alimentados por 5v) ou até 2 motores de passo. Suporta motores com tensões que podem variar de 4,5 à 16 VDC. Fornece por canal corrente máxima de até 600 mA. Para motores com tensões maiores que 5 V, deve-se retirar o jumper PWR (que faz a alimentação dos motores conectados a placa serem alimentados pela tensão
do arduino 5 v) e conectar uma alimentação externa de valor compatível com o(s) motor(es) alimentado(s) (THOMSEN, Filipeflop, 2013).
Figura 13 - Visão geral do motor shield L293D
Fonte: (Arduinoecia, 2014)
2.8 Sensores
Um sensor é um dispositivo que capta e converte um fenômeno físico em sinal elétrico. Tais fenômenos como: umidade, temperatura ou luminosidade. Realizando esse processo, o sensor da uma resposta em sua saída em forma de grandeza elétrica que pode ser valores baixos de corrente, de tensão ou pode até variações em valores de resistência. Essa resposta em sua saída é enviada geralmente para um microcontrolador que realiza a leitura e processamento dessa resposta e executa ações pré-estabelecidas em sua programação conforme a resposta recebida pelo sensor. (REIS, 2018)
Existem vários tipos de sensores, tais como: sensor de temperatura, de luminosidade/óptico, pressão, aceleração, distância/proximidade, sonoro, substância, imagem, magnético, entre outros. Dependendo da necessidade de resolução que o projeto exija do sensor, além de escolher o tipo de sensor que melhor se aplica ao projeto, é necessário
dimensioná-lo através das suas características que são: função de transferência, sensibilidade, faixa dinâmica, incerteza ou precisão, histerese, linearidade, ruído, resolução, temperatura de operação, níveis de saída, etc.
Figura 14 - Exemplo de sensores para arduino
Fonte: (REIS, 2018).
2.8.1 Sensor Óptico Refletivo TCRT5000
O sensor escolhido para o projeto foi o TCRT5000 que é fabricado pela Vishay. Nada mais é que um sensor reflexivo que contem embutido um emissor infravermelho e um fototransistor. O emissor é um LED infravermelho que emite um feixe de luz infravermelha a freqüências não visíveis ao olho humano sem algum tipo de tecnologia. Já o fototransistor tem a função de capturar esse feixe de luz emitido pelo o LED emissor. Ou seja, o LED emite um feixe de luz que pode ser refletido (ou não) pelo objeto posto em sua área de emissão, que por sua vez é refletido ao fototransistor que identifica esse sinal refletido e gera um sinal de saída que será processado pelo microcontrolador. O sensor possui quatro pinos, sendo dois para o LED e dois para o fototransistor, que são: Anodo do LED, Cátodo do LED, Coletor do fototransistor e emissor do fototransistor (VIDAL, 2018).
Figura 15 - Sensor TCRT5000
Fonte: (ARAÚJO, 2014). 2.8.1.1 Funcionamento
Para acionar o LED emissor basta ser aplicado um valor de tensão suficiente para que ele passe a conduzir esse valor de tensão e emitir o feixe de luz. O fototransistor quando recebe o feixe de luz infravermelho que foi refletido por algum objeto, tem sua base ativada fazendo com que conduza corrente elétrica entre o coletor e o emissor do transistor enviando assim um sinal elétrico para o microcontrolador. (ARAÚJO, 2014)
A distância de detecção desse sensor é na faixa de 1 à 25 mm o que pode causar uma certa limitação quanto a sua aplicação. A cor e o material do objeto também podem interferir no correto funcionamento do sensor. O fototransistor vem com um filtro de luz ambiente, o que amplia a eficiência na identificação do feixe infravermelho refletido. (PEREIRA, 2016)
Figura 16 - Diagrama interno do sensor
Fonte: (VIDAL, 2018).
2.8.2 Sensor de gás inflamável e fumaça - MQ-2
O sensor de gás inflamável e fumaça MQ-2 é um dispositivo eletrônico desenvolvido para ser utilizado na plataforma arduino com a finalidade de detectar a presença de gás inflamável / fumaça presente no ambiente o qual é exposto. Dentro dos gases que o sensor tem a capacidade de detectar, se destacam: gás natural, metano, propano, butano, álcool, GLP e hidrogênio. Ilustre na Figura 17.
Figura 17 - Sensor de gás inflamável e fumaça - MQ-2
2.9 LED
A sigla LED é a abreviação de Light Emitting Diode, que traduzido para o português significa Diodo Emissor de Luz. Esse diodo é composto por camadas diferentes de semicondutores que convertem a energia elétrica em alimentada em seus terminais em luz visível a olho nu. Sua partes constituintes são iguais a de um diodo comum, sendo necessário alimentação do pólo positivo no ânodo e pólo negativo no cátodo para que o diodo entra em condução e emita luz (MARTELETO, 2011). Ilustrado na figura 18.
Atualmente estão disponíveis no mercado vários tipos de cores de luz para ser utilizado de acordo com a necessidade do usuário e são muito utilizados para meios decorativos, alertas e iluminação em geral quando em grande escala.
Figura 18 - Estrutura de um LED
Fonte: (MARTELETO, 2011).
2.10 Buzzer
Buzzer é um componente eletrônico que serve como sinalização sonora por conta da conversão da energia elétrica em mecânica. Esse componente por um invólucro geralmente de plástico com dois terminais para ligação elétrica, internamente possui duas camadas de metal e uma terceira camada de cristal piezo elétrico. Este componente recebe energia elétrica nos seus terminais e através dela emite uma freqüência sonora. Componente ilustre na figura 19.
Figura 19 - Buzzer
Fonte: (Autor, 2018).
2.11 Pilha Alcalina
As pilhas são um dispositivo que é capaz de produzir corrente elétrica através da reação de oxidação e redução de componentes metálicos presentes em sua estrutura através de reações químicas (DIAS, 2017).
O diferencial de uma pilha alcalina está na composição ânodo e do cátodo. É capaz de produzir uma DDP em seus extremos em torno de 1,5 V em corrente contínua. Seu ânodo é formado geralmente por uma placa de zinco, cádmio e outros metais. E seu cátodo é constituído por uma mistura pastosa de óxido de alguns metais e cloreto de potássio (DIAS, 2017).
2.12 Norma Regulamentadora 33 (NR-33) - Segurança e Saúde nos trabalhos em espaço confinado
Esta Norma tem como objetivo estabelecer os requisitos mínimos para identificação de espaços confinados e o reconhecimento, avaliação, monitoramento e controle dos riscos existentes, de forma a garantir permanentemente a segurança e saúde dos trabalhadores que interagem direta ou indiretamente nestes espaços.
Essa norma contem as responsabilidades tanto do empregador, quanto do empregado, medidas técnicas de prevenção ao empregado antes de realizar a atividade, medidas administrativas que devem ser tomadas antes da realização do serviço, quais devem ser as capacitações para trabalhos em espaço confinado e como deve ser feito um procedimento para emergência e salvamento caso necessite em alguma situação durante o serviço realizado em espaço confinado. Todos esses itens servem para melhorar e garantir a segurança de trabalhadores que realizam trabalhos em locais com características de espaço confinado.
2.13 Espaço confinado
De acordo com a NR 33, espaço confinado é: "Espaço Confinado é qualquer área ou ambiente não projetado para ocupação humana contínua, que possua meios limitados de entrada e saída, cuja ventilação existente é insuficiente para remover contaminantes ou onde possa existir a deficiência ou enriquecimento de oxigênio".
São exemplos de espaços confinados: tanques (como de água e esgoto), tubulações, galerias de rede de esgoto subterrâneas, silos, moegas, poços, cisternas, elevadores, reatores, chaminés e moinhos industriais, bases de torres de energia eólica etc.
Por conta da baixíssima ventilação do local, pelas entradas e saídas limitadas e entre outros fatores, os espaços confinados são locais propícios para a liberação e acumulo de gás devido aos componentes presentes dentro desse ambiente confinado. Os gases mais comuns que podem ser encontrados presente dentro desses ambientes são: Monóxido de carbono, sulfeto de hidrogênio, Amoníaco e Metano (NETO, 2018).
2.14 NBR 14787 Espaço Confinado - Prevenção de acidentes, procedimentos e medidas de proteção
Esta Norma estabelece os requisitos mínimos para proteção dos trabalhadores e do local de trabalho contra os riscos de entrada em espaços confinados. Também descreve como deve ser feito a identificação dos espaços confinados, quais os limites mínimos e máximos de concentração de gás presente dentro do espaço confinado para que ele seja considerado perigoso á saúde do trabalhador e o mais importante para esse trabalho é as condições impostas para ser realizados antes do trabalhador entre na área confinada para realizar as atividades.
No item 3.6 da norma, ela define como atmosfera de risco sendo uma condição em que o espaço confinado pode oferecer risco ao local e expor o trabalhador ao perigo de morte incapacitação, restrição da habilidade para auto resgate, lesão ou doença aguda causada por uma ou mais das seguintes causas:
a) gás/vapor ou névoa inflamável em concentrações superiores a 10% do seu limite inferior de explosividade (LIE), que é a mínima concentração no qual a mistura se torna inflamável;
b) poeira combustível viável em uma concentração que se encontre ou exceda o limite inferior de explosividade (LIE).
Sendo que O LIE está geralmente situado entre 20 g/m³ e 60 g/m³ (em condições ambientais de pressão e temperatura), ao passo que o LSE situa-se entre 2 kg/m³ e 6 kg/m³ (nas mesmas condições ambientais de pressão e temperatura); se as concentrações de pó puderem ser mantidas fora dos seus limites de explosividade, as explosões de pó serão evitadas.
No item 4.5 a norma estabelece quais são as condições a serem testadas na atmosfera interna. As condições são:
a) concentração de oxigênio;
b) gases e vapores inflamáveis;
3 DESENVOLVIMENTO
A seguir será apresentada a listagem de materiais utilizados para a fabricação do protótipo:
3.1 Chassi
É um chassi para aplicações robóticas, educacionais e projetos com Arduino. Seu sistema com 2 andares deixa uma plataforma ideal para a parte eletrônica do robô na parte superior e compartimento para bateria e outras funcionalidades na parte inferior. Este irá servir de suporte e sustentação para todos os sensores, plataforma, shield e componentes fundamentais para a viabilidade do projeto. Ilustre na Figura 20.
Detalhes técnicos
- Chassi em acrílico;
- Dimensões: 256 x 150 x 65mm; - Peso Chassi completo: 470g.
Figura 20 - Chassi com parafusos, porcas e partes para fixação dos motores
3.2 Motores
Será utilizado 4 Motores DC 3-6V com caixa de redução e eixo duplo. Os motores são os responsáveis por realizar a movimentação do robô para ambas as direções. A utilização de 4 motores proporciona tração nas quatro rodas. Mostrado na Figura 21:
Detalhes Técnicos: - Eixo duplo;
- Tensão de Operação: 3-6V; - Redução: 1:48;
- Peso: 30g;
- Corrente sem carga: ≤200mA (6V) e ≤150mA (3V); - Velocidade sem carga: 200RPM (6V) e 90RPM (3V). Figura 21 - 4 motores DC
3.3 Rodas
As rodas são plástico com superfícies de contato em borracha de boa aderência proporcionando boa tração ao robô. Exemplo na Figura 22.
Detalhes técnicos:
- Diâmetro: 68mm; - Largura: 26mm;
- Furo central: 5,3 x 3,66mm (Semicírculo); - Peso: 50g.
Figura 22 - 4 Rodas
3.4 Arduino MEGA 2560
A plataforma arduino MEGA 2560 é uma excelente escolha para fazer projetos mais elaborados, que necessitem de mais portas analógicas e digitais. Está plataforma será utilizada para controlar todos os componentes que fazem parte do AGV, desde os LED de alerta até o shield de controle dos motores. Vista superior da placa na Figura 23.
Detalhes técnicos
- Microcontrolador: ATmega2560; - Tensão de Operação: 5V;
- Tensão de Entrada: 7-12V;
- Portas Digitais: 54 (15 podem ser usadas como PWM); - Portas Analógicas: 16;
- Corrente Pinos I/O: 40mA; - Corrente Pinos 3,3V: 50mA;
- Memória Flash: 256KB (8KB usado no bootloader); - SRAM: 8KB
- EEPROM: 4KB;
Figura 23 - Arduino MEGA 2560
Fonte: (Autor, 2018).
3.5 Motor Shield L293D Driver ponte H
Este é o Motor Shield L293D integrando alta tensão, alta corrente e controle de 4 canais em uma só placa. O chip L293D também é conhecido como um tipo de Ponte H que é tipicamente um circuito elétrico que permite uma tensão ser aplicada em uma carga em qualquer direção para uma saída, como por exemplo um motor.
Esse driver será usado para controlar as direções e velocidades dos 4 motores através de comandos enviados pela plataforma arduino MEGA. Exemplo na figura 24.
Detalhes Técnicos: - Chip: 293D;
- Pode controlar 4 Motores DC, 2 Motores de Passo ou 2 Servos; - Tensão de saída: 4,5-36V;
- Corrente de saída: 600mA por canal;
- Até 4 motores DC bidirecional com seleção individual de velocidades de 8 bits (cerca de 0,5% de resolução);
- Até 2 Motores de Passo (Unipolar ou Bipolar) com bobina única, dupla ou passos interlaçados;
- 4 Pontes H: 0,6A por Ponte (1,2A de pico) com proteção térmica e diodos de proteção contra retroalimentação;
- Resistores Pull Down mantém motores desativados durante a entrada de alimentação; - Botão de Reset Arduino disponível no topo da placa;
- Terminais em bloco de 2 pinos e jumper para conexão de alimentação externa. Figura 24 - Motor Shield L293D Driver ponte H
Fonte: (Autor, 2018).
3.6 Módulo Sensor IR 3 canais
Será utilizado o módulo sensor IR 3 canais, no qual é constituído por 3 sensores TCRT5000 que irão fazer a leitura do caminho percorrido pelo AGV afim de guiá-lo e mantê-lo no caminho certo estabelecido pela trilha imposta no chão. Ilustre na figura 25.
Detalhes técnicos:
- Tipo: Sensor de faixa 3CH;
- Peso líquido: aproximadamente 8g;
- Tamanho: aproximadamente 66 X 26 X 7 mm/2.6 X 1,02 X 0,28 mm;
- Distância do detector: 10mm. Figura 25 - Módulo Sensor IR 3 canais
Fonte: (Autor, 2018).
3.7 Sensor de gás inflamável e fumaça - MQ-2
Por conta da variedade de gases que esse sensor detecta, ele foi escolhido para ser utilizado nesse projeto por conta de que dentro da faixa de gases que ele detecta estão presentes os gases encontrados dentro de ambientes confinados. Através de valores recebidos desse sensor é que a plataforma arduino irá realizar um alerta visual e/ou sonoro para a comprovação de presença ou não do gás. Sensor já mostrado na Figura 17 anteriormente.
Detalhes técnicos: - Modelo: MQ-2;
- Detecção de gases inflamáveis: GLP, Metano, Propano, Butano, Hidrogênio, Álcool, Gás Natural e outros inflamáveis;
- Detecção de fumaça;
- Concentração de detecção: 300-10.000PPM;
- Tensão de operação: 5V;
- Sensibilidade ajustável via potenciômetro; - Saída Digital e Analógica;
- Comparador LM393; - LED indicador para tensão;
- LED indicador para saída digital; - Dimensões: 32 x 20 x 15mm.
3.8 Buzzer
Buzzer é o dispositivo eletrônico utilizado para alertar de maneira sonora a presença de gás dentro ambiente. Ele será acionado quando for detectado gases com valores acima do permitido dentro do ambiente confinado. Dispositivo ilustrado na figura 19.
Detalhes técnicos:
– Buzzer tipo ativo;
– Tensão de operação: 4 à 8VDC; – Corrente de operação: 30mA;
– Saída de som mínima (a 10cm): 85dB; – Frequência de ressonância: 2300±300 Hz; – Temperatura de operação: -27 a +70 °C; – Material: ABS; – Cor: Preto; – Dimensões: 11,8 x 9mm. 3.9 Pilhas Alcalinas
Foram utilizadas pilhas alcalinas em série para alimentar o AGV com tensões dentro dos seus valores mínimos e máximos (7 a 12 VDC). Como cada pilha fornece uma DDP de 1,5 V em seus extremos, foi realizado uma associação em série entre 6 pilhas que resultou em uma tensão de alimentação igual a 9 VDC. Essa associação em série foi feita através de um suporte para pilhas que pode ser utilizados para alimentação de arduinos em geral. Ilustre na Figura 26.
Detalhes técnicos:
- Altura: 50 mm; - Peso unitário: 0,65 g; - Tipo: AA;
- Tensão fornecida: valor unitário de 1,5 V. Figura 26 - Suporte com as pilhas
Fonte: (Autor, 2018).
3.10 LED
Foram utilizados dois LED's cristalinos que emitem luz de cores diferentes entre eles. Um emite luz na cor azul e o outro emite luz na cor vermelha. Ambos utilizados para sinalização visual. Mostrado na figura 27.
Detalhes técnicos:
- Cor: Azul e Vermelho; - Diâmetro: 5 mm;
- Tensão: 3V - 3,3V; - Corrente: 30mA.
Figura 27 - LED's instalados no protótipo
4 METODOLOGIA
4.1 Problema
A realização de atividades em espaço confinado detém diversas complicações, e dentre elas se destaca a dificuldade de acesso e a ventilação insuficiente. Porém o maior fator de risco existente em espaço confinado e que é causador de inúmeros acidentes com trabalhadores que fazem serviços dentro desse ambiente é o acumulo de gases causados por substâncias presentes dentro desse ambiente e ficam estagnados ali por conta da falta de ventilação.
O contato com esses gases presentes podem causar diversos sintomas ao ser humano, sendo desde um simples mal-estar até a morte. Existem gases que podem causar asfixia simples, ou seja, que não é tóxica ao ser humano. Porém se ele ocupar maior espaço dentro do ambiente, quer dizer que o valor de oxigênio necessário é reduzido para ceder espaço para esse gás. Causando assim uma "falta de ar" ao trabalhador. Um exemplo que causa esses sintomas é o gás metano.
Existem também os gases que são tóxicos que causam asfixia química, ou seja, reduzem a capacidade do nosso organismo transportar o oxigênio pela hemoglobina. O oxigênio continua presente no nosso organismo, porém não são disponibilizados aos tecidos. Exemplo é o Monóxido de Carbono e o Sulfeto de Hidrogênio, ambos encontrados em espaço confinado.
Outro tipo de agressão que os gases podem causar é irritação no trato respiratório e aos olhos, sendo que em altas concentrações podem causar até queimaduras químicas na pele. De acordo com o nível de exposição e a agressividade do gás podem causar danos as vias respiratórias e aos olhos. Um exemplo desse tipo de gás é o Amoníaco (gás amônia).
Antes da realização da atividade deve-se realizar medições com equipamentos detectores de gás para constatar há presença ou não de gases dentro do espaço confinado.
Por norma é exigido que só tenha acesso a esse tipo de ambiente, trabalhadores que possuem o treinamento adequando quanto aos riscos, EPI's, EPC's, etc. Porém pode ocorrer problemas com essas barreiras impostas para evitar a exposição do trabalhador aos gases no momento de medição, na abertura do espaço confinado e na execução da atividade que possa acarretar em acidentes de trabalho.
4.2 Projeto
Levando em consideração todos esses riscos, foi-se pensado em utilizar um AGV para realizar a atividade de medição de presença de gás, que atualmente é feita por um trabalhador com um medidor manual. O AGV irá adentrar o ambiente confinado e realizar a medição do gás presente e após um tempo mínimo de medição irá evacuar esse espaço confinado confirmando se há ou não a presença de gases através de avisos sonoro e visual.
Os componentes que fazem parte desse protótipo que foram descritos anteriormente, foram montados e fixados na estrutura de acrílico do AGV. Posteriormente, foi realizado testes de cada componente utilizado no protótipo.
Foi-se utilizado LED's de cores diferentes para que seja feito o aviso visual sobre a presença ou não do gás. O LED de luz azul significa que de acordo com as leituras feitas pelo sensor de gás não há presença significativa de gás. Já o LED de luz vermelha alerta sobre valores de gás acima do limite máximo permitido pelo programa.
Para aviso sonoro será acionado um buzzer através da plataforma arduino de acordo com valores recebido pelo sensor de gás.
4.2.1 Testes de módulo IR de 3 canais
Foi realizado diversos testes no módulo de sensores IR de 3 canais para confirmar a sua viabilidade de aplicação no protótipo. Primeiramente foi feito a programação na plataforma IDE do arduino através de um computador, que consiste em alimentar esse módulo e fazer com que a plataforma identifique os valores enviados em sua porta digital e ative ou não alguma de suas funções. Depois de feita a programação foi-se compilada e transferida para a memória do arduino via cabo. Mantendo a plataforma conectada no computador, foi sendo realizado teste para verificar o correto funcionamento de ambos os sensores. A programação foi feita de modo que , quando o sensor identifica uma superfície na qual não reflete a luz emitida pelo LED, enviar para o supervisório da IDE a mensagem "preto". E quando a luz emitida fosse refletida pela superfície, a mensagem enviada fosse "branco". Para a plataforma arduino ele identifica o sinal de nível alto, recebido em sua porta digital, quando o sensor está normal (conduzindo) e o sinal de nível baixo é recebido quando o sensor está atuado (não conduzindo).
Para fazer o teste de atuação do sensor foi utilizada uma folha A4 branca com uma linha feita com fita de cor oposta a folha (cor preta). Essa folha foi colocada na em frente ao sensor de modo que ele identifica-se a superfície do papel e a superfície da fita. Sua correta identificação das superfícies foi acompanhada na IDE pelo monitor serial. Mostrado na figura 28.
Figura 28 - Acompanhamento pelo monitor serial
Fonte: (Autor, 2018).
4.2.2 Testes de sensor de gás e fumaça MQ-2
Seguindo os passos de testes do módulo anterior, foi feito a programação do detector de gás e fumaça na plataforma IDE em um computador. A sua programação consiste em que seja definido um valor máximo detectado pelo sensor, de forma que seja como o limite máximo de gás permitido pelas normas de segurança. Assim, o sensor que faz leitura constante e envia valores na porta analógica do arduino para que seja verificado pelo programa se está dentro do limite máximo definido. Se o valor enviado pelo sensor for superior ao limite máximo estabelecido, a plataforma arduino irá acionar uma porta digital que irá acionar o buzzer e o LED de luz vermelha. Em condições normais dentro do limite máximo a plataforma mantém o buzzer desligado e o LED de luz azul ligado para identificar que está dentro da tolerância. O acompanhamento dos valores enviados pelo sensor foi feito pelo monitor serial da IDE.
Para realizar o teste de medição dos valores de partículas de gases presentes no ar foi utilizado um isqueiro no qual possui gás GLP no seu interior. Esse gás é um dos gases no qual o sensor MQ-2 detecta. Foi aberta a válvula do isqueiro na parte do sensor que faz a medição das partículas de gases e foram verificados os valores analógicos enviados para a plataforma arduino. E conforme o esperado, quando o valor recebido pelo arduino superou o limite máximo permitido, o LED de luz vermelha e o buzzer foram acionados. Demonstração dos resultados na figura 29.
Figura 29 - Em "A" o gás foi detectado. Em "B" dentro do limite máximo
Fonte: (Autor, 2018).
4.2.3 Testes de controle dos 4 motores
Foi elaborada uma programação para testar a velocidade e o sentido de rotação dos motores. Essa programação consiste em estipular valores de rotação para cada motor e o sentido de rotação de cada motor para que se verifique o seu correto funcionamento e posteriormente elaborar uma lógica de programação para qual seja feita o controle de movimentação do protótipo. Sendo estipulados valores de 0 a 255, sendo 0 o motor sem rotação e 255 o motor com rotação máxima. De acordo com o número colocado na programação, o motor shield conectado na parte superior do arduino analisa e manda o valor de tensão correspondente para a alimentação do motor conectado em suas saídas específicas. Em questão de sentido de rotação depende do comando colocado na programação. O comando "FORWARD" faz com que o motor definido gire no sentido horário. Já o comando "BACKWARD" faz com que o motor gire no sentido anti-horário.
Para a verificação do funcionamento dos motores foi conectado cada motor em um borne de saída do motor shield nomeando-os de acordo com o borne de saída (M1, M2, M3 e M4). Acoplado uma roda no eixo de cada motor para que facilitasse a verificação do funcionamento dos motores de forma visual. Sua verificação foi feita de forma a variar o sentido e a velocidade de rotação de cada motor de forma individual e depois de forma conjunta, fazendo com que o AGV se movimentasse sobre uma superfície. Isso contribuiu imensamente para a elaboração da lógica de comando da movimentação do AGV. Mostrado na figura 30 como foi feita a verificação visual dos motores.
Figura 30 - Verificação visual de rotação dos motores
Fonte: (Autor, 2018). 4.2.4 Testes do protótipo
Após a realização dos testes feitos em cada componente de forma individual, foi feito uma programação para que fosse realizado o teste do conjunto completo que é formado o protótipo. Essa programação consiste em acionar os motores para um único sentido de forma que movimente o AGV. Através do acionamento do módulo de sensores IR a plataforma arduino irá estipular valores de velocidade maior para motores do lado esquerdo ou direito do AGV a fim de mantê-lo seguindo um caminho pré-estabelecido. O lado esquerdo do AGV é formado por motores identificados como M1 e M4 e do lado direito os motores identificados como M2 e M3. Ilustrado na figura 31. Quando o sensor do lado esquerdo for acionado, os valores de velocidade para os motores M2 e M3 deverão ser maiores do que em relação aos motores M1 e M4. Quando o sensor do lado direito for acionado é realizada a ação inversa descrita anteriormente. O sensor central irá estabelecer valores de velocidade iguais para ambos os motores. Quando for acionado os três sensores simultaneamente, significa que é o final do percurso e a velocidade de ambos os motores deverá ser zero.
Figura 31 - Identificação dos motores lado direito e esquerdo
Fonte: (Autor, 2018).
Ao chegar no final do percurso, deve ser feito a medição das partículas de gases presentes no ambiente. Para ser feita essa medição foi estipulado um tempo para que dê tempo do sensor realizar as medições dessas partículas. Ele realiza a leitura de forma praticamente instantânea, porém para garantir uma medição mais precisa do ambiente estipula-se um tempo mínimo para a medição. Caso durante essa medição for detectado partículas de gases, o LED de luz vermelha e o buzzer deverá ser acionado. Caso contrário, mantém-se o LED de cor azul ligado durante todo o percurso feito pelo AGV.
Depois de contabilizado o tempo de medição, a plataforma arduino deverá acionar os motores no sentido de rotação contrários a fim de movimentar o AGV para o seu ponto inicial. O AGV continuará sendo guiado pelo módulo de sensores até o seu ponto de partida levando assim aviso visual e sonoro sobre a presença de partículas de gases medidos no ambiente no final do percurso.
Com a lógica e programação feita, foi realizado o teste prático do AGV. Com o AGV montado com todos os seus assessórios, foi implantado a programação na plataforma arduino. Para a verificação do correto funcionamento do protótipo foi elaborado uma superfície branca feita de papel e uma trilha para simulação do caminho pré-estabelecido para o qual o AGV deve utilizar para se orientar. Submetendo o AGV sobre essa superfície foi feito a alimentação do arduino e realizado testes. Conforme ilustre na figura 32.
Figura 32 - AGV sobre superfície de simulações
Fonte: (Autor, 2018).
4.3 Resultados
Através de inúmeras simulações feitas com o protótipo, foram encontrados diversos problemas e que logo em seguida já foram corrigidos sem grandes dificuldades. Por conta de que cada parte do AGV contribuir para o seu correto funcionamento, o que antes foi testado de forma independente e individual.
4.3.1 Principais Erros
Erro durante a programação: foram utilizados termos em que não realizavam as operações necessárias para garantir a correta operação do protótipo. Isso fez com que o AGV não se movimentasse direito. Erros com a utilização de temporização na programação fazendo com que o AGV ficasse sem nenhuma ação enquanto aguardava o tempo de temporização terminar. Erros na ordem correta de escrita da programação, fazendo com que o AGV realizasse ações em momentos errados. Erros com os algoritmos, o que fez com que a programação não fosse realizada de forma continua até a finalização do ciclo.
Erros durante a elaboração da superfície: a trilha guia utilizada para orientar o AGV primeiramente foi realizado com uma largura de 18 mm, o que fez com que dependendo da movimentação que o protótipo realizava, a trilha ficava na direção do espaço entre dois sensores do módulo. Isso fez com que o AGV parasse e não funcionasse direito. A solução encontrada foi aumentar a largura da trilha para 30 mm, fazendo assim com que o campo abrangente de um sensor terminasse, o campo do sensor seguinte fosse capaz de detectar a trilha e guiar o protótipo pelo percurso. Foram necessários ajustes quanto a sensibilidade de detecção do módulo.
