relatorio carrinho segue faixa

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projeto CARRo seguidor de linha
EQUIPE THE LOST BAND FOLLoWERS
Carlos Henrrique Lopes – chlopes92@gmail.com - RA: 14002021 – Eng. Produção
Marcus Vinicius Duate – marcusvinicius10@outlook.com.br - RA: 14001914 – Eng. Produção
Ledislei Aparecido de Souza – ledisley@gmail.com - RA: 14002330 – Eng. Elétrica
Rafael da Silva Matos – rafinhasmatos@hotmail.com- RA: 14002199 – Eng. Elétrica
Orientadores: Prof. Geysilene– geysilene.diniz@etep.edu.br
		Monitor Rodrigo– rodrigo.fiorante@csa.edu.br
		Prof. Nelson Emmerick– nelson.junior@etep.edu.br
Resumo. Trabalho de atividades práticas supervisionadas para aplicação dos conhecimentos adquiridos nos cursos de engenharia elétrica e engenharia de produção, com projeto e construção de um carrinho robô capaz de seguir o trajeto de uma pista em linha de cor preta com fundo branco de maneira autônoma. O projeto consiste de um sistema de emissão e detecção da luz refletida no solo e, a partir da intensidade do sinal captado, realizar o controle de dois motores de corrente contínua através de um circuito composto basicamente por amplificadores operacionais, transistores e resistores.
Palavras-chave: Amplificadores Operacionais, Transistores, Resistores
1.	INTRODUÇÃO
As inovações tecnológicas recentes mostram-se cada vez mais presentes na indústria e na vida cotidiana das pessoas, isso porque seu desenvolvimento passou a ser facilitado de vários modos e por várias áreas da tecnologia. A exemplo podemos citar a computação, de modo geral e a robótica de modo específico, fazendo uso de diversos componentes eletrônicos auxiliares, possibilitando uma experiência mais cômoda e prática para a execução de algumas atividades.
Na indústria, tarefas antes executada de forma interinamente repetitiva e metódica por homens foram automatizadas e facilitadas com o uso de robôs. Hoje em dia, a utilização da robótica nessas áreas trouxe meios autônomos que já desenvolvem alguns processos programados, dotados de inteligência artificial, de tal forma que não necessite de intervenção direta do ser humano na execução das atividades do robô.
Este trabalho tem como objetivo desenvolver um robô capaz de se movimentar sobre uma trajetória plana demarcada por uma faixa escura envolta por um meio claro através de sensores compostos por diodos emissores de luz infravermelha, motores CC e um circuito de controle analógico, simulando o que seria uma aplicação prática desse tipo de robô no conceito industrial, aplicando e ampliando os conhecimentos adquiridos em sala de aula ao longo do curso.
 
2.	FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 História
O termo robô se origina da palavra Tcheca “robota” que significa “trabalho compulsório” onde em 1921 foi usado pela primeira vez em uma peça de teatro chamada “Rossum`s Universal Robots” pelo escritor Karel Capek, mas só começou a ser difundida em 1939 por Issac Asimov no livro “Eu Robô” onde no mesmo estabeleceu as famosas leis da robótica que utilizamos até hoje.
Com a invenção do transistor em 1948 os robôs passaram a ser controlados por computadores. A partir de então em 1954 houve a primeira patente para robô controlado por computador em nome de George Devol. Em 1963 surgiram os primeiros protótipos de robôs móveis e somente em 1968 foi construído robô móvel com conceitos de robótica fixa e mecânica. A partir desta década começou a evolução dos princípios de sensores, processamento de imagens e inteligência artificial, para ter robôs com capacidade de atuar em ambientes dinâmicos e que fossem simples e robustos.
Na década de 80, surgiram vários trabalhos interessantes na área de robótica. Em 1983 foi desenvolvido o método freeway, conforme descrito em, que é uma modelagem do espaço livre e planejamento da trajetória, mas tinham restrições com a manutenção e a criação dos mapas do ambiente. Em 1986 começou a trabalhar com leitura baseada em seus sensores. Esta ultima arquitetura foi essencial para pesquisas de métodos reativos e contribuiu para construção de robôs móveis.
A partir de 1990 começou surgir arquiteturas mais consistentes como a de Mataric, que analisou a necessidade de dotar um robô de capacidades mais elaboradas, com utilização de um mapa construído através de marcas detectadas no ambiente. Nesta analise pressupôs que o mapa seria atualizado sempre que houvesse mudança de ambiente. Neste mesmo ano Zelinski estudou um método que se baseava no mapeamento em tempo de execução.
Em 1994, começaram as grande revoluções na área de robótica, principalmente a na área de robótica móvel. A NASA junto com a Carnegie Mellon University desenvolveram um robô para inspeção de vulcões ativos e em Julho de 1997 foi enviado o famoso “Soujourner”, robô mandado para uma expedição a Marte chegando lá somente no ano de 2000. 
Em 2000, a “Carnegie Mellon” criou um robô de quatro rodas para realizar uma expedição a Antártida, em busca de amostras de meteorito, onde o mesmo, utilizando técnicas avançadas de Inteligência Artificial, coletava pedras já classificando as mesmas. 
2.2 Conceito
A definição de robô é “maquina controlada por computador” e são programadas para mover, manipular objetos e realizar diversos trabalhos. A ideia em usar um robô é que ele execute tarefas mais rápidas que um ser humano de modo barato, mais eficiente em determinados momentos e capaz de executar tarefas repetitivas sem acusar cansaço ou qualquer outro desgaste que um ser humano teria. 
2.3 Principais Componentes e Funcionalidades
Microcontrolador
Os microcontroladores são dispositivos capazes de realizar controle de maquinas ou equipamentos eletrônicos, através de programas realizados em diferentes tipos de linguagem. O Arduíno é uma plataforma de prototipagem eletrônica open-source, baseado em um microcontrolador que se conecta ao computador pessoal através de uma porta serial ou USB, dependendo do modelo utilizado. Ele possui uma linguagem de programação própria, baseada em Wiring, que é implementada em um ambiente de desenvolvimento (IDE), também próprio, baseado em processamento, e que pode ser utilizada em vários sistemas operacionais. Através desta plataforma pode-se montar uma variedade de circuitos de forma fácil e ágil, como, por exemplo, um sistema de sensores, cujos dados podem ser interpretados e utilizados pelo próprio Arduíno ou repassados para um computador pessoal. A sua alimentação se dá pela porta USB conectada ao PC ou por uma fonte externa de até 25v.
A linguagem de programação do Arduíno é simples e sua sintaxe se assemelha muito ao C++ e ao Java. Um programa típico possui duas funções básicas, o “void setup()”, que é executada logo no início do programa, e o “void loop()”, que é a função executada repetidamente pelo microcontrolador. Fora elas existem diversas outras funções como, por exemplo, as que fazem com que um pino emita e receba sinais digitais ou analógicos.
O modelo do Arduíno escolhido para ser utilizado neste projeto foi o Arduíno UNO R3 (Figura 1), que utiliza um microcontrolador ATMega328P com interface USB e também um conector de alimentação externa.
Uma série de vantagens faz do Arduíno a escolha para ser utilizada neste projeto, dentre eles estão seu preço atrativo, programação descomplicada e fácil manuseio. Os comandos simples simplificam diversos passos do projeto, dando espaço para a equipe focar a atenção em outras partes, como na montagem dos sensores e no funcionamento dos motores.
Figura 1 - Arduíno UNO R3
Motores de corrente contínua
Motores elétricos convertem energia elétrica em mecânica. Existem motores de corrente contínua (CC) e de corrente alternada (CA), cada um com diversas variações. Motores de corrente alternada são geralmente usados para máquinas grandes e recebem energia diretamente da rede de distribuição de energia. Já robôs móveis usam tipicamente motores de corrente contínua, pois sua fonte de energia é uma bateria.
Para as necessidades de locomoção de um robô, o motor gira em uma velocidade muito alta e com um torque muito baixo. Para inverter essa relação,o motor deve ser ligado a uma caixa de redução que produz uma nova saída que gira mais devagar, porém com um torque maior. Muitos motores CC são vendidos com a caixa de redução já instalada, como é o caso do adquirido para este projeto.
Os motores de corrente contínua têm pelo menos dois terminais que ao se aplicar uma tensão nestes terminais o motor gira em um sentido e invertendo a polaridade da entrada o motor gira no sentido contrário (Figura 2). Alguns motores CC, como motores de passo, têm mais que dois terminais. Os sinais aplicados nestes terminais energizam partes do motor organizadamente de modo a controlar o ciclo interno do motor. Este controle permite saber a posição do motor em cada instante e obter uma precisão maior da velocidade de rotação do motor. Neste projeto a trajetória do robô pode ser constantemente corrigida a partir da linha, então não será necessário o uso desse tipo de motor.
Figura 2 - Estrutura de um Motor de Corrente Contínua
Os motores comprados para o robô são do modelo AK280/5-R330, e foram comprados com caixa de redução de 1 para 70 embutidos. A eficiência máxima do motor é atingida em 1,44 A, o motor aplica um torque de 0,63 kg f · cm e atinge a velocidade angular de 280 rpm. Com as rodas e a caixa de redução isto resulta em um torque de 17,3 N e uma velocidade de 1,7 cm/s.
Circuito controlador motor (ponte H)
Dentro do projeto, os motores CC precisam ser acionados nos dois sentidos, portanto há a necessidade de controlar o sentido da corrente fornecida para que o motor inverta o sentido de rotação. Esse controle é feito pela ponte H (Figura 3), que controla o sentido da corrente para o motor através da disposição de quatro chaves eletrônicas em que o motor é posicionado entre elas, de modo que formem uma letra “H”, daí o seu nome.
Figura 3 - Esquema de uma Ponte H
O fornecimento de corrente ocorre pelo fechamento das chaves duas a duas, de tal forma que a fonte e o terra estejam em posições alternadas dos polos do motor (Figura 4).
Figura 4 - Funcionamento de uma Ponte H
No caso deste projeto, existem duas formas distintas de utilização da ponte H: montar uma com componentes discretos, como transistores e diodos ou utilizar o circuito integrado L298N.
Decidiu-se pela utilização do circuito integrado L298N, pois o seu encapsulamento já possui duas pontes H integradas, ideal para o caso, pois necessitamos controlar dois motores CC de forma independente através do microcontrolador. Além disso, outra vantagem é o seu dimensionamento, pois ocupa um espaço muito menor do que duas pontes H feitas com componentes discretos.
Sensores
Os sensores utilizados no projeto são fototransistores e fotodiodos, funcionando como receptores e emissores respectivamente. Basicamente eles verificam se o protótipo está ou não em cima do seu trajeto e se ele precisa fazer alguma correção na rota.
Todo o funcionamento desses sensores está baseado numa propriedade fundamental dos fotodiodos. Esses componentes eletrônicos quando instalados em polaridade reversa possuem uma resistência elétrica praticamente infinita assim como qualquer diodo em polaridade reversa. No entanto quando um feixe de luz infravermelha é direcionado para o fotodiodo, sua resistência elétrica cai drasticamente e é através dessa propriedade que é possível verificar se o robô móvel está ou não sobre a faixa de cor escura utilizada para orientar o percurso que deverá ser percorrido. O funcionamento do fototransistor é basicamente o mesmo do fotodiodo, entretanto ele é mais sensível ao sinal luminoso pois basta uma pequena corrente na base para que ele altere seu estado verificando então a presença da luz.
O diodo emissor (LED) emite um feixe luminoso que reflete sobre uma superfície de cor clara e incide no fototransistor, ”receptor”, diminuindo sua resistência e permitindo a passagem de corrente que é verificada pelo Arduíno. Como a faixa é de cor escura, o feixe luminoso emitido pelo LED é absorvido fazendo com que não haja passagem de corrente pelo fotodiodo (Figura 5).
Com isso é verificado se o “carro” está ou não sobre o percurso indicado. Como o percurso criado será de cor escura, o Arduíno interpreta a “ausência de luz” como caminho e a presença, no caso a reflexão da luz emitida, como sendo o fundo fora do caminho (Figura 6). 
Figura 5 - Circuito Individual dos Sensores
Figura 6 - Verificação pelos Sensores da Presença da Linha
Os sensores estão dispostos em pares (receptor e emissor) próximos um do outro à aproximadamente dois centímetros do chão, distribuídos de tal forma que os dois ficam alinhados mais para as laterais, com uma distância maior que o da faixa preta utilizada como caminho.
Programação arduíno (C/C++)
O Arduino é uma placa de código aberto baseado em um circuito de entradas e saídas simples, microcontrolada e desenvolvida sobre uma biblioteca que simplifica a escrita da programação em C/C++.
A estrutura de programação do Arduino é constituída por duas funções principais, a “setup” e o “loop”. No setup iremos dar indicações ao Arduino de onde estão ligados os componentes. No loop iremos escrever as instruções. Um detalhe importante, é que as funções escritas no loop irão estar em ciclo constante, ou seja, o loop quando acaba, volta a reiniciar, infinitamente (Figura 7).
void setup() {
pinMode(13, OUTPUT);
 
}
 
void loop() {
 
}
Figura 7 - Estrutura Básica Programação Arduíno
Os Símbolos usados na construção de funções são os seguintes:
{ } - Dentro das chaves vão os procedimentos (statements) que a função deve executar;
; - O ponto-e-vírgula é usado para marcar o final de um procedimento;
// - comentário de uma linha: qualquer caracter depois das duas barras é ignorado pelo programa;
/*...*/ - comentário em várias linhas: qualquer texto colocado entre esses símbolos também é ignorado pelo programa.
Funções em linguagens de programação são como sub-rotinas ou procedimentos; são pequenos blocos de programas usados para montar o programa principal. Elas são escritas pelo programador para realizar tarefas repetitivas, ou podem ser importadas prontas para o programa em forma de bibliotecas.
Declaração da Função toda função deve ser declarada antes de ser chamada atribuindo-lhe um tipo e um nome seguido de parênteses, onde serão colocados os parâmetros de passagem da função. Depois do nome são definidos entre as chaves ‘ { ‘e ‘} ‘os procedimentos que a função vai executar.
setup( ): Essa é a primeira função a ser chamada quando o programa inicia. E é executada apenas nessa primeira vez. Esta é uma função de preparação: ela dita o comportamento dos pinos do Arduino e inicializa a porta serial.
loop( ): A função loop( ) é chamada logo a seguir e todas as funções embarcadas nela são repetidamente executadas. Ela fica lendo os pinos de entrada do Arduino e comandando os pinos de saída e a porta serial.
2.4 Descrição do Projeto
Este trabalho consiste em um robô capaz de se movimentar sobre uma trajetória plana demarcada por uma faixa escura envolta por um meio claro por meio de um sistema de emissão e detecção da luz refletida no solo e, a partir da intensidade do sinal captado, realizar o controle de dois motores de corrente contínua através de um circuito compostos por diodos emissores de luz infravermelha e um circuito de controle analógico.
2.4.1 Funcionalidade do Carrinho
O carrinho se locomove através de 2 motores independentes alimentados e orientados por um algoritmo escrito em linguagem de programação, com variáveis definidas levando em consideração os sinais de entrada captados pelos sensores. Conforme cada sensor identifique uma cor específica, o algoritmo executará um comando de saída defino.
Se o sensor esquerdo detectar uma faixa escura, o motor esquerdo será alimentado reversamente fazendo o carrinho corrigir seu trajeto. De mesmo modo, se o sensor direito detectar uma faixa escura, o motor direito será alimentado reversamente, corrigindo a trajetória novamente. No momento em que cada sensornão identificar mais a faixa escura, o motor respectivo será alimentado diretemente. Caso nenhum sensor detecte alguma faixa escura, os motores serão alimentados diretamente, fazendo com que o carrinho siga em linha reta.
2.4.2 Código Fonte
#define lmotorf 9
#define lmotorb 8
#define rmotorf 10
#define rmotorb 11
void setup() {
pinMode(lmotorf,OUTPUT);
pinMode(rmotorf,OUTPUT);
pinMode(lmotorb,OUTPUT);
pinMode(rmotorb,OUTPUT);
pinMode(6,INPUT);
pinMode(7,INPUT);
}
void loop() {
int lsensor=digitalRead(6);
int rsensor=digitalRead(7);
if((lsensor==LOW)&&(rsensor==LOW))
{
digitalWrite(lmotorf,HIGH);
digitalWrite(rmotorf,HIGH);
digitalWrite(lmotorb,LOW);
digitalWrite(rmotorb,LOW);
}
else if((lsensor==LOW)&& (rsensor==HIGH))
{
digitalWrite(lmotorf,HIGH);
digitalWrite(rmotorf,LOW);
digitalWrite(lmotorb,LOW);
digitalWrite(rmotorb,HIGH);
}
else if((lsensor==HIGH)&&(rsensor==LOW))
{
digitalWrite(lmotorf,LOW);
digitalWrite(rmotorf,HIGH);
digitalWrite(lmotorb,HIGH);
digitalWrite(rmotorb,LOW);
}
else
{
digitalWrite(lmotorf,LOW);
digitalWrite(rmotorf,LOW);
digitalWrite(lmotorb,LOW);
digitalWrite(rmotorb,LOW);
}
}
2.4.3 Detalhes do projeto
 
 
2.4.4 Materiais Utilizados
1 x Chassi Usinado Acrílico 210 x 147 x 3mm
2 x Rodas Emborrachadas Diâmetro 68 x 26mm
2 x Motores DC 3~6v com Caixa de Redução
1 x Arduino Uno R3
2 x Sensores Infravermelhos TCRT5000
1 x Circuito Drive Motores L298N
4 x Pilhas AA com Suporte
1 x bateria 9v com suporte
Jumpers para ligação
Parafusos e Porcas
2.4.5 Resultados
O desempenho do carrinho durante os testes foi dentro do esperado, porém surgiram alguns problemas que atrapalharam um pouco seu desenvolvimento ao longo dos percursos.
Foram feitos os devidos ajustes e melhorias a fim de alcançar um melhor resultado. Foram ajustados os sensores quanto sua distância do piso e espaçamento entre eles, com objetivo de melhorar a reflexibilidade e evitar que os mesmos fiquem posicionados sobre a linha escura ao mesmo tempo, durante uma curva mais fechada, fazendo com que fiquem acionados ao mesmo tempo, prejudicando o funcionamento correto do carrinho. Foram substituídas também as pilhas de alimentação dos motores por pilhas alcalinas a fim de garantir uma maior autonomia durante seu funcionamento.
Após todas as modificações, os testes foram refeitos e significativamente houve um ganho representativo no desempenho. O carrinho mostrou mais agilidade e mobilidade durante os testes nos percursos, completando-os com total eficiência e funcionalidade.
2.4.5 Problemas e Soluções
	Tabela de Problemas e Soluções
	Problemas
	Soluções
	Carrinho passava reto durante uma curva fechada.
	Reposicionar os sensores, aumentando o espaçamento entre eles.
	Carrinho trava durante uma curva.
	Reposicionar os sensores, aumentando a distância do piso.
	Pouco desempenho e autonomia do carrinho.
	Substituição das pilhas de alimentação dos motores por pilhas alcalinas.
3. CONCLUSÃO
O projeto carrinho seguidor de faixa proporcionou aos estudantes de engenharia a importância e a inter-relação entre os conhecimentos das áreas básicas e específicas e também entre a teoria e o experimento. A atividade desperta grande interesse e envolvimento dos estudantes, que se mostram capazes de superar as dificuldades iniciais de entendimento e aplicação de conceitos e conhecimentos básicos de eletrônica, mecânica e linguagem de programação. A metodologia de ensino empregada evidencia aos estudantes a importância das atividades de modelagem e simulação no processo de desenvolvimento de um projeto de engenharia, antes de se construir um protótipo para testes. Adicionalmente, o caráter competitivo da atividade e as limitações de material e requisitos de projeto impostas, estimulam a criatividade e a busca por soluções alternativas para os problemas encontrados, após todo o processo proveniente de cálculos, desenvolvimento e execução do projeto.
4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ANTUNES, F. L. M. Motores de Corrente Contínua. 2009.
http://www.dee.ufc.br/antunes/Maquinas EletricasI/Aulas/MotoresCorrenteContinua-Impressao.pdf. Acesso em: 14/03/2016.
BANZI, M. et al. ARDUINO. 2006. http://www.arduino.cc.
INTERFACING with Hardware. [S.l.]: Arduino, 2009.
http://www.arduino.cc/playground/Main/InterfacingWithHardware. Acesso em: 12/03/2016.
JONES, J. L.; FLYNN, A. M.; SEIGER, A. B. Mobile Robots: Inspiration to Implementation.
2. ed. [S.l.]: Natick, Massachusetts: A K Peters, 1999.
MICROELECTRONICS, S. T. L298 datasheet. 2000.
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/SGSThomsonMicroelectronics/mXrqqxz.pdf.
NASCIMENTO, L. P.; DIAS, L. del C.; ZORZO, R. de R.
Cadeira de Rodas Motorizada — Universidade Tecnologica Federal do Paraná, Curitiba,
2008.
PATSKO, L. F. Tutorial Montagem da Ponte H. 2006.
http://www.maxwellbohr.com.br/downloads/Tutorial Eletronica - Montagem de uma Ponte
H.pdf.
TECNOLOGICAS, A. S. AK280 com redução. http://www.motores.akiyama.com.br/pdf/AK 280 - Red.pdf.