INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIENCIA E TECNOLOGICA DE SANTA CATARINA - CÂMPUS FLORIANÓPOLIS
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA
CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM ELETRÔNICA INDUSTRIAL
CESAR DIAS PARENTE
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA ELETRÔNICO PARA CONTROLE DE DIREÇÃO DO PROTÓTIPO NÁUTICO, UTILIZANDO UM ATUADOR
ELETROMECÂNICO
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIENCIA E TECNOLOGICA DE SANTA CATARINA - CÂMPUS FLORIANÓPOLIS
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA
CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM ELETRÔNICA INDUSTRIAL
CESAR DIAS PARENTE
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA ELETRÔNICO PARA CONTROLE DE DIREÇÃO DO PROTÓTIPO NÁUTICO, UTILIZANDO UM ATUADOR
ELETROMECÂNICO
Trabalho de conclusão de curso submetido ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina como parte dos requisitos para obtenção do titulo de Tecnólogo em Eletrônica Industrial.
Professor Orientador: Flábio Alberto Bardemaker Batista, doutor
RESUMO
Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um protótipo que tem o objetivo desenvolver um sistema de direção eletrônica para controle náutico, com ênfase ao protótipo do Instituto Federal de Santa Catarina (IFSC) campos Florianópolis. O presente estudo traz dentre os tópicos na revisão de literatura atuadores eletromecânicos, sensores eletromecânicos, microcontroladores, atmega328p, plataforma Arduino, conversor analógico digital, modulação PWM, inter-integrated circuit – i2c, interface serial SPI, comunicação CAN e ponte H. Quanto a metodologia utilizada, trata-se de um estudo de desenvolvimento experimental, do tipo exploratório. O trabalho cria uma Direção Eletrônica para a embarcação do IFSC, sendo essa compõe a equipe Zênite Solar, que participa anualmente do Desafio Solar Brasil, no qual o presente projeto fez parte. A execução desta direção se deu principalmente na escolha do atuador eletromecânico, microcontroladores e sensores, durante a construção da direção, é apresentado desde os testes realizados até a participação do DSB. Logo, no discorrer da pesquisa analisa-se as formas para que o objetivo seja contemplado.
Palavras-Chave: Direção Eletrônica. Atuador Eletromecânico. Protótipo Náutico. Sensor de ângulo de Direção.
ABSTRACT
This paper presents a prototype development with the main objective to develop a nautic electronic steering, with emphasis on Instituto Federal de Santa Catarina’s (IFSC) prototype boat. This study topic content presents electromechanical actuators, electromechanical sensors, microcontrolers, Atmega328p, Arduino platform, analogic digital converter, PWM modulation, inter-integrated circuit – i2c, SPI serial interface, CAN comunication and H bridge literature review. As for the used methodology it is an exploratory experimental development. The paper creates an Eletrônic Steering for the IFSC’s vessel, developed and build by Zênite Solar team, challenger of the anual Desafio Solar Brasil, which this Project was part of. The steering development was mainly made by the electromechanical actuator, microcontrolers and sensors, during the steering assembly is presented all performed tests before the DSB participation. Therefore, in the discussion of the research forms are analysed for the goal to be contemplated.
Key-words: Eletronic Steering. Electromechanical Actuators. Prototype Nautic. Steering Angle Sensor.
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO... 07 1.1 JUSTIFICATIVA... 07 1.2 DEFINIÇÃO DO PROBLEMA ... 08 2.. OBJETIVOS... 09 2.1 OBJETIVO GERAL... 09 2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS... 09 3. REVISÃO DE LITERATURA... 10 3.1 ATUADORES ELETROMECANICOS... 10 3.1.1 MOTOR DC... 10 3.1.2 ATUADORES LINEARES... 13 3.1.3 MOTORES DE PASSO... 14 3.1.4 MOTORES BRUSHLESS... 15 3.1.5 SERVO MOTOR DC... 17 3.2 SENSORES ELETROMECANICOS... 18 3.2.1 POTENCIÔMETRO... 18 3.2.2 ENCODER... 20 3.2.2.1 ENCODER INCREMENTAL... 20 3.2.2.2 ENCODER ABSOLUTO... 21 3.3 MICROCONTROLADORES... 22 3.3.1 MICROCONTROLADOR ATMEGA 328P... 23
3.3.2 MICROCONTROLADOR ATMEGA 328P KIT ARDUINO... 24
3.3.2.1 CONVERSOR ANALÓGICO DIGITAL (ADC)... 25
3.3.2.2 MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSO PWM... 25
3.3.2.3 INTER-INTEGRATED CIRCUIT – I2C... 26
3.3.2.4 INTERFACE SERIAL SPI... 27
3.4 COMUNICAÇÃO CAN... 27
3.5 PONTE H... 29
4. METODOLOGIA... 31
5. DESENVOLVIMENTO... 32
5.1 ATUAÇÃO NO CONJUTO DE LEME E PROPULSOR... 33
5.2 SENSOR DE ÂNGULO DO LEME... 38
5.4 ÂNGULO DA DIREÇÃO - PROJETO 1... 43
5.5 INTEGRAÇÃO AO PROTOTIPO NAUTICO - PROJETO 1... 46
5.6 CONTROLE DO CONJUNTO DO LEME – PROJETO 2... 50
5.7 ÂNGULO DA DIREÇÃO – PROJETO 2... 57
5.8 INTEGRAÇÃO AO PROTOTIPO NÁUTICO - PROJETO 2... 64
5.9 PROJETO DE SENSORIAMENTO... 69
6. RESULTADO... 73
6.1 UTILIZAÇÃO DO SISTEMA NO PROTÓTIPO NÁUTICO ZÊNITE SOLAR... 74 6.2 UTILIZAÇÃO DO SISTEMA DE SENSORIAMENTO NO PROTÓTIPO NÁUTICO ZÊNITE SOLAR... 78 7. CONSIDERAÇÃO FINAL... 81
1. INTRODUÇÃO
Segundo o jornal digital (Diário do Nordeste, 2016) o segmento náutico deverá crescer em torno de 5% ao longo do próximo ano, conforme estimativa do diretor técnico do São Paulo Boat Show - maior salão náutico indoor da América Latina, Marcio Dottori. O crescimento náutico é interessante para Santa Catarina devido à existência de 48 empresas no estado, sendo estas responsáveis pela construção de embarcações de esporte e lazer, representando 13,45% do total de empresas do país e também o segundo maior estado na produção de embarcações sendo responsável por 32% dos empregos gerados do setor, como afirma a revista on-line (G1-SANTA CATARINA, 2016).
Infere-se, portanto que, o crescimento náutico trás consigo a grande competitividade por tecnologias de ponta. A capacidade de inovar é decisiva para uma empresa em acessão ou em manutenção no mercado, sendo assim imprescindível a utilização de tecnologias de ponta que visam à melhoria e sofisticação do transporte (CALMANOVICI, 2011; PEREIRA; LAURINDO, 2007).
Como base de estudo, utiliza-se o protótipo náutico criado pelo Instituto Federal de Santa Catarina (IFSC), no qual observa-se uma pontual dificuldade perante a direção deste. Com o objetivo principal a resolução da problemática, estima-se que o projeto de inicio a possibilidades tecnológicas futuras como: navegação autônoma, estabilidade de direção, como também na prevenção de acidentes náuticos.
O protótipo náutico do IFSC é nomeado Guarapuvu II, da equipe nomeada de Zênite Solar, composto por uma equipe de alunos de diversos cursos do instituto. O Zênite participa anualmente do Desafio Brasil Solar (DSB) que se trata de uma competição universitária de rali de barcos movidos a energia solar visando o desenvolvimento de tecnologias sustentáveis baseadas em energias limpas e com maior eficiência para o transporte náutico.
Do notório avanço tecnológico, até a elevada procura por embarcações de conforto e segurança, motiva o mercado a direcionar maiores estudos e investimentos a área. Segundo Moura e Botter (2010) a latente demanda por embarcações gera não só a criação de novos modelos como também a modernização de seus objetos de luxo, sendo essencial utilizar-se da criatividade para melhorar métodos, assim como lançar novos produtos no mercado visando adaptar-se às mudanças referente a tecnologia empregada no processo.
Logo, o projeto almeja alcançar a melhoria na direção da embarcação de competição do Instituto Federal de Santa Catarina, utilizando das tecnologias eletrônicas já existentes em mercado, desta forma criando um circuito eletrônico microcontrolado.
1.2 DEFINIÇÃO DO PROBLEMA
Sob a ótica atual, a embarcação do Instituto Federal de Santa Catarina dispõe de um mecanismo de polias e cabos para a realização do controle de direção, onde a direção é mecanicamente acoplada em uma polia que quando virada faz com que um dos cabos estique, assim puxando a polia que está na popa acoplada no conjunto leme e propulsor, como se observa na figura 01.
FIGURA 01 – Direção mecânica do protótipo náutico de competição do IFSC.
Fonte: Autor.
Neste viés, o protótipo náutico do IFSC Florianópolis apresentava dificuldades em dirigibilidade, devido a isso, o projeto visa não somente a melhoria, mas também elevar o conforto do mesmo, utilizando-se de tecnologias de sensores e atuadores.
Desta forma gera novos campos para estudos, como projetar barcos autônomos, estabilidade na navegação e até evitar acidentes de embarcações.
2 OBJETIVOS
2.1 Objetivo geral
Desenvolver um sistema de direção eletrônica para controle náutico, aplicada ao protótipo do Instituto Federal de Santa Catarina (IFSC) campos Florianópolis.
2.2 Objetivos Específicos
• Estudar atuadores e sensores de direção para aplicação no sistema de direção eletrônica do barco solar;
• Projetar o sistema de controle, empregando um controlador para o calculo de direção, definindo atuadores e sensores;
• Montar o protótipo completo, incluindo sensores, atuadores e controlador; • Testar o sistema ao todo para a identificação de possíveis falhas;
• Integrar sistemas elétricos, eletrônicos e mecanicos elaborados no protótipo náutico.
3. REVISÃO DE LITERATURA
Este capítulo apresenta uma revisão narrativa onde o método de busca garante um resultado amplo, gerando a análise da literatura científica na interpretação e julgamento crítico do autor. Neste viés, a seleção dos artigos é arbitrária, ou seja, não exige um protocolo rígido para sua confecção e a busca das fontes não é pré-determinada ou específica (VOSGERAU; ROMANOWSKI, 2014).
Nesta perspectiva, inicialmente é feita uma exposição sobre os atuadores eletromecânicos e sensores para uma adequada escolha. Posteriormente, são apresentados detalhes sobre microcontroladores e seus recursos utilizados, como protocolos, periféricos e linguagem de programação.
3.1 ATUADORES ELETROMECÂNICOS
Conforme Zamaia (2016), são chamadas de motores elétricos, máquinas elétricas rotativas que convertem energia elétrica em energia mecânica, quando tem a transformação de energia mecânica para elétrica chama-se de geradores elétricos. Com diversas formas, máquinas elétricas rotativas são conhecidos por diversos nomes: CC, síncronas, de imã permanente, de indução, de relutância variável, de histerese, sem escovas, e assim por diante. (UMANS, 2014)
O propósito de tal análise, visa observar alguns parâmetros e qualidade de cada maquina para a melhor escolha no projeto ao todo.
3.1.1 MOTOR DC
Motores de Corrente Continua (CC) ou de Corrente Direta (DC) são motores amplamente utilizados, possuem diversas características de enrolamento de campo, excitados em derivação, serie ou independente, assim, convertendo energia elétrica em energia mecânica de giro. Utilizados em varias aplicações em aparelhos eletrodomésticos como as batedeiras, centrifugas, máquinas de lavar roupa e em pressurizador de chuveiro. (SPARTANO, 2006)
Evidencia-se na indústria automobilística bombas de gasolina para motores a combustão, limpadores de para-brisas automotivos, motor de abertura de vidro e travas elétricas das portas como esboça a figura 02. (BATTEZATI, 2014) Neste mesmo rumo, está a indústria náutica, apresentando bomba de porão em embarcações, motores de propulsão elétricos para pequenas embarcações, entre outras várias aplicações.
FIGURA 02 – Motores elétricos CC em automóveis.
Fonte: BATTEZATI, 2014.
Motor DC possui basicamente duas estruturas: o estator, onde se encontra o enrolamento de campo, que possui dois tipos, sendo o primeiro composto de uma estrutura ferromagnética e polos salientes aos quais são enroladas as bobinas que formam o campo, o segundo composto de imã permanente, sendo composta de bobinas conectadas em conjunto, a estrutura conhecida como rotor localiza-se o enrolamento de armadura. Para obter corrente nas bobinas, utiliza um comutador com escovas. (UMANS, 2014)
Observa-se na figura 03 o desenho simplificado de um motor DC de dois polos com enrolamento de campo composto de imã permanente.
FIGURA 03 – Maquina CC com comutador.
Fonte: UMANS, 2014.
Através da figura 04 que é um desenho esquemático simples de um motor DC com estator composto de imã permanente e o rotor com uma bobina, observa-se o funcionamento de maneira simplificada.
FIGURA 04 – Desenho simplificado do principio de funcionamento do motor DC.
Inicialmente na situação ilustrada (a), a bobina apresenta-se horizontal, com aplicação de uma fonte DC na mesma, gera um campo magnético de atração aos polos dos imãs permanentes, gerando um torque no sentido anti-horário. Na situação ilustrada (b), a bobina continua sofrendo aceleração angular e continua o giro. Chegará um ponto onde os polos da bobina alcançam os polos opostos dos imãs permanentes como mostra na situação ilustrada (c), neste momento é feito uma inversão da corrente na bobina para que continue o torque, como se analisa na situação ilustrada (d).
3.1.2 ATUADORES LINEARES
Os atuadores lineares são dispositivos que convertem o movimento rotacional de um motor em movimento linear de puxar ou empurrar. Para gerar movimentos lineares esse tipo de mecanismo possui movimentos rotacionais no eixo do fuso, normalmente gerados por motores elétricos. Assim, ganhando mais espaços por ter um tamanho reduzido comparado com os atuadores do mesmo recurso, como atuadores hidráulicos e pneumáticos (MARTINS, 2016).
FIGURA 05 – Pistão linear com motor elétrico DC.
FIGURA 06 – Modelo esquemático de um atuador linear.
Fonte: MARTINS, 2016.
Observando as figuras 05 e 06, o funcionamento do atuador linear segundo Martins (2016), se dá da seguinte forma:
O motor elétrico transmite um torque que é convertido na velocidade angular . A velocidade de rotação é transmitida às engrenagens e, posteriormente, ao parafuso de potência. Observa-se que a velocidade angular na engrenagem A, com dentes, é a mesma velocidade do eixo do motor . A transmissão da engrenagem A para engrenagem B1, com 1 dentes, é
− 1= 1 2 dentes, possui a mesma
velocidade angular de B1. A razão de transmissão das engrenagens B2 para C, sendo este último com dentes, é 2− = 2 . O parafuso de potência d possui uma velocidade angular . Acoplada a haste do atuador, o movimento da rosca de transporte torna-se linear com velocidade . Esta possui a relação =12 , onde p é o passo do parafuso e Ne, o tipo de rosca. A razão total de transmissão do sistema é dado por = − 1 2− .
3.1.3 MOTORES DE PASSO
Motores de passo giram em etapas discretas, diferentemente dos motores que giram continuamente quando energizados. Considera-se este uma espécie de motor especial, já que, possui um melhor controle de ângulo, muito usado em dispositivos computadorizados como drivers, CDRom, máquinas de precisão.
O funcionamento de um motor de passo é descrito simplesmente por um imã atraído sequencialmente por polos de diversos eletroímãs estacionários, como se analisa na figura 07.
FIGURA 07 – Figura demonstrativa de funcionamento do motor de passo
Fonte: SPARTANO, 2006.
3.1.4 MOTORES BRUSHLESS
Motores Brushless, também chamados de Brushless de Corrente Direta (BLDC), são motores que se assemelham frente aos seus princípios com motores síncronos. A diferença entre eles é que o BLDC trabalha com uma fonte DC e um circuito eletrônico de comando para comutar as fases no estator, desta maneira realizando o giro do motor, já o síncronos recebem energia trifásica no estator e fornecem energia mecânica no eixo (SPARTANO, 2006).
Há BLDC de fase simples, duas fases e três fases. Na figura 08 exemplifica o motor brushless em perspectiva explodida, desta forma nota-se as partes que compõem o conjunto.
FIGURA 08 – Vista explodida de um motor BLDC com 3 fases.
Fonte: SPARTANO, 2006.
Para o acionamento do motor usa-se um inversor de fase. O inversor de fase para um motor de três fases terá seis etapas de comutação e o intervalo de condução é de 120° elétricos (SPARTANO, 2006).
Na figura 09 observa-se as seis etapas de comutação e como é feito o acionamento de cada fase nas etapas.
FIGURA 09 – Acionamento das fases em sua respectiva etapa de comutação.
3.1.5 SERVO MOTOR DC
Servo motor DC é uma máquina eletromecânica que possui um movimento proporcional ao comando que nele é feito, diferentemente dos motores DC que não possuem um controle efetivo de posição de ângulo do eixo. Logo, o servo motor DC caracteriza-se por dispositivos que possuem malha fechada. Este dispositivo recebe um sinal de controle, realiza a leitura de posição atual utilizando de um sensor e atua para a posição desejada com um motor DC (FERREIRA; ALVES, 2013).
O sistema atuador do servo motor DC possui um motor de corrente continua, contudo há outros sistemas de atuação utilizados com funções que se assemelham, como os motores de passo e os motores BRUSHLEES. Acopladas aos motores existe a caixa de redução, desta maneira gerando um torque maior e velocidade reduzida. Assim consegue-se servo motores de variadas funções, variados torques e variadas precisões (FERREIRA; ALVES, 2013).
Basicamente servo motores possuem quatro componentes básicos, sistema de atuador, sistema de sensor, o sistema mecânico de engrenagens e o sistema de controle:
O sistema de atuador converte a energia elétrica em energia mecânica, sendo dele a responsabilidade de mover as engrenagens que compõem o eixo do servo motor, conforme mostra a figura 10.
FIGURA 10 – Partes de um servo motor
Fonte: ZAMAIA, 2016.
O sistema de sensor detecta o ângulo que se encontra o eixo, assim realimentando o sistema ao todo. Normalmente encontra-se potenciômetros para
essa tal função, porém encontra-se vários tipos de sensores, como encoder, encoder incremental, encoder absoluto, potenciômetro multivoltas, entre outros modelos de sensores rotativos.
O sistema mecânico de engrenagens serve para transmitir o movimento de força de um eixo para o outro, podendo inverter o sentido da rotação, ou mesmo alterar o numero de rotações entre eles. A utilização deste sistema dentro de um servo motor serve para diminuir a rotação do eixo e aumentar o torque efetivo do sistema ao todo. Outra função é transmitir o movimento do eixo até o sensor de rotação.
O sistema de controle interliga eletricamente os componentes internos, como o motor, sensores e o comando externo. Normalmente são controles criados com sistemas eletrônicos utilizando circuitos integrados exclusivos para tal sistema, podendo ter microcontroladores para o mesmo fim. Para ajustar o posicionamento adequado do seu eixo, o circuito de controle recebe o sinal externo, o qual informa a posição desejada através do sinal do sensor de ângulo acoplado ao eixo, e por fim atua no motor.
3.2 SENSORES ELETROMECÂNICOS
Dispositivos compostos de componentes elétricos e mecânicos, os sensores eletromecânicos, interagem e transmitem informações ou comandos a outros sistemas. Hoje em dia há inúmeros modelos e tecnologias, por ser ele o responsável por análise de determinada condição do ambiente externo, como temperatura, rotação, pressão ou até mesmo algo de maior complexidade como sensores de partículas subatômicas.
3.2.1 POTENCIÔMETRO
Também conhecido como resistor variável, normalmente utilizado em circuitos que carecem de valores diferentes de resistência no mesmo circuito. O potenciômetro aplica ajustes de potência em equipamentos de áudio, na calibração e ajustes finos em equipamentos de medição, nos circuitos de dimmers para variação de luminosidade, entre outras várias aplicações (MELLO, 2016).
Desta forma, seu funcionamento baseia-se na variação da resistência conforme o movimento de seu eixo, gerando movimentos gradativos (MELLO, 2016). A figura 11 a seguir mostra um potenciômetro circular.
FIGURA 11 – Potenciômetro circular.
Fonte: KILIAN, 2000.
Sob uma ótica de mecânica linear, mas com a tecnologia semelhante ao potenciômetro circular, existem as réguas potenciométricas, como observa-se na figura 12.
FIGURA 12 – Potenciômetro linear.
Fonte: KILIAN, 2000.
Os potenciômetros possuem alguns problemas referentes a erros de linearidades e erro de carregamento. O erro de linearidade se da em função da construção física do componente, tendo diferença de componente para componente. Na figura 13 observa-se em gráfico o erro. (KILIAN, 2000)
Figura 13 – Erro de linearidade.
Fonte: KILIAN, 2000.
3.2.2 ENCODER
Os Encoder são componentes que realizam leituras de rotação, sendo angular ou velocidade, gerando como saída pulsos ou codificação digital de bits em paralelo.
Há dois tipos de Encoder óticos: Encoder Incremental e Encoder Absoluto.
3.2.2.1 ENCODER INCREMENTAL
Kilian (2000) traz como um componente simples, quando comparado a família. O Encoder incremental tem em sua composição apenas uma trilha de dentes igualmente espaçados, tendo um LED transmissor e fotosensor como receptor para a leitura de posição.
O funcionamento se dá quando há uma rotação no eixo, os dentes passam entre o transmissor e o receptor, realizando uma alternância entre o feixe de luz no receptor, como mostra a figura 14. Desta forma consegue fazer a medição de velocidade de rotação (KILIAN, 2000).
Figura 14 – Encoder Incrementar
Fonte: KILIAN, 2000.
Com a necessidade do sentido de rotação, foi adicionado ao componente mais um LED transmissor e um fotosensor. Na figura 15 nota-se como ficam localizados os fotosensores e os sinais que os mesmos formam.
Figura 15 – Encoder incremental com sentido de rotação.
Fonte: KILIAN, 2000.
3.2.2.2 ENCODER ABSOLUTO
Possuindo um disco com material translúcido, podendo ser vidro, acrílico ou plástico, estampado com um padrão de trilhas concêntricas conforme a figura 16. Em cada trilha há um feixe de luz individual para iluminar os fotosensores (KILIAN, 2000).
Figura 16 – Trilhas concêntricas estampadas nos discos.
Fonte: KILIAN, 2000.
Cada posição deste componente é única, sendo uma vantagem igualmente vista nos potenciômetros. Porém esta vantagem causa um custo alto para o componente, pois necessita de uma alta precisão do alinhamento dos componentes. A falta do alinhamento causa erro de leitura, perdendo a confiabilidade do mesmo (KILIAN, 2000).
3.3 MICROCONTROLADORES
Segundo Lima e Villaça (2012) um microcontrolador possui um microprocessador com memorias de programas, de dados e RAM. Resumidamente um microprocessador com os periféricos (funcionalidades) dispostos em um mesmo chip.
Pode encontrar nos microcontroladores algumas funcionalidades, tais como declaram Lima e Villaça (2012):
Dentre as funcionalidades encontradas nos microcontroladores pode-se citar: gerador independente de clock (não necessita de cristal ou componentes externos); memoria SRAM, EEPROM, e flash; conversores analógicos-digitais (ADCs), conversores digitais-analógicos (DACs); vários temporizadores /contadores; comparadores analógicos; saídas PWM; diferentes tipos de interface de comunicação, incluindo USB, USART, I2C,CAN,SPI, JTAG, Ethernet; relógio de tempo real; circuito para gerenciamento de energia no chip; circuitos para o controle de inicialização (reset); alguns tipos de sensores; interface para LCD; e outros periféricos de acordo com o fabricante.
3.3.1 MICROCONTROLADOR ATMEGA 328P
O microcontrolador Atmega 328p apresenta a maioria das características da família AVR, sendo compacto, com uma memoria flash de maior tamanho comparado aos outros da mesma família, possuindo o mesmo numero de pinos. (LIMA; VILLAÇA, 2012)
Segue algumas características deste microcontrolador:
• Microcontrolador de baixa potência, com arquitetura RISC avançada.
• 131 instruções, a maior parte executada em 1 ou 2 ciclos de clock (poucas em 3 ou 4 ciclos).
• 32 registradores de trabalho de propósito geral (8 bits cada). Alguns trabalham em par para endereçamentos de 16 bits. • Operação de até 20 MIPS a 20 MHz.
• Multiplicação por hardware em 2 ciclos de clock.
• 32 kbytes de memória de programa flash de auto programação In-System (8 k, 16 k, nos respectivos ATmega88 e ATmega168). • 1 kbytes de memória EEPROM. 2 kbytes de memória SRAM. • Ciclos de escrita e apagamento: memória flash 10 mil vezes,
EEPROM 100 mil vezes.
• Seção opcional para código de boot para programação In-System por boot loader6.
• Bits de bloqueio para proteção contra a cópia do firmware. • Tensão de operação: 1,8 - 5,5 V.
• Consumo de corrente a 1 MHz (1,8 V, 25 ºC): modo ativo = 0,2 mA e modo Power-down = 0,1 µA.
Possui os seguintes periféricos:
• Vinte e Três entradas e saídas (I/Os) programáveis.
• Dois Temporizadores/Contadores de oito bits com Prescaler separado, com modo de comparação.
• Um Temporizador/Contador de dezesseis bits com Prescaler separado, com modo de comparação e captura.
• Contador de tempo real (com um cristal externo de 32,768 kHz conta precisamente um segundo).
• Seis canais PWM.
• Oito canais AD com resolução de dez bits na versão TQFP (Thin profile plastic Quad Flat Package) e seis canais na versão PDIP (Plastic Dual Inline Package).
• Interface serial para dois fios orientada a byte (TWI), compatível com o protocolo I2C.
• Interface serial USART.
• Interface serial SPI Master/Slave.
• Watchdog Timer com oscilador interno separado. • Um comparador analógico.
3.3.2 MICROCONTROLADOR ATMEGA 328P KIT ARDUINO
Na procura por um meio barato de tornar mais fácil para os estudantes de design trabalhar com tecnologia, o professor Massimo Banzi, criara o arduino na cidade de Ivrea-Itália, mais precisamente no Interaction Desing Institute. A primeira placa teve seu nome Arduino em referéncia a um bar local frequentado por membros do corpo docente e alunos do instituto.
Logo o grande público percebeu que o Arduino possui um sistema de fácil utilização e de baixo custo, podendo ser usado em seus projetos. Sendo uma excelente introdução a programação de microcontroladores, sua popularidade cresceu rapidamente, desta forma existe um número diferente de versões de placas, como o ARDUINO UNO, ARDUINO DUEMILANOVE, ARDUINO ETHERNET, ARDUINO MEGA, ARDUINO NANO, LILYPAD ARDUNO e muitas outras. Na figura 17 observa-se os dois modelos de placa mais comumente utilizadas.
Figura 17 – Arduino UNO e Arduino NANO
Fonte: www.arduino.cc
3.3.2.1 CONVERSOR ANALÓGICO DIGITAL (ADC)
Segundo Lima e Villaça (2012) conversores analógicos-digitais são sistemas imprescindíveis, pois fazem a interpretação de grandezas analógicas e o controle de variáveis externas. Os microcontroladores atualmente trazem esses tipos de conversores incorporados, desta maneira tornando os projetos que necessitam ler variáveis analógicas mais facilmente criadas.
Características do conversor AD do ATmega328P: • Dez bits de resolução (1024 pontos).
• Precisão de +- 2 LSBs (bits menos significativos). • Tempo de conversão de 13 ate 260 s.
• Ate 76,9 kSPS (kilo Samples Per Second), 15 kSPS na resolução máxima. • Seis canais de entrada multiplexados (+2 nos encapsulamentos TQFP e
QFN/MLF).
• Faixa de tensão de entrada de 0 ate VCC. • Tensão de referência selecionável de 1,1 V. • Modo de conversão simples ou continua. • Interrupção ao término da conversão. • Eliminador de ruído para o modo Sleep.
• Sensor interno de temperatura com +- 10 C° de precisão.
Motores, lâmpadas, LEDs, fontes chaveadas e inversores são dispositivos eletrônicos que podem ser controlados a partir da geração de sinal PWM. Sinais como estes, baseiam-se em uma média de onda periódica. O PWM digitalmente usa de um intervalo de tempo determinado em que o sinal fica em nível lógico alto ou baixo, desta forma, alterando o valor médio e obtendo um controle do sinal. O intervalo de tempo é chamado de ciclo ativo (Duty Cycle). Na figura 18 pode-se observar o funcionamento do PWM de 0 ate 100%.(LIMA; VILLAÇA, 2012)
FIGURA 18 – PWM com largura de pulso em 0, 25%, 50%, 75% e 100%
Fonte: LIMA; VILLAÇA, 2012.
Para cálculo do valor médio, utiliza-se a equação:
3.3.2.3 INTER-INTEGRATED CIRCUIT – I2C
O protocolo Inter-Integrated Circuit (I2C) foi criado pela Philips Semicondutores, com o intuito de transmitir dados de forma digital, utilizando apenas duas linhas para realizar as transmissões: a SDA (linha de serial de dados) e SCL (linha serial de clock). A comunicação I2C obtém um clock de 100kHz, já a transmissão de dados entre o mestre e o escravo inicia através da transição do sinal SDA para nível baixo, mantendo-se o SCL em nível alto e atinge-se o encerramento com a transição do sinal SDA para nível alto mantendo o SCL também em nível alto (FÖRSTER JUNIOR; SILVA, 2014; SCHLAG, 2017).
Frente a transmissão de dados, essa se dará somente no intervalo em que o sinal SCL estiver em nível baixo. A transmissão de bytes (8 bits) sempre encerra-se com um bit de reconhecimento (ACK) e estabelecido pelo dispositivo escravo. Assim, quando o dispositivo mestre recebe o ACK, significa que o dispositivo escravo está pronto para receber outro byte (SCHLAG, 2017).
3.3.2.4 INTERFACE SERIAL SPI
A comunicação serial SPI (Serial Peripheral Interface), um padrão que opera em full duplex, utilizada por uma infinidade de circuitos, foi criada pela Motorola. Exemplo os conversores DAs e ADs, memorias flash e EEPROM, relógios de tempo real, sensores de temperaturas, sensores de pressão, potenciômetros digitais, LCDs e telas sensíveis ao toque.
Dispositivos que utilizam desta comunicação, classificam-se como mestre e escravos, sendo um protocolo muito simples, não se limitando em palavras de 8 bits, havendo a possibilidade de encaminhar mensagem de diversos tamanhos, conteúdo e finalidade arbitrária. Há quatro vias para esta comunicação, a MOSI (Master Out – Slave In): saída de dados do mestre, entrada no escravo; a MISO (Master In – Slave Out): entrada de dados no Mestre, saída do escravo; a SCK: clock serial, gerado pelo mestre; e a SS (Slave Select) - seleção do escravo, ativo em zero (LIMA; VILLAÇA, 2012). A Figura 19 exemplifica a comunicação SPI como um escravo.
Figura 19 – Comunicação SPI com um escravo.
Fonte: LIMA; VILLAÇA, 2012.
3.4 COMUNICAÇÃO CAN
Com o intuito de simplificar os complexos sistemas de fios elétricos em veículos, a empresa BOSH na Alemanha desenvolveu o protocolo CAN (Controle Area Network), sendo o seu principal objetivo na indústria automobilística.
Dependendo da necessidade, os módulos que usam o protocolo de comunicação CAN podem se tornar em um determinado tempo mestre ou escravo, sendo baseado no conceito multi-mestre, ainda tendo a possibilidade de mandar um conjunto de pacotes para um determinado conjunto de receptores, sendo assim enviados em regime multicast.
A figura 20 mostra a comparação entre sistema sem comunicação CAN e com a comunicação.
Figura 20 - Comparação Entre Sistemas.
Utiliza-se como meio físico para o protocolo CAN um par de fios trançados e não blindados, existem redes baseadas em 2 e 4 fios. Trabalham com os sinais de dados CAN H (CAN HIGH) e CAN L (CAN LOW), onde no barramento com 4 fios além dos sinais de dados aparecem um fio com o VCC e outro com o GND. A figura 21 representa um barramento CAN de somente dois fios.
Figura 21: Barramento CAN.
Fonte: SANTOS, 2017.
Utilizando a analise da diferença de potencial entre as linhas de sinais, CAN H e CAN L, há uma forte atenuação dos efeitos de interferência eletromagnética, pois uma vez que qualquer perturbação eletromagnética venha a pegar no sistema, causa uma flutuação nos dois sinais, de mesma intensidade e sentido.
Um sistema de rede de dois fios half duplex de alta velocidade denomina-se CAN. Sendo esta uma tecnologia muito superior a tecnologias seriais convencionais, como o RS232, quanto a funcionalidade e confiabilidade. Logo, sendo a maior vantagem do CAN.
O CAN gera uma quantidade reduzida de fiação, junto a prevenção engenhosa de colisão de mensagens. Assim, garantindo que durante a transmissão das mensagens, nenhum dado será perdido.
3.5 PONTE H
Há diversas soluções quanto ao controle do motor DC, a ponto H por sua vez é a mais rotineiramente utilizada, já que realiza o controle de velocidade e de sentido de giro.
A topologia do circuito tem como origem do nome, pois quando montado lembra a letra H, como observa-se na figura 22 (SOUZA, 2010).
Figura 22 – Ponte H
Fonte: SOUZA, 2010.
Observando a Figura 22, nota-se que a topologia trabalha com quatro chaves, podendo ser eletromecânicas (relê) ou eletrônicas, como os MOSFETs, transistores bipolares e TRIACs. Com a atuação de um par de chaves, gera uma tensão nos polos do motor, assim acionando o mesmo. Quando as chaves S1 e S4 estão acionadas, o motor desloca seu eixo para um sentido e quando S2 e S3 são acionadas, o motor desloca para o sentido oposto. Com essa configuração obtém-se a inversão do motor quando necessário e o controle de velocidade aplicando em uma das chaves do par acionado a modulação PWM.
4. METODOLOGIA
Trata-se de um estudo de desenvolvimento experimental, ou seja, refere-se a um trabalho rigoroso, que utiliza conhecimentos que decorrem da pesquisa ou da experiência prática objetivando a criação de novos materiais, equipamentos, politicas e comportamentos (KINCHESCKI; ALVES; FERNANDES, 2015).
O estudo é do tipo exploratório buscando proporcionar mais familiaridade com q problemática, uma vez que se reconhece o objeto de estudo (KINCHESCKI; ALVES; FERNANDES, 2015).
De acordo com a metodologia apresentada, são propostos hardwares e firmwares dos módulos, tendo em vista a elaboração de um novo método de direção do protótipo náutico.
O ponto de partida foi a escolha do atuador eletromecânico e o sensor de ângulo, sendo possível a escolha dos componentes que atuaram sobre eles. Elabora-se as placas de circuito impresso para que haja a interligação eletrônica dos circuitos. Por fim, cria-se métodos para minimizar os impactos nos circuitos causados por um ambiente critico, como proteções das conexões elétricas e a escolha dos conectores resistente ao meio, local de armazenamento das placas, utilizando de resina de silicone e a escolha do material dos cabos de comunicação.
Com a finalização do projeto, espera-se a fixação do mesmo no protótipo náutico a fim de testa-lo fora das bancadas e obter os resultados esperados.
5. DESENVOLVIMENTO
Objetivando a análise das tecnologias adequadas para cada ponto do sistema, empregou-se para as escolhas dos componentes a serem utilizados, tanto sua eficiência, aquisição em mercado e custos. Verifica-se no diagrama de blocos da FIGURA 23 o sistema ao todo e os componentes a serem observados.
Figura 23 – Diagrama de Blocos
Fonte: Autor
O presente projeto tem fortes dependências da embarcação Zênite Solar, sendo ela uma combinação de sistemas eletrônicos e mecânicos, de criação de um grupo de estudos. Assim, sendo necessários alguns requisitos e especificações a serem seguidas, que foram definidos juntamente com o orientador e a equipe Zênite Solares.
• Consumo das baterias ou bateria auxiliar. • Menor peso possível.
• Controle efetivo da direção, sendo que substituiria a direção mecânica por completo, tendo possibilidades de uma melhora na estabilização do barco Zênite.
• Custo acessível.
• Precauções em função do ambiente insalubre, por possuir uma extrema umidade, vibrações, oxidação e temperaturas elevadas.
• Disponibilidade dos componentes.
5.1 ATUAÇÃO NO CONJUTO DE LEME E PROPULSOR
Como ponto de partida, deve-se verificar o atuador eletromecânico, para fazer o giro do conjunto leme e propulsor, desta forma alterando a direção que o barco irá seguir. O propósito de tal análise, visa observar alguns parâmetros mais adequados, como força, velocidade de giro, custo dos materiais.
Para o estudo destes parâmetros foram empregadas informações de testes previamente realizadas através da equipe responsável pela mecânica do protótipo náutico. Assim, um teste de força na direção, onde o piloto principal do barco realiza uma força como se estivesse pilotando, tendo o conjunto de leme e propulsor preso e com um dinamômetro entre o cabo de aço, verificou-se no painel do mesmo uma força de 14 Kg. A polia que compõem no leme e propulsor, tem um diâmetro de 14 cm, como mostra na figura 24.
Figura 24 – Medindo força no cabo da direção mecânica.
O conjugado (também chamado torque, momento ou binário) é a medida do esforço necessário para girar o eixo do leme propulsor. Na prática verificou-se que, com um processo muito utilizado em poços, conforme mostra à figura 25, a força aplicada na manivela F depende do comprimento E da base da manivela. Quanto maior a base, menor será a força necessária ne mesma. Dobrando o tamanho E da base, a força necessária F será à metade (WEG, 2016).
Figura 25 – Exemplo de um poço.
Fonte: WEG, 2016
Para calcular o torque produzido no eixo usa por definição que C = F . r , onde C é o conjugado (torque) em N.m, F é força em Newtons e R é o raio da polia.
De acordo com calculado, provou-se que o torque mínimo necessário para determinar o atuador é de 9,8 N.m (Newtons por metro).
A identificação do ângulo máximo de giro que o conjunto do leme e propulsor atua na embarcação, gerou uma discussão em conjunto com a equipe de mecânica do protótipo, assim, foi definido um total de giro de 180 graus, sendo 90 graus para ambos os lados, como exemplifica a Figura 26.
FIGURA 26– Ângulo máximo de giro do eixo
Fonte: Autor
O tempo total que o conjunto terá que se movimentar de um lado para o outro, destaca-se como um ponto a ser analisado, já que idealiza ter um menor tempo possível. Contudo , quando se precisa de um tempo menor, tem que ter um atuador eletromecânico com uma potência elevada.
Determinou-se então, um tempo total de no máximo dois segundos, para que o tempo de giro de direção do barco esteja adequada, e não interfira na dirigibilidade do protótipo náutico.
Com os parâmetros desejados e verificando os custos dos motores estudados optou-se, então, pelo de menor custo, o motor DC 12 V. Em primeiro contato utilizou-se um motor de limpador de para-brisa de automóvel, por possuir um torque alto e uma caixa de redução integrada, como se constata na Figura 27.
FIGURA 26 – Motor de limpador de para-brisa de automóvel.
Motor BOSCH, porém não possuía muitas informações do mesmo, com isso realizou-se testes com eixo livre, verificando uma rotação de 70 RPM e com o motor com o eixo trancado, chegou a uma corrente de alimentação em 38 Amperes. Com essas informações procurou-se um datasheet mais próximo possível, como mostra a figura 27.
FIGURA 27 – Datasheet motor BOSCH modelo CEP 9390453042
Fonte: https://www.casaferreira.com.br/index.php/motores-bosch/motor-bosch-cep-9-390-453-042-12v-75rpm.html.
Juntamente com a equipe responsável pela mecânica do barco, foram realizados estudos frente à nova tecnologia a ser inserida no Zênite Solar. As fixações do motor elétrico, sensor de posição, redução, correia de conexão com o eixo do leme formam as principais estruturas mecânicas. Logo, a equipe fez o projeto individualizado da estrutura do Zênite Solar, podendo ser retirado quando necessário.
Após testes com diversos motores e reduções mecânicas, elencou-se os que melhores se desempenharam junto ao projeto, assim sendo o motor DC da marca CIM FR801 e uma redução mecânica do tipo fuso/engrenagem com uma relação de
56:1, sendo que a cada 56 voltas no eixo de entrada da redução, terá uma volta no eixo de saída. O motor em sua máxima eficiência alimentado com 12v, proporciona 4600rpm e 0,32Nm com 19 amperes.
Para uma correta adequação ao sistema, introduziu-se um primeiro estágio que reduz em 2:1 através de correia e coroa sincronizada, próximo estagio possui uma redução de 1,4:1, essa conexão é feita através de corrente de aço e para alocar a rotação a caixa de redução e por fim a caixa de redução em fuso com 56:1. Tal sistema de redução ampliou o torque do motor para 50Nm deixando uma excelente margem de segurança, gerando uma redução total de 157:1, ou seja, a rotação passou de 4600 rpm para 30 rpm.
A base para apoio do motor e redução foi fabricada em aço inox e alumínio, sendo possível regular com facilidade a correia e corrente da transmissão.
Ilustrado na figura 28, a fixação do sensor, motor e redução.
FIGURA 28 – Fixação do motor, sensor e redução na popa do barco Zênite.
Fonte: Autor
Sob a ótica da atuação do leme, a tecnologia dos servomotores nos deu uma indicação de quais componentes poderiam ser utilizados, uma vez que são compostos por atuador, sensor de ângulo e microcontrolador, conforme ilustra a figura 29.
FIGURA 29 – Partes de um servo motor
Fonte: ZAMAIA, 2016.
5.2 SENSOR DE ÂNGULO DO LEME
Para uma adequada atuação de controle do leme, utiliza-se a informação do ângulo atual do leme para gerar uma atuação no motor DC. Os parâmetros principais a serem observados são, o ângulo máximo de giro do leme, o alcance de ângulo, resolução, valor e resistência do componente ao ambiente crítico. Como descrito anteriormente, o ângulo máximo de giro total foi definido como em 180º.
Como primeira escolha, optou-se por utilizar o sensor Encoder Absoluto. A escolha se deu pelo fato do componente possuir em cada ângulo um conjunto de bits, desta forma mesmo com a perda de energia ou desligamento do sistema não perderia o ângulo correto que se encontra a rabeta. Assim, a mínima resolução estipulada foi que em cada grau de ângulo tivesse uma combinação de bits, com isso teria que ter um mínimo de 180 combinações.
A problemática gerada nesta etapa da execução do projeto foi em torno do preço alto, dificuldade em encontrar o modelo desejado. Logo, conclui-se que seria melhor promover a troca do componente, substituindo pelo potenciômetro.
O potenciômetro possui uma resolução infinita, tendo em vista que, a sua saída baseia-se em um sinal analógico. Observando outros pontos, há um ângulo máximo de 270° e seu valor de compra varia, conforme sua qualidade e características especiais. Assim, mostrando-se uma opção mais adequada ao projeto em questão.
Com o viés dos sensores, considerou-se como fator de escolha as interferências e a qualidade do mesmo. Assim, preferiu um sensor utilizado em pedais de guitarra, já que os mesmo possuem dois sensores em um mesmo eixo, há uma qualidade maior de fabricação e como fator essencial para o projeto seu encapsulamento tem uma vedação superior aos potenciômetros comuns. A figura 30 demonstra o modelo de potenciômetro utilizado no projeto.
Figura 30 – Potenciômetro blindado linear duplo.
Fonte: https://www.tecnis.pt/compra/potenciometro-linear-duplo-blindado-5k%CF%89-3438.
5.3 CONTROLE DO CONJUNTO DO LEME – PROJETO 1
Com o motor já dimensionado, o conjunto mecânico já apropriado para utilização no protótipo náutico, sensor escolhido conforme a necessidade, o próximo ponto se dá na coleta dos dados e atuação adequada no motor. Observou-se a necessidade de utilizar um microcontrolador para gerar cálculos e atuações adequados para nosso projeto.
Microcontrolador utilizado tem como fabricante a Atmel, com o modelo Atmega328p, utilizando da programação C para Arduino e do modulo ARDUINO NANO.
Na Figura 31 encontram-se os componentes que compõem o conjunto, tanto na parte mecânica, quando parte elétrica de sinais e elétrica de potência. As flechas pretas significam interação mecânica, flechas azuis interação de sinais elétricos e fecha laranja atuação de elétrica de potência.
FIGURA 31 – Diagrama de blocos do conjunto de atuação do leme.
Fonte: Autor
A programação foi realizada conforme o fluxograma na Figura 32. Inicialmente selecionou os pinos digitais três e cinco em modo de saída, controlando a ponte H, assim gerando a parte de controle de potencia do motor DC. Para receber a informação da direção, foi decido usar a comunicação I2C, por sua simplicidade e por usar somente quatro fios para sua comunicação, sendo designado um valor entre 0 a 255 para a informação do ângulo da direção e conforme a comunicação I2C, o ID para a recepção dos dados foi designado como nove. Após essa inicialização do microncontrolador e escolhido os pinos de saída, designa um pino como analógico para entrada de informação da posição do conjunto leme e propulsor, sendo a escolha o pino analógico zero, realiza a conversão analógica digital, passa uma informação proporcional ao ângulo do sensor, recebendo uma informação de valor entre 0 a 1024. Foi realizado um mapeamento proporcional do número que inicialmente é entre 0 a 1024 para o valor entre 0 a 255.
Com essas informações, calcula-se a diferença entre o valor que se encontra a posição da direção e a posição do conjunto de direção. Utilizando da diferença, o motor terá uma ação e qual sentido de giro que terá atuação. Caso o numero dessa
diferença seja positiva, o motor irá girar em um sentido, caso a diferença seja um valor negativo irá girar para o outro sentido, e por final se o número estiver zerado não terá nenhuma ação no motor.
O controle da ponte H se da pelas portas três e cinco, sendo que para gerar um sentido de giro coloca-se uma porta em nível logico alto e outra porta em nível logico baixo. O módulo de ponte H de modelo IBT_2, conhecido como BTS7960, por possuir dois drivers deste modelo, possibilita utilizar da tecnologia PWM, com isso tendo um controle efetivo do motor.
A Figura 32 demonstra o valor para que se possa iniciar determinada atuação no motor. Escolheu-se inicialmente o valor 3, essa alteração foi realizada por notar em testes que o valor recebido do modulo da direção e o valor recebido da porta analógica do sensor de posição do motor gerava uma certa variação indesejada. A presente alteração somente possibilita a atuação do motor quando o valor da diferença entre o modulo de direção e o sensor do motor for maior que três ou menor que menos três, assim, deixando a atuação mais estável e com menor consumo de energia, tendo em vista que não realiza atuação indesejada.
FIGURA 32 – Fluxograma da programação do microcontrolador de atuação.
Fonte: Autor.
Com a aplicação de uma potência controlada sobre o motor, com a utilização do PWM, gera-se uma estabilidade da direção e uma maneira de redução do consumo, tendo em vista que a atuação será proporcional ao aumento da diferença
entre o sensor da direção e o sensor do atuador. Com isso, uma atuação mais fraca no motor quando a diferença for menor, e quando essa diferença for crescendo, a atuação aumenta proporcionalmente.
5.4 ÂNGULO DA DIREÇÃO - PROJETO 1
Após a realização do controle do leme, foi realizado a analise e informação do ângulo da direção.
Para gerar a informação do ângulo de direção, foi necessária a utilização de um potenciômetro blindado de 10k , com o seu eixo mecânico diretamente acoplado no eixo que compõem o volante do protótipo, como mostra a Figura 33.
FIGURA 33 – Fixação e adequação mecânica do sensor de direção.
Fonte: Autor.
Notou uma baixa utilização de portas físicas no microcontrolador do modulo da proa, em vista desta característica, optou-se por um de menor tamanho e menor consumo, como demonstrado na figura 34. Chip do microncontrolador vindo da mesma fabricante do Arduino NANO, o ATtiny85 da Atmel possui somente 8 portas físicas, como ilustra a figura 35, memoria flash de 8kB e comunicação I2C integrada. Com isto foi adquirido um modulo chamado DIGISPARK,
FIGURA 34 – Foto do modulo Digispark comparado com um tamanho de uma moeda.
Fonte: http://digistump.com
Figura 35 – Pinos do modulo Digispark ATtiny85
Fonte: http://arduinoecia.com.br.
Observa-se no diagrama de blocos da Figura 36 a aquisição de informação do ângulo da direção, onde recebe uma alimentação de 12 v e mais a comunicação I2C.
Comunicação I2C utiliza dois pinos, são eles D2 e D0, respectivamente SCL e SDA da comunicação.
FIGURA 36 – Diagramas de blocos da aquisição do ângulo da direção
Fonte: Autor.
A programação foi utilizada na IDE do Arduino, utilizando da linguagem de programação C, seguindo conforme o fluxograma da Figura 37.
FIGURA 37 – Fluxograma da programação da direção - projeto 1.
Fonte: Autor.
5.5 INTEGRAÇÃO AO PROTOTIPO NAUTICO - PROJETO 1
Durante a realização de teste, observou-se que o projeto não funcionou da forma esperada. Durante a análise do ocorrido, notou-se que o problema estava na ponte H, mais precisamente em um defeito de fabricação, demonstrado da figura 38.
Figura 38 – Teste em bancada apresentando o erro de PWM.
Fonte: Autor.
Sob a ótica do problema, quando havia uma atuação da ponte H no motor para um sentido de giro, o motor girava normalmente, porém quando era acionada para o sentido oposto, a ponte H aquecia muito, e o motor gerava um barulho diferente e pouca força. A ponte H, quando tinha uma atuação em um sentido estava mandando energia tanto negativa quanto positiva, e fazia com que o motor não girasse adequadamente. O problema mais facilmente visível com o osciloscópio, como na figura 39 e figura 40.
FIGURA 39 – Sinal de saída da ponte H com defeito.
Fonte: Autor.
FIGURA 40– Sinal de saída da ponte H em funcionamento normal.
Fonte: Autor.
Com a troca da ponte H o projeto funcionou como o esperado. Assim, finalizando o processo de escolha e teste desta parte.
Sob a ótica dos testes realizados, a integração dos módulos foi testada de forma separada, a fim de verificar seu funcionamento, o que no caso, se deu de maneira satisfatória e esperada.
O sensor da direção fixado junto ao eixo da direção, próximo ao módulo do microcontrolador da proa que faz o cálculo médio do sinal do sensor e a comunicação I2C, como ilustrado na figura 41.
FIGURA 41 – Localização e fixação dos componentes na Proa.
Fonte: Autor.
A redução, o sensor e o motor foram fixados mecanicamente no eixo do leme e propulsor. Já o módulo do microcontrolador, a fixação se deu junto aos outros controladores do protótipo, como se observa na figura 42.
FIGURA 42 – Localização e fixação dos componentes na Popa.
Frente ao exposto, foram observadas problemáticas a serem sanadas, sendo ela a distância da comunicação I2C ficou em 7 metros, desafiando a literatura que aponta sua maior distancia em 1 metro. Logo, houve a necessidade de iniciar um novo projeto, com uma comunicação que se adequasse ao projeto.
Após o problema, resolveu gerar um projeto novo com outro modelo de comunicação.
5.6 CONTROLE DO CONJUNTO DO LEME – PROJETO 2
Após discussão, e revisão de literatura, na busca por uma comunicação adequada, verificou-se como opção a utilização da comunicação CAN. Uma vez que, esta comunicação já estava sendo utilizado entre os controles das bombas de porão, controle da potência do motor DC de propulsão e chave de segurança, conhecida como Dead Man’s Switch.
Com o acréscimo da comunicação CAN, basicamente a diferença do primeiro projeto se da na utilização da comunicação SPI, sendo ele para o controle da comunicação CAN. Observa-se na Figura 43 como ficou composto em diagrama de blocos do novo projeto.
FIGURA 43 – Diagrama de blocos do modulo da popa.
Fonte: Autor.
O módulo de comunicação CAN escolhido possui um controlador CAN MCP2515 e um Transceptor TJA1050 integrado à placa, na figura 44 mostra uma foto do modulo.
FIGURA 44 – Foto do modulo CAN MCP2515 TJA1050
A Figura 45 representa o esquema elétrico composto do modulo da popa. FIGURA 45 – Esquema elétrico do módulo da popa.
Fonte: Autor.
Para uma adequada conexão do modulo CAN e do modulo Arduino NANO, produziu uma placa de circuito impresso. A figura 46 mostra a placa de circuito impresso de face única criada.
FIGURA 46 – Placa de circuito impresso do módulo da popa.
Para atuação do motor DC, o modulo de ponte H utilizado tem seu modelo conhecido como IBT_2, que compõe de dois drivers BTS7960, sendo cada um responsável por metade da ponte H. A figura 47 ilustra o real modulo utilizado.
Tem por características alimentação entre 5 a 45 Volts, e capacidade de uma corrente máxima de 43 Amperes.
FIGURA 47 – Módulo IBT_2.
Fonte: Autor.
Com uma utilização simples, o modulo realiza um ótimo controle do motor DC 12 v escolhido. Abaixo tem as informações dos pinos de controle e a ligação elétrica, sendo observado no esquema elétrico na figura 48.
1 - PWM Direção 1 – Porta digital D3 2 - PWM Direção 2 – Porta digital D5
3 - Ativar / Desativar PWM Direção 1 - HIGH ativa – VCC 5 v 4 - Ativar / Desativar PWM Direção 2 - HIGH ativa – VCC 5 v 5 - Direção 1 - Side Currente Alarm Output – Nada consta
6 - Direção 2 - Side Currente Alarm Output - Nada consta 7 – VCC –VCC 5 v
FIGURA 48 – Esquema eletrico ponte H IBT_2
Fonte: Autor.
Devido a eventuais mudanças, foram necessárias adequações na programação usada no microcontrolador. O fluxograma da figura 49 explana a programação criada.
FIGURA 49 – Fluxograma da programação do modulo da popa.
A programação foi gerada com possibilidades de ajustes, sendo da potência do motor e ângulos do conjunto de leme e propulsor. Com possibilidades de verificações de possíveis erros, retratados através da porta de comunicação serial do microcontrolador (USB).
Quando ocorrido uma perca total na comunicação CAN, não é tratado somente através da porta de comunicação USB, mas também realiza um processo de atuação no motor, jogando ele para o ponto 128, ponto este referente a 90° do conjunto leme e propulsor. O tratamento desse erro teve um olhar mais atento para o barco não ter a possibilidade de seu conjunto de leme propulsor travado para o lado, desta forma levando para a direção reta.
Para ajustes de ângulo, necessita alterar a informação do mapeamento proporcional. Com o mesmo princípio abordado no ajuste de ângulo da direção, obtém-se a possibilidade de ajuste do intervalo de posição angular do conjunto leme e propulsor, alterando com mesma proporcionalidade o início e o fim do mapeamento.
O ajuste de potência do motor está ligada a diferença entre o valor recebido da direção e o valor mapeado do sensor do motor. Conforme o primeiro projeto, quanto maior a diferença entre eles maior será a potência acionada no motor. Contudo, notou-se que com pouca diferença a ação no motor era muito fraca, não vencendo a força motora necessária. Estabeleceu uma força inícial para sanar o problema, alocando uma variável responsável pela ação, chamada de potini.
A variável chamada de potfin faz um ajuste semelhante ao informado acima, no entanto, coloca o motor em potência máxima quando o valor da diferença tornar-se igual ou maior que a variável definida.
Outro ajuste importante é o de variação indesejável, como já havia sido abordado no primeiro projeto, notou-se a necessidade de continuar usando. Na programação vem com o nome de variável inzero, que significa que terá atuação no motor somente quando o valor da diferença entre direção e conjunto do leme e propulsor ser maior que o módulo da variável.
A figura 50 ilustra um gráfico que informa a potência do motor pela diferença entre o valor recebido da direção e o valor mapeado do sensor com a atuação das variáveis de ajustes.
FIGURA 50 – Gráfico demonstrativo das variáveis pela potência no motor.
Fonte: Autor. 5.7 ÂNGULO DA DIREÇÃO – PROJETO 2
Possuindo baixa quantidade de posrtas, a troca do microcontrolador se fez necessária, sendo substituído Atmega 328p, com o modulo Arduino Nano. Foi acrescentado junto a esta substituição, um módulo de comunicação CAN. A decisão de troca do microcontrolador se deu pelo fato de que o escolhido no projeto 1 possuía poucas portas físicas, sendo que com o acréscimo do modulo CAN, foram utilizados os pinos da comunicação SPI, conforme se observa no esquema elétrico da Figura 51.
FIGURA 51– Esquema elétrico da proa.
A Figura 52 mostra o diagrama de blocos do sistema.
Figura 52 – Diagrama de blocos modulo da proa Projeto 2.
Fonte: Autor.
Dentre as mudanças que ocorreram, acredita-se que a mais significativa delas foi a troca do microcontrolador e a anexação do modulo CAN. Sob a ótica da programação, a figura 53 exemplifica a programação realizada.
FIGURA 53 – Fluxograma da programação da direção projeto 2.
Inicialmente a programação verifica se o modulo CAN, do modelo MCP2515, esta inicializando normalmente, caso não, gera uma nova tentativa, até realizar a conexão.
Determinou-se que o pino A2 é o pino de entrada do sensor acoplado mecanicamente ao eixo do volante do piloto. A programação realiza uma media de 10 amostras, como o estipulado na programação através da variável “Nmedia”.
Com o valor médio do sensor, o próximo passo se da no mapeamento proporcional do valor, que vai de 0 a 1022 para o valor entre 0 a 255. Para enviar a informação para o modulo da popa, manda-se através do modulo CAN o valor calculado somado ao ID do mesmo, sendo o ID em hexadecimal e seu valor de 0x60.
Ao final a programação recebe informações do microcontrolador da popa, caso a mesma mande informação de erro. Em primeira partida, a programação não está fazendo uso, pois não foi criado sistema de verificação de defeito.
A programação nos proporciona ajustes de direção, pelo fato de possuir um mapeamento proporcional do sensor. Esse ajuste se dá na alteração inicial e final da variável adquirida do sensor. Observa-se na Figura 54 o modo de escrita da programação, sendo “varialvel de saída” a variável do que resultará o mapeamento, “variável” é a variável de valor do sensor, “A” valor inicial do mapeamento, onde irá alterar o ângulo inicial de atuação do sensor, “B” valor final do mapeamento, essa alteração mudará o ângulo final no sensor, “C” e “D” são as variáveis fixas do valor de saída, que sempre serão no intervalo entre 0 a 255.
Para ter uma proporção de ângulo por valor da variável, calcula-se: !"
#$ %$& " ' (
' ')(
Conseguiu-se ter uma noção que a cada 0,26° de variação do potenciômetro há um acréscimo do valor da variável. Com esse valor realiza-se a alteração do ângulo de início e de fim de curso do sensor da direção.
Obtém-se um exemplo de uso quando se deseja ter uma direção com um curso máximo de 180º, em vez de usar o total de 270°, sem a perda da centralização da direção, para isso realiza-se o calculo:
' ( * +&$" ,! - - .$ / +&$" - 0 $/ +&$" - 0 $/ ' ( * (
+&$" - 0 $/ (
• Encontrar o valor para o inicio de curso. +&$" - 0 $/
' +1 $!- % %,%$"/ +1 $!- % %,%$"/ 2(
+&$" % %,%$"/ +1 $!- % %,%$"/')( +&$" % %,%$"/ 3
• Encontrar valor para o fim de curso +&$" - 0 $/ ' +1 $!- 4% $"/ +1 $!- 4% $"/ 2( +&$" 4% $"/ ' * 5+1 $!- 4% $"/')( 6 +&$" 4% $"/ ' * 3 +&$" 4% $"/ 2
Encontrado os valores, ajusta-se a programação. Observando a Figura 54, substituiu-se o valor da variável “A” por 173, o valor de “B” por 851 e preservou-se os valores de “C” e “D” respectivamente em 0 e 255. Essa alteração fará com que quando o valor do ângulo do sensor for menor ou igual a 45°, o valor de saída será igual a zero e quando for maior que 225º terá o valor de saída em 255. Entre o valor de 45º a 225º terá uma proporção conforme o calculo abaixo:
+ / + 2( * ''2(/'
+ / (
A cada 0,17° de alteração do potenciômetro, há um acréscimo do valor da variável, com isso deixando a direção mais sensível.
Conclui-se que o ajuste proporciona alteração na sensibilidade da direção, diminuindo o curso do potenciômetro a ser mapeado.
FIGURA 54 – Direção, sensor e variáveis de programação.
Fonte: Autor.
Outro ajuste importante consistiu em centralização da direção, caso a direção fique mecanicamente fora de ângulo com o sensor. O ajuste se dá na mudança de posição do intervalo.
Pode-se exemplificar caso a direção esteja com 10° de erro, e seu curso máximo de 180°, como se observa na figura 55.
FIGURA 55 – Sensor 10° defasado
Fonte: Autor.
O intervalo de 180° foi calculado anteriormente, tendo um valor inicial em 173 e o valor final em 851. Como há um problema de centralização em 10°, realiza-se a mudança de início e fim de curso, encontrando o valor referente a 10°.
!" #$ %$& " #$ %$& " !" #$ %$& " ')(( #$ %$& " 3
Calcula-se que 10° é igual a 38 pontos da variável, com isso subtrai do valor inicial e do valor final.
+&$" % %,%$"/ 3 * 3 +&$" % %,%$"/ 32 +&$" 4% $"/ 2 * 3 +&$" 4% $"/ 3
Com a alteração dos valores, finalizou-se o ajuste da direção sem precisar alterar mecanicamente o acoplamento do sensor até a direção. A figura 56 mostra como ficará o intervalo da programação comparado com o sensor e com a direção.
FIGURA 56 – Sensor 10° defasado, com ajuste de programação.
Fonte: Autor.
Com a finalização da programação e o projeto do esquema elétrico, realizou-se a criação do layout da placa como ilustrado na figura 57.
FIGURA 57 – Layout placa do modulo popa.
Fonte: Autor.
5.8 INTEGRAÇÃO AO PROTOTIPO NÁUTICO - PROJETO 2
Com a finalização dos projetos dos módulos da proa e da popa, preocupou-se com o funcionamento adequado do projeto integrado ao protótipo náutico.
A distância média entre a proa e a popa mantem-se em sete metros, sendo que os módulos serão fixados mais próximo possíveis dos sensores respectivos. Conforme o modulo CAN, há a necessidade de utilizar par de fios trançados e não blindados. Uma das partes de grande preocupação no projeto, pelo fato de não poder perder a comunicação por uma falha de rompimento nos cabos, optou-se por procurar cabos de materiais que sofrerão menos desgastes com a alta oxidação e a alta vibração. Em uma busca, deparou-se com cabos CAT-5E utilizados em rede de computadores, os comumente utilizados são de fios de cobre e sólidos. Como este é um ambiente hostil, de alta umidade e vibrações, usou-se um cabo de material em alumínio e flexível como se avalia na Figura 58.
FIGURA 58– Fio 24AWG 4 pares trançados, flexível e alumínio
Fonte: Autor.
Pensando em facilitar a instalação, decidiu-se em utilizar conexões nos cabos, a ilustração da Figura 59 mostra as localizações das conexões.
FIGURA 59 – Conexões do cabo de comunicação CAN
Fonte: Autor.
Não podendo esquecer a fragilidade que um conector poderá gerar na comunicação, optou pela escolha de um modelo resistente ao ambiente, sendo de comum utilização em automóveis, tem seu nome conhecido como Superseal, na figura 60 analisa-se que o mesmo possui uma vedação mais adequada.
FIGURA 60 – Conector Superseal
Fonte: Autor.
A montagem dos conectores da comunicação CAN, para trafego dados, propunha-se o par trançado de cor verde, o de cor marrom foi usada para transferir energia para os módulos, sendo o fio branco com marrom alimentação positiva de 12 volts e o marrom a referência, como demostrado na figura 61.
FIGURA 61 – Montagem do conector CAN
