MATEMÁTICA
Mestrado em Modelagem Matemática
Rosângela Rommel Regner
MODELAGEM MATEMÁTICA DA DINÂMICA DA RODA DE TRAÇÃO DE UM
VEÍCULO COM ACIONAMENTO ELÉTRICO
MODELAGEM MATEMÁTICA DA DINÂMICA DA RODA DE TRAÇÃO DE UM
VEÍCULO COM ACIONAMENTO ELÉTRICO
Dissertação de Mestrado apresentada à UNIJUÍ
como parte dos requisitos para a obtenção do
grau de Mestre em Modelagem Matemática.
Orientador: Prof. Dr. Eng. Antonio Carlos Valdiero
Co-Orientador: Prof. Dr. Luiz Antônio Rasia
Aos meus filhos e meu esposo, pela compreensão nos momentos em que estive ausente. Aos verdadeiros amigos que me incentivaram durante essa caminhada.
Meus sinceros agradecimentos:
Ao meu filho Diogo Rommel Regner, à minha filha Diovana Rommel Regner e a meu esposo Fábio Regner que carinhosamente me apoiaram nesta caminhada. O apoio e incentivo incondicional de vocês foram fundamentais para eu chegar ao final dessa trajetória.
Ao meu pai Olímpio Rommel e minha mãe Maria de Lourdes de Moura Rommel, que me acompanharam e contribuíram para realização deste sonho. Obrigada pelo carinho em todos os momentos.
Aos meus irmãos Sidnei Rommel e Carla Rommel, juntamente com seus cônjuges, por estarem sempre ao meu lado, dando-me apoio em minhas escolhas. Grata meus irmãos!
Ao professor Dr. Eng. Antonio Carlos Valdiero, meu orientador, pelos conhecimentos compartilhados, pela compreensão, pelo respeito à minha trajetória, pela orientação acadêmica necessária e fundamental para a realização deste trabalho.
Ao professor Dr. Luiz Antônio Rasia, meu co-orientador, pelo apoio nas tarefas e estudos, bem como pelos encaminhamentos necessários.
Aos professores do Mestrado, e em especial a duas professoras da graduação, Claudia Piva e Patrícia Spilimbergo, que contribuíram significativamente com a minha formação humana e profissional.
Aos colegas de Mestrado e Doutorado, em especial Graciela E. B. Bertoldo, Aline T. Dombrowski, Taciana P. Enderle, Carla L. Rannov, Roberta Goergen, Marcia R. M. H. Pörsch, Luís Carlos Wachholz e Edson Baal pelos grupos de estudo, pelas conversas, trocas de saberes e por todo o apoio.
Aos bolsistas de iniciação científica do laboratório de projetos do Campus Panambi e, em especial, ao Matias A. Hubert e ao Ben-Hur R. Maciel pela disposição e ajuda. O meu muito obrigada, de coração!
À UNIJUÍ pelos recursos disponibilizados junto ao Campus Panambi para a realização desta pesquisa.
Aos casais Selma e Láudio, Edeltraud e Elmar, pelo acolhimento nestes anos de estudos em Ijuí e Panambi, disponibilizando seus lares e oportunizando diversos momentos agradáveis e de aprendizado. Grata pelo carinho!
A Rafael, pelo otimismo e alegria que transmite. Agradeço por constantemente lembrar-me do verdadeiro significado de persistência e compreensão!!
profissionais. Grata pela amizade e confiança!
À excelente profissional Dirce L. Valente, por acreditar em meu potencial e me convencer em também acreditar nele. Minha sincera gratidão!
Aos colegas de trabalho que verdadeiramente me incentivaram nesta caminhada, em especial Kelly N. J. Steiger, Siane S. Redel, Berenice Pommer e Deisi M. B. Göetz. Minha gratidão pelas palavras de incentivo e pela compreensão!
Embora a sistematização desta pesquisa tenha demandado esforço individual, ela é resultado de uma construção coletiva, que contou com muitas participações, as quais surgiram em momentos oportunos. Por isso, a todos que de alguma forma contribuíram para a realização deste trabalho e ao mesmo tempo a concretização deste sonho...
“Se enxerguei mais longe, foi porque me apoiei sobre os ombros de gigantes.”
A presente pesquisa trata da modelagem matemática da roda de tração de um veículo com acionamento elétrico. Além da sua importância em relação ao meio ambiente (redução da emissão de gás carbônico, do aquecimento global e do nível de poluição sonora), os veículos elétricos têm um grande potencial de aplicações educacionais, urbanas, industriais e rurais, principalmente com a incorporação interdisciplinar de tecnologias inovadoras tais como os sistemas de georreferenciamento global, os sistemas autônomos, a robótica móvel e os sistemas embarcados de eletrônica, instrumentação e comunicação. O domínio desta proposta de dissertação abrange os veículos puramente elétricos com enfoque atual para aplicação educacional, mas prevendo futuras aplicações rurais de inspeção e coleta de amostras em lavouras agrícolas no contexto da agricultura de precisão. O objetivo é desenvolver a modelagem matemática apropriada para a representação da dinâmica da roda de tração de um veículo elétrico em escala reduzida e a validação experimental, utilizando-se a técnica da caixa branca fundamentada em princípios físicos para formulação das equações diferenciais. Após a formulação matemática, são determinados os parâmetros para validação do modelo, a partir de dados obtidos com a realização de testes em bancada experimental e simulações computacionais. Para isso, utiliza-se da infraestrutura laboratorial da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul (UNIJUÍ), especialmente do Núcleo de Inovação em Máquinas Automáticas e Servo Sistemas (NIMASS) no Campus Panambi. Nesta dissertação abordou-se o deabordou-senvolvimento e a validação de um modelo matemático capaz de descrever a dinâmica da roda de tração de um veículo com acionamento elétrico, voltado para aplicação educacional, porém com previsão de aplicações rurais na agricultura de precisão.
The present research deals with the mathematical modeling of the traction wheel of a vehicle with electric drive. In addition to its importance in relation to the environment (reduction of carbon dioxide emissions, global warming and the level of noise pollution), electric vehicles have a great potential for educational, urban, industrial and rural applications, especially with interdisciplinary incorporation innovative technologies such as global georeferencing systems, autonomous systems, mobile robotics and embedded electronics, instrumentation and communication systems. The domain of this dissertation proposal covers purely electric vehicles with a current focus for educational application, but foresees future rural applications of inspection and sampling of agricultural crops in the context of precision agriculture. The objective is to develop the mathematical modeling appropriate for the representation of the wheel dynamics of a traction electric vehicle and experimental validation, using the white box technique based on physical principles for the formulation of differential equations. After the mathematical formulation, the parameters for validation of the model are determined, based on data obtained through experimental bench tests and computational simulations. For this purpose, the laboratory infrastructure of the Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul (UNIJUÍ) is used, especially the Núcleo de Inovação em Máquinas Automáticas e Servo Sistemas (NIMASS) in the Panambi Campus. This research intends to contribute to the development of educational objects in mobile robotics and to the mechanization of low cost precision agriculture, aiming at the development of technological innovations that enable clean and sustainable production.
Figura 1: Desenho ilustrativo de três aspectos importantes na preservação do meio
ambiente a partir do uso de veículos elétricos ... 18
Figura 2: Enfoque da pesquisa ... 19
Figura 3: Robôs educacionais atuais populares: (a) Dash & Dot; (b) Lego EV3; (c)Thymio II; (d) Mbot Ranger. ... 29
Figura 4: Plataforma robótica ROBOBO ... 30
Figura 5: Mindstorm EV3 Educational Robotic Kit ... 33
Figura 6: Veículo agrícola autônomo para pomares ... 38
Figura 7: Trator autônomo ... 39
Figura 8: Robô para análise química de amostra de solo ou cultura ... 39
Figura 9: Robô agrícola para colheita de pimentas ... 40
Figura 10: Robô agrícola para colheita de morangos ... 40
Figura 11: Desenho esquemático dos principais componentes do sistema modelado ... 45
Figura 12: Aspecto geral do motor CC ... 46
Figura 13: Motor de Corrente Contínua: (a) circuito elétrico da armadura; (b) diagrama de corpo livre do rotor ... 47
Figura 14: Forças atuantes na roda em movimento ... 50
Figura 15: Roda de tração acoplada ao motor elétrico CC ... 51
Figura 16: Protótipo de veículo elétrico e as forças longitudinais atuantes ... 53
Figura 17: Características do atrito estático presente em velociade nula ... 57
Figura 18: Implementação computacional do modelo de atrito estático ... 58
Figura 19: Características do atrito de Coulomb ... 59
Figura 20: Implementação computacional do modelo de atrito de Coulomb ... 59
Figura 21: Características do atrito viscoso ... 60
Figura 22: Implementação computacional do atrito viscoso ... 60
Figura 23: Características do atrito de arraste ... 61
Figura 24: Implementação computacional do atrito de arraste ... 61
Figura 25: Características do atrito de Stribeck ... 62
Figura 26: Implementação computacional do atrito de Stribeck ... 62
Figura 27: Protótipo de veículo elétrico: (a) desenho do protótipo; (b) construção do protótipo... 64
Figura 28: Componentes do protótipo de veículo elétrico ... 65
Figura 29: Medição da massa do protótipo de veículo elétrico em estudo ... 65
Figura 30: Desenho com a representação dos parâmetros geométricos da roda ... 67
Figura 32: Diagrama esquemático do protótipo de veículo elétrico utilizado na pesquisa ... 69 Figura 33: Imagem do motor de corrente contínua utilizado... 70 Figura 34: Instrumentação utilizada na medição dos parâmetro do sistema elétrico: (a) Multímetro medindo a indutância; (b) Multímetro medindo a resistência ... 70 Figura 35: Bancada experimental: (a) projeto da bancada; (b) bancada experimental ... 72 Figura 36: Bancada de teste em malha aberta com levantamento de massa (0,002 kg) equivalente à força de tração na roda: (a) projeto; (b) bancada experimental ... 73 Figura 37: Comparando as três repetições para o teste com massa de 0,02 kg e tensão de 2,5 V ... 80 Figura 38: Resultados dos testes de malha aberta do motor elétrico com diferentes sinais de entrada em tensão sob uma força de tração FT=0,1958 N (elevação de massa de 20 gramas). ... 81 Figura 39: Resultados dos testes de malha aberta do motor elétrico com um sinal de entrada em tensão de 5,2 Volts sob diferentes forças de tração FT (elevação de diferentes valores de massa) ... 82 Figura 40: Diagrama de blocos da modelagem matemática da dinâmica do subsistema elétrico e do subsistema mecânico com Atrito Viscoso ... 83 Figura 41: Validação do modelo matemático para dados experimentais da roda de tração SEM CARGA, com sinal de entrada em tensão de 5,2 V e atrito viscoso ... 85 Figura 42: Diagrama de blocos da modelagem matemática da dinâmica do subsistema elétrico e do subsistema mecânico com Modelo de Atrito 1 ... 87 Figura 43: Comparação da validação do modelo matemático para dados experimentais da roda de tração SEM CARGA, com sinal de entrada em tensão de 5,2 V, com Atrito Viscoso e com Modelo de Atrito 1 ... 88 Figura 44: Diagrama de blocos da modelagem matemática da dinâmica do subsistema elétrico e do subsistema mecânico com Modelo de Atrito 2 ... 89 Figura 45: Comparação da validação do modelo matemático para dados experimentais da roda de tração SEM CARGA, com sinal de entrada em tensão de 5,2 V, Atrito Viscoso, Modelo de Atrito 1 e Modelo de Atrito 2 ... 90 Figura 46: Tensão de entrada capturada a partir da validação experimental do modelo matemático para dados experimentais da roda de tração SEM CARGA, com sinal de entrada em tensão de 5,2 V e atrito viscoso equivalente ... 91 Figura 47: Corrente elétrica na armadura do motor capturada a partir da validação experimental do modelo matemático para dados experimentais da roda de tração SEM CARGA, com sinal de entrada em tensão de 5,2 V e atrito viscoso equivalente ... 92
Figura 48: Torques capturados a partir da validação experimental do modelo matemático para dados experimentais da roda de tração SEM CARGA, com sinal de entrada em tensão de 5,2 V e atrito viscoso equivalente ... 92 Figura 49: Gráfico para carga de 0,02 Kg, com sinal de entrada em tensão de 5,2 V e modelo de atrito viscoso. ... 93 Figura 50: Comparação da validação do modelo matemático para dados experimentais da roda de tração com carga de 0,02Kg, sinal de entrada em tensão de 5,2 V, Modelo de Atrito 1 e Modelo de Atrito 2 ... 94 Figura 51: Comparação da validação do modelo matemático para dados experimentais da roda de tração com carga de 0,05Kg, sinal de entrada em tensão de 5,2 V, Modelo de Atrito 1 e Modelo de Atrito 2 ... 95 Figura 52: Comparação da validação do modelo matemático para dados experimentais da roda de tração com carga de 0,1Kg, sinal de entrada em tensão de 5,2 V, Modelo de Atrito 1 e Modelo de Atrito 2 ... 95 Figura 53: Kits robóticos e veículos elétricos em fase de construção por alunos de Engenharia Mecânica - UNIJUÍ ... 96 Figura 54: Veículos elétricos desenvolvidos por alunos do curso de Engenharia Mecânica - UNIJUÍ ... 97
Tabela 1: Grupos de Pesquisa em Robótica Educacional e os desafios abordados. ... 27
Tabela 2: Robôs educacionais populares e suas características ... 29
Tabela 3: Descrição das diferentes características de atrito ... 56
Tabela 4: Componentes e custo do protótipo de veículo elétrico ... 66
Tabela 5: Parâmetros geométricos e inerciais da roda ... 67
Tabela 6: Parâmetros elétricos medidos nos motores CC ... 71
Tabela 7: Tensões de entrada utilizadas nos testes experimentais ... 72
Tabela 8: Valor da tensão de entrada aplicada e as massas elevadas ... 74
Tabela 9: Equivalência entre as massas elevadas, as forças de tração equivalentes e os torques de carga resultantes no eixo da roda ... 74
Tabela 10: Determinação da constante elétrica ... 75
Tabela 11: Solução do sistema com a combinação de cada dois testes. ... 77
Tabela 12: Momento de inércia estimado para o motor CC e a roda de tração ... 78
Tabela 13: Parâmetros utilizados na modelagem matemática ... 84
Letras Gregas
Símbolo Descrição Unidade
Velocidade angularrad/s
m
Deslocamento angular do motor radm
Velocidade de rotação do eixo do motor rad /sm
Aceleração angular do rotor 2/ s
rad
R
Deslocamento angular da roda radR
Velocidade de rotação da roda rad /sR
Aceleração angular da roda 2/ s
rad
Letras Latinas
Símbolo Descrição Unidade
B
Coeficiente de atrito do veículo Nms/radc
B
Coeficiente de amortecimento viscoso do veículo Nms/radeq
B
Coeficiente de atrito viscoso equivalenteN
m
s
/
rad
B
m Coeficiente de atrito viscoso do motorN
m
s
/
rad
R
B
Coeficiente de atrito viscoso da roda Nms/radR
d
Diâmetro da rodam (metro)
e
Força eletromotrizV (Volt)
F
atr Força de atritoN (Newton)
F
T Força de traçãoN (Newton)
x
F
Forças que agem na direção do eixo xN (Newton)
a
i
Corrente elétrica da armadura do motor CCA (Ampère)
g
i
Relação de redução/transmissão1
eq
I
Momento de inércia equivalente da roda de tração 2m kg
e
k
Constante elétricaV
s
/
rad
t
k
Constante do torqueN
m
/
A
L
Largura do pneum
a
L
Indutância do motorHenry
M
Massa do veículo em estudokg
M
eq Massa equivalente na roda de traçãokg
a
R
Resistência do motorOhms
R
ae Raio do acoplamento com o eixom
atr
T
Torque de atrito Nmavr
T
Torque de atrito viscoso da roda NmL
T Torque de carga Nm
T
m Torque do motor NmR
T Torque no eixo da roda (saída do redutor) Nm
u
Força de tensão de entradaV (Volt)
v
Velocidade do veículom/s
v
Aceleração do veículom/s
21 INTRODUÇÃO ... 18
1.1CONTEXTO ... 18
1.2OBJETIVOS E O PROBLEMA PROPOSTO ... 21
1.3METODOLOGIA ... 22
1.4ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO DE PESQUISA... 23
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 24
2.1INTRODUÇÃO ... 24
2.2ROBÓTICA EDUCACIONAL COMO FERRAMENTA DE APRENDIZAGEM ... 25
2. 2. 1 Uma plataforma robótica versátil para interação educacional ... 28
2. 2. 2 Programa de treinamento para crianças disléxicas usando robótica educativa ... 32
2.3ROBÓTICA MÓVEL NA AGRICULTURA ... 34
2. 3. 1 Exemplos de robôs móveis na agricultura ... 37
2.4VEÍCULOS ELÉTRICOS ... 41
2.5DISCUSSÕES ... 42
3 MODELAGEM MATEMÁTICA DO VEÍCULO ELÉTRICO... 44
3.1INTRODUÇÃO ... 44
3.2FORMULAÇÃO MATEMÁTICA DA TRANSMISSÃO DE POTÊNCIA NA RODA ... 44
3. 2. 1 Modelagem matemática do motor de corrente contínua ... 46
3. 2. 2 Modelagem matemática da dinâmica da roda de tração de um veículo elétrico ... 49
3. 2. 3 Modelagem matemática da dinâmica da roda de tração com o motor elétrico ... 51
3.3FORMULAÇÃO MATEMÁTICA DA DINÂMICA LONGITUDINAL ... 53
3.4MODELO MATEMÁTICO DA DINÂMICA LONGITUDINAL COM A DINÂMICA DA TRANSMISSÃO DA RODA DE TRAÇÃO ... 54
3.5MODELAGEM MATEMÁTICA DA DINÂMICA DO ATRITO ... 55
3. 5. 1 Atrito estático ... 57 3. 5. 2 Atrito de Coulomb ... 58 3. 5. 3 Atrito viscoso ... 59 3. 5. 4 Atrito de arraste ... 60 3. 5. 5 Atrito de Stribeck ... 62 3.6DISCUSSÕES ... 63
4 DESCRIÇÃO DO PROTÓTIPO DE VEÍCULO ELÉTRICO E DETERMINAÇÃO DOS PARÂMETROS DO MODELO ... 64
4.1MODELO REDUZIDO DO VEÍCULO ELÉTRICO 4 X 4 ... 64
4. 1. 2 Descrição do sistema de acionamento elétrico e seus parâmetros... 68
4.2BANCADA PARA ENSAIO DA RODA DE TRAÇÃO ... 71
4.2.1 Determinação da constante elétrica
(
k
e)
... 744.2.2 Determinação da constante de torque
(
k
t)
e do coeficiente de atrito equivalente(
B
eq)
. 76 4.2.3 Determinação do momento de inércia equivalente(
I
eq)
... 774.3DISCUSSÕES ... 78
5 RESULTADOS DE VALIDAÇÃO EXPERIMENTAL DO MODELO MATEMÁTICO ... 80
5.1RESULTADOS EXPERIMENTAIS EM MALHA ABERTA NA BANCADA PARA ENSAIO DA RODA DE TRAÇÃO ... 80
5.2VALIDAÇÃO DO MODELO MATEMÁTICO ... 82
5.3ATIVIDADE DESENVOLVIDA COM ALUNOS DA ENGENHARIA MECÂNICA ... 96
CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS FUTURAS ... 98
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 99
APÊNDICE A – ESTIMATIVA DO MOMENTO DE INÉRCIA DO EIXO DO MOTOR CC USANDO O SOFTWARE CAD SOLIDWORKS ... 106
APÊNDICE B – ESTIMATIVA DO MOMENTO DE INÉRCIA DA RODA DE TRAÇÃO USANDO O SOFTWARE CAD SOLIDWORKS ... 107
1 INTRODUÇÃO
1. 1 Contexto
Esta dissertação trata da modelagem matemática da dinâmica da roda de tração de um veículo com acionamento elétrico. Além da sua importância em relação ao meio ambiente (redução da emissão de gás carbônico, do aquecimento global e do nível de poluição sonora, como mostra Figura 1), os veículos elétricos tem um grande potencial (EHSANI et al., 2010) de aplicações educacionais, urbanas (BIGNAMI et al., 2017; WALLACE, 2018), industriais e rurais, principalmente com a incorporação interdisciplinar de tecnologias inovadoras tais como os sistemas de georreferenciamento global, os sistemas autônomos, a robótica móvel e os sistemas embarcados de eletrônica, instrumentação e comunicação.
Wallace (2018) comenta que a campanha de marketing atual em torno dos veículos autônomos prevê a hipótese de que se mais de 90% das mortes em rodovias estão relacionadas a erros do motorista, a automação em substituição ao motorista reduzirá a perda de vida em mais de 90%.
Figura 1: Desenho ilustrativo de três aspectos importantes na preservação do meio ambiente a partir do uso de veículos elétricos
Fonte: Própria autora
O domínio desta dissertação abrange os veículos puramente elétricos (EHSANI et al., 2010) com enfoque atual para aplicação educacional, mas prevendo futuras aplicações
rurais de inspeção e coleta de amostras em áreas agrícolas no contexto da agricultura de precisão, como ilustra a Figura 2.
Figura 2: Enfoque da pesquisa
Fonte: Própria autora
Embora a preocupação central desta dissertação seja a modelagem matemática da dinâmica da roda de tração de um veículo com acionamento elétrico, faz-se necessário considerar as tecnologias agrícolas que convergem para a agricultura de precisão, a qual pode ser entendida como “um sistema de gerenciamento agrícola baseada na variação espacial e temporal da unidade produtiva e visa ao aumento de retorno econômico, à sustentabilidade e à minimização do efeito ao ambiente” (BRASIL, 2012, p. 6 apud INAMASU e BERNARDI, 2014, p. 21).
Estudos envolvendo a agricultura de precisão estão disponíveis, podendo-se citar o de Artuzo, Foguesatto e da Silva (2017) que analisam o impacto da agricultura de precisão na produção de alimentos e no uso de fertilizantes, tendo como base a cultura da soja. Além disso, Machado (2018) identifica a relação da agricultura de precisão no cultivo do morangueiro, enquanto Almeida e Guimarães (2017) avaliam a discrepância existente entre mapas gerados por softwares de agricultura de precisão, comparando com os mapas nos quais se realiza criteriosamente os procedimentos necessários para o ajuste dos mapas, abordando um estudo de caso na cafeicultura. Dessa forma, percebe-se que a agricultura de precisão é uma tecnologia promissora, podendo ser identificada em estudos envolvendo diferentes culturas.
Esta é a primeira dissertação de mestrado em Modelagem Matemática desenvolvida no Grupo de Pesquisa que trata de veículos elétricos, e com esta pesquisa pretende-se desenvolver a modelagem matemática da roda de tração, além de contribuir para o
desenvolvimento de objetos educacionais em robótica móvel e para a mecanização da agricultura de precisão, visando o desenvolvimento de inovações tecnológicas que possibilitem produções limpas e sustentáveis.
Salienta-se que no decorrer desta dissertação usa-se a expressão “veículo elétrico” em vez de “robô móvel” por considerar que o protótipo em estudo poderá ser utilizado para carregar, dentre outras coisas, um braço robótico aumentando assim a abrangência de explorações a partir dele em sala de aula.
No Núcleo de Inovação em Máquinas Automáticas e Servo Sistemas (NIMASS), instalado na UNIJUÍ Campus Panambi, foram desenvolvidas pesquisas antecedentes a esta e associadas à agricultura de precisão e/ ou ao uso de motores elétricos, conforme relata-se a seguir.
Fiori et al. (2014) apresentam o estudo da folga presente na transmissão mecânica de robôs com acionamento elétrico. Além desse estudo, Fiori et al. (2014) relatam o desenvolvimento do projeto de um robô Gantry com acionamento da transmissão mecânica por motorredutores elétricos de corrente alternada.
Pinto et al. (2016) apresentam o desenvolvimento de uma bancada experimental para testes de um dosador de adubo à taxa variável para aplicação na agricultura de precisão, com objetivo de projetar e construir uma bancada para a avaliação experimental do comportamento de um dosador de adubo acionado eletricamente.
Alguns protótipos estão em fase de construção e tiveram a participação de bolsistas de iniciação cientifica. Silva et al. (2017) apresentam o projeto conceitual de um veículo elétrico e autônomo buscando usar tecnologias existentes na agricultura de precisão como, por exemplo, o Sistema de Posicionamento Global (GPS), que consiste numa tecnologia de localização por satélite, e o uso de energia solar fotovoltaica para fazer a recarga da bateria do referido veículo. Hubert et al. (2017) desenvolveram o projeto e a construção de um sistema de controle e de interface homem-máquina (IHM) para um protótipo de modelo reduzido de veículo elétrico, para fins didáticos no ensino da modelagem matemática e do controle de velocidade de veículos, podendo também ser usado na realização de testes experimentais de pesquisas de mestrado e doutorado.
A contribuição desta pesquisa está na contextualização da modelagem matemática desde o motor elétrico de corrente contínua até a dinâmica da roda de tração de um veículo acionado eletricamente, a partir de modelos clássicos da literatura científica e da inclusão de um modelo não linear de atrito. Para validação experimental, utiliza-se um protótipo de veículo autônomo em escala reduzida, o qual tem como objetivo servir de objeto educacional na engenharia e de ser futuramente usado como um robô móvel na agricultura familiar para a inspeção de lavouras no âmbito da agricultura de precisão.
Assim, faz-se necessário conhecer a dinâmica da roda de tração de um veículo elétrico para fins de projeto, simulação e controle em potenciais aplicações com várias funções inovadoras no contexto da agricultura de precisão, como por exemplo, em missão de fazer a captura de imagens, verificar a qualidade das plantas e dos frutos, bem como monitorar pragas nas plantações. Tais situações e desafios podem inspirar objetos educacionais na área de robótica educacional, que foi a principal motivação da autora desta dissertação.
1. 2 Objetivos e o problema proposto
Esta pesquisa de Mestrado em Modelagem Matemática está ligada à linha de pesquisa denominada “Modelagem Computacional, Otimização e Controle de Sistemas”. Como objetivo geral busca-se desenvolver a modelagem matemática apropriada para a representação da dinâmica da roda de tração de um veículo elétrico em escala reduzida e a validação experimental.
Visando efetivar o objetivo geral, elencam-se os seguintes objetivos específicos: • Desenvolver a formulação matemática para a representação da dinâmica da roda de tração de um veículo acionado eletricamente num movimento longitudinal, retilíneo e no plano horizontal, incluindo-se a não linearidade de atrito;
• Desenvolver e construir uma bancada experimental para testes da roda de tração de um veículo elétrico;
• Projetar e construir um protótipo reduzido de veículo com quatro rodas de tração acionadas eletricamente para fins educacionais como objeto educacional de modelagem matemática aplicada na engenharia;
• Realizar testes experimentais em malha aberta para identificação dos parâmetros do modelo matemático proposto;
• Simular computacionalmente o modelo matemático proposto;
• Validar experimentalmente o modelo desenvolvido, utilizando para isso uma bancada experimental, com análise e comparação dos resultados obtidos.
Como premissa inicial, considera-se que os veículos elétricos têm se destacado como alternativa de mobilidade sustentável, contribuindo para o meio ambiente em termos de redução da poluição do ar, da poluição sonora e do aquecimento global;
Como hipótese, admite-se que a não linearidade de atrito está presente em sistemas dinâmicos reais e a inclusão de sua formulação matemática em modelos clássicos permite a melhoria dos resultados da validação experimental;
Assim, o problema de pesquisa refere-se a modelagem matemática da transmissão mecânica com acionamento elétrico da roda de tração de um veículo no contexto da robótica educacional e da agricultura de precisão.
1. 3 Metodologia
Para o desenvolvimento desta pesquisa, realizou-se a revisão bibliográfica, buscando identificar trabalhos publicados (em conferências e periódicos) que abordam o tema desta dissertação. Neste contexto, buscou-se referências consistentes sobre robótica educacional como ferramenta de aprendizagem, robótica móvel na agricultura e também sobre veículos elétricos, procurando identificar as respectivas abrangências e a presença (ou ausência) de modelos matemáticos associados a cada assunto.
A partir da revisão bibliográfica, da definição do problema de pesquisa e dos objetivos, elaborou-se o projeto de dissertação, contemplando todo o planejamento proposto para delinear esta pesquisa.
Para a formulação do modelo matemático utilizou-se a técnica da caixa branca, a qual se baseia em princípios físicos para explicar a natureza do sistema e demonstrar a influência dos parâmetros no processo.
Para realização dos testes experimentais, foi utilizada uma bancada experimental, através da qual foi possível adquirir dados para, posteriormente, determinar o valor dos parâmetros utilizados no modelo matemático do acionamento elétrico da roda de tração.
Também foi projetado e desenvolvido um protótipo de veículo elétrico, acionado pela interface homem máquina (IHM) através de um smartphone. O projeto deste protótipo foi desenvolvido no software CAD SolidWorks. A construção, foi realizada com recursos da infraestrutura disponível na UNIJUÍ Campus Panambi. A pesquisa contou com o envolvimento de bolsistas de iniciação científica, os quais contribuíram com conhecimentos das áreas de Engenharia Elétrica, Engenharia Mecânica e Computação.
As simulações computacionais e a validação experimental do modelo matemático foram realizadas no software MatLab (versão R2013a). Os modelos matemáticos descritos na seção 3 foram implementados através de diagrama de blocos da plataforma Simulink, sendo essa uma extensão do Matlab.
Assim, esta pesquisa se classifica como descritiva, exploratória, bibliográfica e experimental. Os dados foram obtidos de forma direta e analisados quantitativamente, fundamentado na revisão de literatura e na prática experimental.
1. 4 Organização do trabalho de pesquisa
Esta dissertação está organizada em seis capítulos, direcionados de forma a proporcionar o entendimento da modelagem matemática da dinâmica da roda de tração de um veículo com acionamento elétrico.
O capítulo 2 refere-se a revisão bibliográfica e está subdividido em seções. Na primeira seção apresenta-se a robótica educacional como ferramenta de aprendizagem. A segunda seção mostra contribuições da robótica móvel na agricultura e, a terceira, é responsável por enfatizar destaques relevantes relacionados a veículo elétrico.
No capítulo 3 apresenta-se a modelagem matemática do veículo elétrico. Para melhor compreensão foi subdividido em seções, iniciando pela introdução, seguida, respectivamente, pela formulação matemática da transmissão de potência na roda, a formulação matemática da dinâmica longitudinal, o modelo matemático da dinâmica longitudinal com a dinâmica da transmissão da roda de tração, a modelagem matemática da dinâmica do atrito e, para finalizar, as discussões relevantes.
O capítulo 4 aborda a descrição do protótipo de veículo elétrico e a determinação dos parâmetros do modelo. Para isso, a primeira seção detalha as características do veículo elétrico em estudo, a segunda seção apresenta a bancada experimental e a última seção refere-se as discussões pertinentes sobre o capítulo.
O capítulo 5 é destinado a apresentação dos resultados, onde apresenta-se, respectivamente, os resultados experimentais em malha aberta, a validação experimental e, por fim, uma atividade desenvolvida com alunos da engenharia mecânica.
O capítulo 6 apresenta as considerações finais e perspectivas futuras, sendo seguido pelas referências utilizadas.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2. 1 Introdução
Atualmente o termo robótica é amplamente utilizado em diversos setores da sociedade, dentre os quais destaca-se a indústria, a agricultura e a educação. As relações sociais estão constantemente em transformação, impulsionadas pelas crescentes inovações tecnológicas, onde a robótica vem ganhando expressivo espaço dentre as grandes tecnologias do século XXI.
Hackenhaar, Hackenhaar e Abreu (2015) explicam que o termo robótica é utilizado para indicar a disciplina associada ao uso e programação de robôs. A Engenharia Robótica refere-se à construção de robôs e dispositivos robóticos. Sendo assim, conforme denominado na norma International Organization for Standardization 10218 (1992) robô “é uma máquina manipuladora com vários graus de liberdade controlada automaticamente, reprogramável, multifuncional, que pode ter base fixa ou móvel para utilização e aplicações de automação industrial”.
Os robôs podem ser de dois tipos: fixos, conhecidos como braço robótico, bastante empregados na indústria; e móveis, também chamados de veículos robóticos, como os veículos autônomos (geralmente terrestres), veículos aéreos não tripulados, veículos submarinos autônomos.
Conforme Campos (2011, p. 41), os robôs podem ser bastante úteis às pessoas, uma vez que podem ser usados para realizar tarefas perigosas, difíceis e repetitivas. Como exemplos, esse mesmo autor cita: “a limpeza de resíduos tóxicos, exploração espacial, mineração, busca e resgate de pessoas e localização de minas terrestres”.
A indústria automotiva aproveitou a vantagem dessa nova tecnologia e a incorporou, no intuito de melhorar a qualidade dos produtos fabricados. Destaca-se os avanços relacionados a robótica móvel apresentados na agricultura, bem como para veículos de passeio, de carga e de passageiros.
A incorporação da robótica na agricultura ocorre por diferentes motivos, dentre os principais pode-se citar: população reduzida de força de trabalho agrícola e gerações mais jovens optando por carreiras urbanas. Uma alternativa a essa falta de mão-de-obra na agricultura é o uso de robôs, pois um único robô agrícola pode fazer o trabalho de várias pessoas. Como descrito por Cabrera e Barcia (2018), tal como acontece com outras indústrias, a eficiência do processo requer a automação e eliminação de problemas inerentes ao fator humano, o que leva a um grande interesse em incorporar a robótica na indústria agrícola. Isto levou a muitos desafios tecnológicos e de engenharia, o que implica
um crescente interesse de pesquisa na área de robôs agrícolas móveis e agricultura de precisão autônoma.
A expressão “agricultura de precisão autônoma” é aqui denominada como uma forma de gerenciamento, em sua quase totalidade por meio de tecnologias de automação e robótica, o que permite obter dados de cada unidade agrícola produtiva e tornar o processo de cultivo mais preciso. Com o avanço tecnológico e as contribuições da robótica, a agricultura de precisão autônoma tende a favorecer a coleta de dados em cada talhão de terra, bem como aplicações a taxas variáveis, considerando cada espaço da área produtiva com a necessidade específica demonstrada. Assim, o processo de cultivo, do início ao fim, é gerido por robôs, capazes de se comunicar entre si e compartilhar informações contemplando a agricultura inteligente com o auxílio da Internet das Coisas (IoT).
Na área educacional, o uso de robôs é utilizado na construção de conhecimentos a partir da interação dos alunos com os objetos construídos. A robótica, em sala de aula, contribui na integração de disciplinas, possibilitando aos alunos vivenciar o método científico através da simulação de protótipos, despertando curiosidade e atenção também pelo aspecto lúdico a ela incorporada.
Conforme explica Zilli (2004, p. 77), “a robótica educacional é uma alternativa interessante como ferramenta pedagógica no processo ensino-aprendizagem”. Ela “contempla o desenvolvimento pleno do aluno, pois propicia uma atividade dinâmica, permitindo a sua construção cultural e, enquanto cidadão, torna-o autônomo, independente e responsável”.
Seguindo essas considerações, neste capítulo apresenta-se uma revisão bibliográfica relacionada ao tema deste trabalho de pesquisa, a qual está baseada na literatura científica clássica (livros), em artigos científicos publicados em eventos e periódicos e em pesquisas online.
Na seção 2.2 discorre-se sobre a robótica educacional como ferramenta de aprendizagem, mostrando, nos itens 2.2.1 e 2.2.2, situações em que o uso de robôs associados a aprendizagem teve grande relevância. Na seção 2.3 enfatiza-se a questão da robótica móvel na agricultura, apontando, no item 2.3.1, exemplos de robôs móveis na agricultura. Na seção 2.4 a abordagem é sobre veículo elétrico. Por fim, na seção 2.5, apresenta-se algumas discussões sobre os itens abordados no capítulo.
2. 2 Robótica educacional como ferramenta de aprendizagem
A tecnologia está presente em todos os lugares, sendo capaz de provocar mudanças significativas na vida das pessoas, incluindo a forma de interação, trabalho, diversão e até mesmo a maneira de aprender. Plaza et al. (2018) explica que a educação robótica como
ferramenta de ensino está começando a ser utilizada como um meio de promover a inovação na sala de aula e motivar os alunos como parte do processo de aprendizagem.
Ainda conforme Plaza et al. (2018), a robótica é um elemento-chave na melhoria e modernização da maioria dos processos. No que se refere a educação, kits robóticos facilitam conexões entre disciplinas, sendo um elo que permite aos alunos se envolver em STEM (do inglês Science, Technology, Engineering e Mathematics). Andruseac et al. (2015) afirmava: a robótica torna o aprendizado mais motivador, pois o aluno realiza experimentos interativos, que se movimentam, produzem sons e reagem ao meio em que estão. Isso contrasta com a metodologia utilizada para o uso do computador, na qual o estudante apenas vê mensagens na tela do equipamento, muitas vezes, sem aplicabilidade nem sentido.
Angel-Fernandez e Vincze (2018) afirmam que a criatividade é uma habilidade que foi reconhecida como uma das habilidades do século XXI. Da mesma forma, a robótica tem sido reconhecida como uma tecnologia com vários recursos para cativar estudantes e ser usada para ensinar uma variedade de tópicos (por exemplo, Matemática e programação).
Nesse contexto, Plaza et al. (2018) enfatizam que apesar disso, a introdução à robótica não é uma tarefa fácil. Robótica combina quatro áreas bastante amplas de conhecimento: mecânica, eletricidade, eletrônica e computação. O objetivo da robótica é projetar e construir aplicativos robóticos, cujas aplicações são geralmente máquinas eletromecânicas programáveis. Eles geralmente incluem sensores (para obter informações do ambiente) e atuadores (para atuar no próprio ambiente). Portanto, num primeiro momento, a introdução da robótica na sala de aula deve ser para os alunos adquirirem uma base de conhecimento em programação e mecatrônica.
Na literatura de educação em engenharia disponível, encontram-se várias iniciativas de melhoria do aprendizado de componentes curriculares que envolvem conceitos abstratos, tais como a matemática e a álgebra linear, e fenômenos complexos, tais como sistemas dinâmicos não lineares. Entre os tipos de dispositivos didáticos destacam-se os materiais virtuais desenvolvidos geralmente com o auxílio de ferramentas computacionais e os materiais físicos compostos principalmente de protótipos (BORTOLO e LINHARES 2006).
Nota-se que a robótica educacional tem grande potencial como ferramenta pedagógica, sendo objeto de pesquisa e extensão universitária por grupos de pesquisadores de diversas instituições, tal como sistematizado na Tabela 1.
Tabela 1: Grupos de Pesquisa em Robótica Educacional e os desafios abordados.
Grupo/Universidade Kit didático/ Ferramentas
educacionais Desafio/Observações Referências
IEEE, UNED, CEFET/ RJ, Brasil
Scratch, Crumble e Arduino (programação) Iniciação à robótica no contexto da robótica educativa. Plaza et al. (2018)
EPFL, Áustria Thymio II (plataforma robótica
educacional)
Elaborar e gravar uma história usando robô Thymio II. Angel-Fernandez e Vincze (2018) Grupo Integrado de Pesquisa de Engenharia, Mytech, MINT, Universidade da Coruña, Espanha ROBOBO Aprender conceitos e habilidades relacionadas à educação STEM (Ciência, Tecnologia, Engenharia e Matemática) Naya et al. (2017) (LINTI). Faculdade de Informática, Universidade Nacional de La Plata, Argentina
RITA (Robot Inventor to Teach Algorithms); RAICES; CarTon
Programação com abordagem lúdica Diaz, J. et al (2015) SAU, UNED, Espanha DFRobotShop Rover v2 Bluetooth Kit; Makeblock Starter Robot Kit; Makeblock mBot; Wireless Networked Autonomous Mobile Robot with High Resolution Pan-Tilt-Zoom Camera i90; LEGO MIDSTORMS Bluetooth connection; Wheeled Robot based on NI myRIO
Aplicações da Internet das Coisas (IoT)
Merino et al. (2016) Laboratory of Pattern Recognition and Decision Making, Institute of Information and Computing Technologies, Laboratory of Mathematical and Computer Modeling, Cazaquistão IICT-bots Desenvolver uma plataforma robótica que pode ser usada no ensino de disciplinas como Robótica, Teoria de Controle, Visão de Máquina, Reconhecimento de Objetos Islamgozhayev et al. (2015)
Grupo/Universidade Kit didático/ Ferramentas
educacionais Desafio/Observações Referências
Departamento de Ciências Biomédicas, Faculdade de Bioengenharia Médica, "Grigore T. Popa" Universidade de Medicina e Farmácia, Academia Técnica Militar, Universidade Técnica de Gheorghe Asachi, Universidade Politécnica de Bucareste, Instituto de Ciência da Computação, Romênia
Kit MINDSTORMS Education EV3 e seu software.
Explorar o potencial da robótica em apoio ao processo de aprendizagem de estudantes disléxicos. Andruseac et al. (2015)
UPF, Brasil Kit de robótica educacional
AttoBox Estudar o tópico “cores” em óptica, na disciplina de Ciências, no 9º ano do ensino fundamental Daros, Rosa, Darroz (2016)
Fonte: Própria autora
Observa-se a partir da pesquisa bibliográfica em Robótica Educacional, a oportunidade de desenvolver pesquisa inovadora tratando da modelagem matemática da dinâmica da roda de tração de um veículo com acionamento elétrico e das relações cinemáticas entre motor, transmissão mecânica e movimento do veículo.
A seguir apresenta-se dois kits didáticos selecionados na Tabela 1, os quais utilizam, respectivamente, as plataformas robóticas ROBOBO e Lego Mindstorms EV3. A primeira plataforma robótica apresentada a seguir é resultado de uma combinação de um smartphone com uma base de dados de robótica, permitindo aos alunos combinar ações do robô com informações da web. A segunda plataforma, foi utilizada como ferramenta didática no processo educacional para crianças disléxicas.
2. 2. 1 Uma plataforma robótica versátil para interação educacional1
Naya et al. (2017) afirmam que nos últimos anos a robótica se tornou um dos pilares da educação STEM, cujo objetivo é tornar a experiência de aprendizado dos alunos mais atraente, fornecendo plataformas móveis com recursos que permitem a atenção dos alunos
por longos períodos de tempo enquanto eles experimentam e aprendem brincando, projetando e construindo.
No entanto, a aplicação real dos robôs é geralmente relacionada aos processos de construção e/ ou programação de robôs que, em geral, eram muito simples e dotados de poucos sensores e atuadores. Exemplos desses tipos de robôs são apresentados a seguir na Figura 3.
Figura 3: Robôs educacionais atuais populares: (a) Dash & Dot; (b) Lego EV3; (c)Thymio II; (d) Mbot Ranger.
Fonte: Adaptado de Naya et al. (2017)
Uma revisão das características de cada um desses robôs pode ser conferida a seguir, na Tabela 2.
Tabela 2: Robôs educacionais populares e suas características
LEGO EV3 DASH & DOT MBOT RANGER THYMIO II
CPU Arm926ej-S
Core@300 Mhz Arm Cortex-M0
Arduino Mega 2560
PIC 24 32 MHz Distance
sensor Sonar/ IR IR Sonar IR
Sound Speaker Speaker/ Mic Buzzer/ Mic Speaker/ Mic
Camera No No No No
Speech
recognit. No No No No
Comms Bluetooth
/ USB Bluetooth Bluetooth/ USB
WIFI / USB
Fonte: Naya et al. (2017)
Naya et al. (2017) explicam que essas plataformas, emboram sejam capazes de contribuir no aprendizado da robótica e, até mesmo da programação, não dipõem de
(a) (b)
sensores e recursos interativos abundantes o suficiente para contemplar a educação STEM (do inglês Science, Technology, Engineering, Mathematics). Além disso, enfatizam:
A maioria das plataformas só apresenta habilidades sensoriais rudimentares, como detectores de colisão infravermelho ou ultrassônico ou talvez sensores de luz e os motores giram duas rodas, o que basicamente permite que eles se movam pelo ambiente. Isso realmente limita o que um aluno pode fazer com elas e, especialmente, suas capacidades de interação. Eles [robôs] não têm como expressar emoções ou detectar as crianças ou suas expressões. (NAYA, 2017, p. 138)
Nesse contexto, Naya et al. (2017) propõem o ROBOBO, que é uma plataforma robótica compacta que foi projetada como o complemento ideal para educação STEM ou STEAM (do inglês Science, Technology, Engineering, Arts, Mathematics), que é baseada na combinação de um smartphone como o cérebro de um robô com uma base de dados de robótica que fornece os recursos básicos de detecção e de movimento, conforme mostra a Figura 4.
Figura 4: Plataforma robótica ROBOBO
Fonte: Naya et al. (2017)
O robô pode fazer uso de todos os sensores de última geração encontrados em smartphones atuais e futuros, como câmeras de alta definição, acelerômetros, inclinômetros, microfones, sensores de toque na tela, etc. Além disso, pode-se beneficiar de tecnologias
como Wi-Fi, Bluetooth, Near Field Communication (NFC2), 3G, 4G, além dos diversos
software disponível para smartphones.
Assim, é possível usar recursos de processamento de fala, detecção de rosto ou identificação visual de objetos. Reunindo estes recursos computacionais com as possibilidades de comunicação acima mencionadas, permite que os alunos combinem ações do robô com informações da web (por exemplo, informações meteorológicas, informações de tráfego) ou para interagir com outros usuários, ligando diretamente o robô através do twitter, skype ou qualquer outro site de mídia social.
No caso do ensino fundamental, o ROBOBO tem sido usado principalmente como uma ferramenta para os professores introduzirem conceitos de robótica de forma divertida e envolvente. Para este fim, módulos funcionais relacionados à detecção de cores, ou detecção de faces são usados em jogos para introduzir crianças a conceitos como esquerda ou direita, velocidades, ângulos, notas musicais, etc. O procedimento usual é gerar algum tipo de jogo em que a criança interage com o robô para se familiarizar com o conceito correspondente.
No entanto, para alunos mais velhos (final do ensino fundamental ou início do ensino médio), este exemplo pode ser um pouco mais complexo e usado para introduzir conceitos e habilidades de programação de computadores. O ROBOBO pode ser programado diretamente em Java3, mas não é uma boa opção para alunos que estão começando a programar. Para este fim, existem várias ferramentas de programação educacional que são muito adequadas, como por exemplo o ScratchX ou Blockley, que foram implementadas como módulos do ROBOBO.
Outro exemplo de onde ROBOBO pode ser usado para alunos começar a programação é com problemas matemáticos. Neste exemplo, os alunos devem interagir com o robô para fazê-lo e depois desenhar diferentes tipos de triângulos no chão. Os alunos terão que usar comandos muito básicos do ScratchX, como mover para frente e virar para um dado ângulo.
Naya et al. (2017) explicam que a ideia aqui é que, ao fazer isso, os alunos serão expostos aos fatos progressivos de que um processo pode ser dividido em etapas, que cada etapa deve ser expressa de maneira precisa e que, quando o número apropriado de etapas corretas está na ordem certa um todo é alcançado. Simultaneamente, os alunos estarão lidando com os conceitos de comprimentos de linha (em função da velocidade e do tempo) e os ângulos de giro, que são conceitos matemáticos e físicos básicos. Ao testar diferentes combinações, eles obterão diferentes triângulos. Neste caso, e para tornar o exercício mais
2 Conforme NEAR (2019), Near Field Communication é uma tecnologia que permite a troca de
informações sem fio e de forma segura entre dispositivos compatíveis que estejam próximos um do outro.
divertido e envolvente, o professor pode introduzir sons engraçados e diferentes expressões faciais para o robô quando estiver girando ou indo em velocidades diferentes.
O sistema foi testado em várias turmas da escola e os resultados foram muito promissores. Agora, a plataforma está em fase de testes com outras faixas etárias e diferentes tipos de escolas, incluindo escolas para crianças deficientes.
2. 2. 2 Programa de treinamento para crianças disléxicas usando robótica educativa
O estudo apresentado por Andruseac et al. (2015), descreve o desenvolvimento do projeto intitulado "Tecnologias Inovadoras em Educação Especial: melhorar habilidades de Ciência, Tecnologia, Engenharia e Matemática em crianças disléxicas", o qual foi implementado durante 18 meses, entre janeiro de 2015 e junho de 2016 no Laboratório do Departamento de Ciências Biomédicas da Faculdade de Medicina Bioengenharia, na Universidade de Medicina e Farmácia, Iasi, Romênia.
Nos primeiros três meses, a equipe do projeto analisou as soluções disponíveis no mercado no momento atual, referentes aos robôs usados na educação. Foram analisados os seguintes tipos de plataformas: (a) kits de robótica que podem ser montados, programados e reconfigurados, (b) kits de robôs móveis, (c) kits de robôs pré-montados, (d) robôs enxame miniaturizados.
Com base nessa análise e considerando a qualidade dos robôs disponíveis em relação ao preço, optaram por utilizar a plataforma de robótica Lego Mindstorms EV3, a qual representa a plataforma LEGO didática de terceira geração, após o RCX e o NXT. O kit é baseado no controlador EV3, com três servo motores, dois sensores de contato, um sensor ultrassônico, um sensor de cor, uma bateria recarregável, conectores e componentes de montagem que podem ser usados em diversas combinações, conforme ilustra a Figura 5.
Figura 5: Mindstorm EV3 Educational Robotic Kit
Fonte: Adaptado de Andruseac et al. (2015)
Andruseac et al. (2015) ressaltam que os campos tecnológicos, como a engenharia, estão precisando desesperadamente de trabalhadores mais qualificados, mas não há alunos suficientes que estejam estudando ciências, tecnologia, engenharia ou matemática (STEM) que os preparem para carreiras técnicas. A diminuição do interesse de crianças e estudantes na área de engenharia e ciência - Ciência, Tecnologia, Engenharia e Matemática - é comprovada pelos inúmeros estudos realizados na Europa e no mundo.
Embora todos os estudos apontem para um aumento na demanda de especialistas qualificados no campo técnico, a maioria dos alunos incentivados a seguir uma carreira nesse campo está focada apenas em alunos com alto desempenho acadêmico e não em alunos com resultados médios. Além disso, essas iniciativas raramente se concentram em grupos vulneráveis, como crianças de famílias com necessidades financeiras ou sociais, problemas, imigrantes ou minorias.
De acordo com um estudo feito por Eurydice (2010, apud Andruseac et al., 2015), as meninas raramente são orientadas para uma carreira em um campo técnico e as crianças com dificuldades de aprendizagem são completamente ignoradas. Esse também é o caso de crianças com dislexia que têm problemas em entender informações escritas, seja em um curso impresso ou um curso online. O campo da robótica tornou-se uma ferramenta interessante e acessível para ensinar e apoiar STEM, princípios de design e resolução de problemas.
2. 3 Robótica móvel na agricultura
O uso de robôs móveis na agricultura é uma alternativa para intensificar a produção de alimentos. Nos últimos anos, diversos avanços aconteceram no setor.
Conforme alertam Hackenhaar, Hackenhaar e Abreu (2015, p. 119) “a robotização
das atividades agrícolas deve considerar todos os agentes envolvidos na produção possibilitando a intensificação com o menor impacto possível”.
Nessa perspectiva, faz-se necessário levar em consideração três variáveis muito importantes:
econômica, que se traduz através do lucro, aponta que, se a
agricultura não gerar lucro e renda ao agricultor, ela desaparece;
social, porque, se o homem neste meio não obtiver dividendo, não há
razão de ter da própria agricultura;
ambiental, que é a própria sobrevivência da natureza, para que
possam existir agricultura e ambiente sadio no futuro. (HACKENHAAR, HACKENHAAR e ABREU, 2015, p. 119)
Os avanços científicos e tecnológicos ocorridos nas últimas décadas ganharam especial destaque na contribuição oferecida para a expansão da capacidade produtiva, alavancada pelo crescimento da demanda de alimentos. Dessa forma, Buainain et al. (2014, p. 17) afirmam que o crescimento da produtividade resultou da expansão da cadeia produtiva agrícola, com ampliação considerável dos vínculos com indústrias de fornecimento e processamento, bem como com serviços sofisticados, de pesquisa, experimentação e difusão, e de consultorias em áreas da tecnologia da informação, genética animal, agricultura de precisão, e de todos os demais tipos de serviços relacionados à propriedade e às indústrias da cadeia de produção. Valdiero, Heck e Silva (2015, p.63) afirmam que mesmo com um grande avanço tecnológico de máquinas e equipamentos agrícolas para grandes propriedades rurais, ainda não há o mesmo investimento no desenvolvimento de equipamentos de precisão para agricultura familiar.
Ainda conforme descrito por Valdiero, Heck e Silva (2015, p. 63), a agricultura de precisão (AP) é uma forma moderna de gerenciamento agrícola, que vai desde a análise e o preparo do solo até a pós-colheita, e que permite a aplicação e a integração modular das diversas tecnologias inovadoras para o tratamento localizado das culturas, uma vez conhecida a variabilidade espacial dos fatores determinantes da produtividade.
Nessa perspectiva, Inamasu (2013, p. 28) afirma que há vinte anos, um sistema embarcado com GPS ou um computador que pudesse realizar processamento de imagens e mapas era considerado sofisticado. A falta de máquinas e o custo delas no Brasil eram apontados como o maior obstáculo para o desenvolvimento da Agricultura de Precisão.
Porém, a disponibilidade de máquinas com essa tecnologia aumentou significativamente nos últimos anos, alcançando um custo que torna o seu emprego cada vez mais viável a um número maior de agricultores.
Importante ressaltar, conforme Juntolli (2013, p. 37) que hoje a agricultura moderna está relacionada à distribuição inadequada dos insumos agrícolas (calcário, semente, adubo, herbicida, inseticida), a uma gestão da unidade produtiva deficiente, acarretando zonas de baixa produção agrícola dentro da mesma área cultivada.
Uma alternativa a isso é a utilização de ferramentas e tecnologias da agricultura de precisão, possibilitando ao produtor identificar qual o insumo e em que quantidade deve ser aplicado, bem como os locais específicos com diferentes potenciais de produtividade, podendo-se determinar ou não a aplicação.
Juntolli (2013, p. 37) ainda explica que a agricultura de precisão auxilia a melhoria da gestão da propriedade rural com o uso de sensores ópticos, adubação e semeadura a taxa variável em tempo real, piloto automático, tráfego controlado, plantio na mesma linha, aproveitando a adubação residual e permitindo a semeadura noturna. Essas ferramentas contribuem para tornar as práticas agropecuárias cada vez mais precisas e decisões acertadas para melhor gerenciamento da propriedade.
O impulsionamento da agricultura de precisão pode ser observado em diferentes países. No Brasil, Soares Filho e Cunha (2015) realizaram a análise da adoção e da utilização desta tecnologia na região sudoeste do Estado de Goiás, considerando que a AP tem nos solos do cerrado brasileiro um perfeito campo para seu desenvolvimento. Demattê et al. (2014) afirmam que métodos propostos pela agricultura de precisão podem ser avaliados como alternativa à proteção ambiental e a maior produtividade da cana-de-açúcar na região de Areiópolis, estado de São Paulo, Brasil. Para isso, apresentam um estudo comparando os sistemas de produção, agricultura de precisão e a agricultura tradicional, destacando suas distinções, tais como as diferenças na grade de amostragem, a variação da produção, viabilidade e custos.
Ainda no estado de São Paulo/ Brasil, os autores Maia, Netto e Tran (2017) apresentam um dispositivo de Internet of Things (IoT) desenvolvido para monitorar a condição do solo e do meio ambiente em tempo real. O dispositivo foi projetado para ser compatível com hardware aberto e é composto de sensores de temperatura e umidade (solo e ambiente), condutividade elétrica do solo e luminosidade, Sistema de Posicionamento Global (GPS) e um rádio para comunicação de dados.
No Brasil, há vários outros estudos referentes a agricultura de precisão, onde o uso de drones e sensores conectados a máquinas agrícolas são cada vez mais frequentes, possibilitando medir a saúde do solo e de diferentes culturas durante o plantio e a colheita. Maia, Netto e Tran (2017) afirmam que aplicações futuras incluem o uso do dispositivo IoT
para detectar incêndios nas lavouras, um problema comum nas lavouras de cana-de-açúcar e a integração do dispositivo IoT com sistemas de gerenciamento de irrigação para melhorar o uso da água.
Nos últimos anos, a agricultura tem passado por muitas transformações, com significativas mudanças atreladas à modernização do espaço agrário, sobretudo, à modernização da estrutura produtiva do campo. Nesse processo de transformação, se torna vital a capacidade de manter e ampliar a geração de tecnologias, sendo necessário também intensificar o processo de inovação. Para isso, uma tecnologia bastante promissora no meio rural é a robótica, principalmente com o desenvolvimento de um veículo elétrico autônomo.
No cenário atual, é cada vez menos frequente a disponibilidade de mão-de-obra qualificada no setor agrícola. Nesse contexto, a automatização do setor é uma alternativa para superar esse problema, contribuindo para o desenvolvimento econômico da agricultura. A robótica contribui substancialmente para a agricultura, pois possibilita a motorização de sistemas mecânicos, controlados manualmente ou automaticamente por circuitos elétricos, onde a computação é uma aliada indispensável.
Na literatura científica, pode-se encontrar trabalhos referentes a pesquisas e desenvolvimento de robôs agrícolas. De modo geral, procuram associar diferentes tecnologias disponíveis para a agricultura de precisão no projeto/construção de robôs com mais de uma finalidade, com objetivo principal de reduzir custos de produção e facilitar a aquisição pelos agricultores. O grande desafio ainda é criar produtos que disponham de tecnologia embarcada, porém que apresente baixo custo.
Lee et al. (2014) enfatizam que a mudança climática ocorrida recentemente, incluindo o aquecimento global, exige que todos concentrem seus esforços para reverter a atual situação e para isso métodos de produção no campo agrícola também são necessários. Então, propõe uma plataforma ecologicamente correta para agricultura, a qual substitui motores à combustão por motores elétricos.
Megha et al. (2017) propõem um sistema robótico de controle de plantas daninhas baseado em visão computacional para o controle em tempo real de ervas daninhas em campos de cebola na Índia. O referido sistema será capaz de identificar ervas daninhas e pulverizar seletivamente a quantidade certa do herbicida, sendo baseado em uma combinação de processamento de imagem, automação de máquina e internet das coisas (IoT).
Singh et al. (2015) apresentam o AGRIBOT, que é um robô projetado para fins agrícolas, o qual executa funções como colheita, capina, poda e plantio. Ele é projetado para minimizar o trabalho dos agricultores, além de aumentar a velocidade e a precisão do trabalho. O AGRIBOT também é capaz de encontrar a grama no campo usando o processamento de imagem. Para isso, uma webcam tira fotos dentro do campo e se a
grama for encontrada, o usuário informará ao robô para cortar a grama, podendo ainda delimitar a grama que será cortada pelo ele.
Manivannan e Priyadharshini (2017) proporam um sistema que se concentra na implementação de todo o processo de cultivo, especialmente na cultura da cebola, em um único robô usando o Fire Bird V. O robô detecta a área de plantio usando sensores e as mudas são plantadas no campo correspondente usando o arranjo de garras (pinças) do robô, as quais servem tanto para o plantio quanto para a colheita da cebola.
O restante do processo agrícola, como colheita e pulverização, pode ser feito automaticamente com o Fire Bird V. Este robô pode ajudar os agricultores a fazer o processo de cultivo com precisão, pois dispõe de câmera para monitorar o campo e o crescimento da planta, além de diferentes sensores, os quais são capazes de detectar a temperatura, os insetos ou animais presentes no campo e o nível de pesticidas e fertilizantes. Se os recursos hídricos ou pesticidas forem insuficientes, será produzido um sinal sonoro de alerta.
Demarest (2015) faz referência ao robô Spirit, cujo primeiro projeto de veículo é um sistema que corta, seca e prepara o fardo de feno em uma única passagem, permitindo aos agricultores dispor de feno de qualidade significativamente maior a um custo muito menor. Com o desenvolvimento do protótipo Spirit busca-se atender às necessidades dos agricultores e resolver problemas como compactação do solo e escassez de mão-de-obra. Suas primeiras aplicações autônomas provavelmente serão a fenação, o plantio direto, a pulverização e o transporte de grãos.
São vários os robôs agrícolas em desenvolvimento e em fase de testes. Ao se reportar a alguns, percebe-se que, de modo geral, têm a finalidade de suprir a demanda de mão de obra na agricultura, buscando melhorar a relação custo-benefício. Outro aspecto importante é que são de grande porte, o que nem sempre é viável para aquisição por agricultores com pouca extensão de terra cultivável.
2. 3. 1 Exemplos de robôs móveis na agricultura
Como primeiro exemplo no contexto da robótica móvel na agricultura, Bayar et al. (2015) propõe um veículo agrícola autônomo (Figura 6) que opera em pomares de árvores frutíferas. Esse veículo não depende de sinais GPS4 para estimativa de estado ou acompanhamento de caminho, contando apenas com dados de um scanner a laser planar e de encoders de roda e direção. Isso o torna adequado para aplicações agrícolas reais, em
4GPS é a sigla para Global Positioning System, que em português significa “Sistema de
que o custo de aquisição é fundamental para a decisão de um agricultor de investir em novas tecnologias.
Esse veículo é capaz de seguir uma linha de pomar, virando no final da fileira e entrando na próxima usando apenas o telêmetro a laser e os codificadores de direção e roda montados no capô. Trabalhadores a pé colhem maçãs e as depositam em caixas rebocadas pelo veículo, eliminando a necessidade e o custo de um motorista de trator e aumentando a quantidade de pessoas para colheita de frutas.
Figura 6: Veículo agrícola autônomo para pomares
Fonte: Bayar et al. (2015, p. 119)
Nessa categoria, também conhecida como a de veículos terrestres não tripuláveis (
UGVs
5),
destaca-se os tratores autônomos. São capazes de semear com altíssimaprecisão, possuem parada e inicialização automática para obstáculos em movimento. É uma inovação no mercado, porém ainda não está disponível para comercialização. Um modelo desse robô móvel é apresentado na Figura 7.
