ROBÔ LOCALIZADOR DE SERES HUMANOS

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O projeto baseia-se na construção de um robô móvel autônomo que possa entrar em áreas com
pouca ou nenhuma luminosidade, guiando-se a partir de um sonar, com o objetivo de diferenciar,
por meio de um sensor de calor por infravermelho, seres humanos de outros corpos.

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ROBÔ LOCALIZADOR DE SERES HUMANOS

  1. 1. UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁDEPARTAMENTOS ACADÊMICOS DE ELETRÔNICA E INFORMÁTICA CURSO DE ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO AGNALDO CESAR COELHO ANDRÉ LUIZ CONSTANTINO BOTTA BIANCA ALESSANDRA VISINESKI ALBERTON RICHARD CLEVERTON WAGNER ROBÔ LOCALIZADOR DE SERES HUMANOS MONOGRAFIA DE OFICINA DE INTEGRAÇÃO II CURITIBA 2012
  2. 2. AGNALDO CESAR COELHO ANDRÉ LUIZ CONSTANTINO BOTTABIANCA ALESSANDRA VISINESKI ALBERTON RICHARD CLEVERTON WAGNERROBÔ LOCALIZADOR DE SERES HUMANOS Monografia de Oficina de Integração II apresentada ao Curso de Engenharia de Computação da Universi- dade Tecnológica Federal do Paraná como requisito parcial para aprovação. Orientador: Miguel Antonio Sovierzoski CURITIBA 2012
  3. 3. AGRADECIMENTOS Agradecemos ao professor orientador Miguel Antonio Sovierzoski por ter nos auxi-liado durante o projeto. E também, aos professores da disciplina de Oficina de Integração II:Hugo Vieira Neto e Mário Sérgio Teixeira de Freitas, que sempre estiveram dispostos a nosauxiliar da melhor maneira possível.
  4. 4. RESUMOCOELHO, AGNALDO; BOTTA, ANDRÉ; ALBERTON, BIANCA; WAGNER, RICHARD.ROBÔ LOCALIZADOR DE SERES HUMANOS. 54 f. Monografia de Oficina de Integração II– Curso de Engenharia de Computação, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba,2012.O projeto baseia-se na construção de um robô móvel autônomo que possa entrar em áreas compouca ou nenhuma luminosidade, guiando-se a partir de um sonar, com o objetivo de diferenciar,por meio de um sensor de calor por infravermelho, seres humanos de outros corpos.Palavras-chave: Robô, Arduino, Sensor Piroelétrico, Sonar, Localizador, Locomoção.
  5. 5. ABSTRACTCOELHO, AGNALDO; BOTTA, ANDRÉ; ALBERTON, BIANCA; WAGNER, RICHARD.ROBOT HUMAN BEINGS FINDER. 54 f. Monografia de Oficina de Integração II – Curso deEngenharia de Computação, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2012.The project is based on the construction of an autonomous mobile robot that can go into areaswith a low light, or even without it, guided by a sonar, in order to differentiate, using infraredsensors, humans from objects.Keywords: Robot, Arduino, Pyroelectric Sensor, Sonar, Finder, Movement.
  6. 6. LISTA DE FIGURASFIGURA 1 – Robô autônomo para trabalhos de solda presente em linha de montagem. 11FIGURA 2 – Diagrama de Blocos do Robô . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13FIGURA 3 – Princípio de funcionamento do motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15FIGURA 4 – Variação da corrente de um motor com a carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16FIGURA 5 – Ponte H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17FIGURA 6 – Componentes de um servomotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17FIGURA 7 – Controle do servomotor utilizando sinais PWM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18FIGURA 8 – Potência irradiada versus comprimento de onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19FIGURA 9 – Espectro eletromagnético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20FIGURA 10 – Sensor piroelétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20FIGURA 11 – Exemplo de sinal gerado pelo sensor PIR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21FIGURA 12 – Polaroid SLR 680 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22FIGURA 13 – Detecção de objetos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24FIGURA 14 – Aferição de distância em uma superfície inclinada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24FIGURA 15 – Teste prático de desempenho do sonar HC-SR04 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25FIGURA 16 – Buzzer piezoelétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26FIGURA 17 – Controle PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27FIGURA 18 – Bateria Li-PO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28FIGURA 19 – Arranjo da bateria Li-PO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29FIGURA 20 – Baterias Li-PO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31FIGURA 21 – Circuito regulador com LM7805 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33FIGURA 22 – Kit Tamiya dois motores e caixa de redução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35FIGURA 23 – Circuito Integrado L293D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36FIGURA 24 – Servomotor modelo Hextronik HXT900. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37FIGURA 25 – Sensor PIR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38FIGURA 26 – Arduino UNO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39FIGURA 27 – Chassi Kit Tamiya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40FIGURA 28 – Placa de circuito impresso utilizada neste projeto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40FIGURA 29 – Circuito de ligação do sensor ao Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41FIGURA 30 – Chassi: elementos da base de madeira . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43FIGURA 31 – Primeira estrutura do robô . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43FIGURA 32 – Estrutura do robô utilizando peças LEGO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44FIGURA 33 – Fluxograma para o código fonte do Robô . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
  7. 7. LISTA DE TABELASTABELA 1 – Especificações da Bateria Li-PO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29TABELA 2 – Comparação entre as seis tecnologias de baterias recarregáveis mais uti- lizadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32TABELA 3 – Especificações do servomotor utilizado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37TABELA 4 – Especificações do sonar HC-SR04 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38TABELA 5 – Orçamento do Robô . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
  8. 8. LISTA DE SIGLASDC Direct CurrentAC Alternate CurrentPWM Pulse Width ModulationPCI Placa de Circuito Impresso
  9. 9. SUMÁRIO1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.1 JUSTIFICATIVA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.2 DELIMITAÇÃO DO PROBLEMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.3 MOTIVAÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.4 OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.4.1 Objetivo Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.4.2 Objetivos Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.5 MÉTODOS DE PESQUISA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.6 VISÃO GERAL DO SISTEMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.1 MOTORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.1.1 Motores DC: funcionamento e caixas de redução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.1.2 Ponte H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.1.3 Servomotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.2 SENSOR DE CALOR POR INFRAVERMELHO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.3 SONAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.3.1 Geração e Recepção do Sinal de Ultrassom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.3.2 Vantagens dos Sonares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.3.3 Principais Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.4 BUZZERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.5 PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.6 CONTROLE PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.7 FONTE DE ENERGIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.7.1 Especificações da Bateria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.7.2 Vantagens e Desvantagens no Uso de Bateria Li-PO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.7.3 Regulagem Série de Tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 DESENVOLVIMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.1 COMPONENTES UTILIZADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.1.1 Motor DC e Caixa de Redução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.1.2 Ponte H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.1.3 Servomotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.1.4 Sensor de Calor por Infravermelho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.1.5 Sonar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.1.6 Plataforma Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.1.7 chassi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.2 MONTAGEM DA PCI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.3 LIGAÇÃO DO SENSOR PIR AO ARDUINO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.4 FIXAÇÃO DO SENSOR PIR AO SERVOMOTOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.5 INTEGRAÇÃO DO SONAR AO ROBÔ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.6 MONTAGEM MECÂNICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.7 SOFTWARE DESENVOLVIDO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
  10. 10. 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.1 DIFICULDADES ENCONTRADAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.1.1 Sonar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.1.2 Utilização do Servomotor ao invés de um motor de passo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.1.3 Sensor de Calor por Infravermelho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.1.4 Locomoção do Robô . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484.2 PROJETOS FUTUROS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Apêndice A -- ORÇAMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52Apêndice B -- DIAGRAMA DE GANTT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53Apêndice C -- CÓDIGO FONTE DO ROBÔ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
  11. 11. 101 INTRODUÇÃO Robótica é uma área multidisciplinar da ciência que trata de sistemas compostos porpartes mecânicas e controlados por circuitos eletrônicos que operam segundo um algoritmo.Nem todos os robôs possuem a capacidade de locomoção, porém um robô que possua tal ca-pacidade poderá deslocar-se para o ponto em que suas habilidades sejam mais eficientes. (SI-EGWART; NOURBAKHSH, 2004) O advento da robótica foi um marco na indústria: a capacidade de executar com grandeprecisão e velocidade uma mesma função repetidas vezes impulsionou a produção de bens emlarga escala. A figura 1 exibe a imagem de um braço mecânico autônomo de soldagem, umdos equipamentos pertencentes a esta revolução na indústria manufatureira. No campo da ele-trônica, a robótica auxilia a produção de componentes cada vez menores e com maior quali-dade.(SIEGWART; NOURBAKHSH, 2004) Os robôs têm sido aplicados nas mais diversas áreas possíveis, como na exploraçãode ambientes inóspitos, no espaço e em extremas profundidades marinhas, na realização deintervenções cirúrgicas, na inspeção de áreas de risco (áreas vulcânicas, minas abandonadas,acidentes em usinas nucleares, etc.) e até mesmo no auxílio ao resgate de pessoas feridas.(RIBEIRO et al., 2012)1.1 JUSTIFICATIVA Em ambientes inóspitos, com risco à vida para equipes de salvamento, o uso de robôsautônomos pode fazer a diferença entre a vida e a morte de uma vítima. Este projeto teve ointuito, atentando-se ao tempo dedicado e à gama de conhecimentos por parte dos integrantes,de viabilizar um mecanismo, na forma de um robô móvel autônomo, capaz de auxiliar o pro-cesso de resgate em situações de desastres, procurando seres humanos que estejam perdidos ouferidos, facilitando assim, as buscas.
  12. 12. 11 Figura 1: Robô autônomo para trabalhos de solda presente em linha de montagem. Fonte: (SIEGWART; NOURBAKHSH, 2004)1.2 DELIMITAÇÃO DO PROBLEMA Robótica móvel autônoma abrange um leque enorme de possibilidades de estudo. Alocomoção do robô já caracteriza um desafio por si mesma (SIEGWART; NOURBAKHSH,2004), afinal, este pode utilizar para sua locomoção rodas, esteiras, pernas, entre outros, quenecessitam de motores, os quais podem ser de diversos tipos, cada um apresentando vantagense desvantagens para cada aplicação. Além disso, é necessário um algoritmo que trate as in-formações recebidas pelo robô e decida que ações devem ser tomadas pelo mesmo. Todos osconhecimentos necessários para a elaboração deste projeto e os componentes utilizados estãodescritos ao longo do desenvolvimento deste trabalho.1.3 MOTIVAÇÃO Os integrantes da equipe almejavam um projeto que envolvesse robótica móvel autô-noma, além do uso de sensores, item obrigatório da disciplina, proporcionando a todos os inte-grantes um aprendizado abrangente com uma temática desafiadora.1.4 OBJETIVOS1.4.1 OBJETIVO GERAL Desenvolver um robô móvel autônomo capaz de identificar fontes de calor, em especialseres humanos, em ambientes que apresentem pouca ou nenhuma luminosidade. O termo “serhumano” será utilizado neste documento para restringir fontes de calor ao enfoque deste pro-
  13. 13. 12jeto. Após a detecção da pessoa, o robô se aproximará dela até atingir uma distância mínima,previamente definida, para então, emitir um aviso sonoro indicando a conclusão de sua meta.1.4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS • Implementar um sistema de controle de locomoção, empregando um sonar, baseado na aferição da distância entre o robô, portador do sensor, e o meio. • Distinguir objetos de seres humanos por meio de um sensor de calor por infravermelho. • Deslocar-se até o alvo tendo em vista a orientação do mesmo segundo os dados obtidos pelo sensor de calor por infravermelho.1.5 MÉTODOS DE PESQUISA O projeto dividiu-se em duas etapas principais, sendo que na primeira etapa o funci-onamento dos componentes utilizados foram estudados individualmente, e na segunda etapa,integrou-se os componentes até o estado final do robô. • Inicialmente definiu-se os componentes prioritários do projeto. Distribuiu-se a pesquisa teórica sobre cada componente entre os integrantes da equipe, possibilitando que cada membro suprisse um aspecto do projeto e instruísse os outros integrantes sobre a forma correta de utilização do componente em questão. Paralelamente, o grupo se reunia du- rante as aulas de Oficinas de Integração 2 e no laboratório do DAELN para testar cada componente, como exposto no Diagrama de Gantt (apêndice B). • Com o término da primeira etapa, todos os componentes, individualmente, estavam fun- cionando como esperado. Assim sendo, iniciou-se a etapa de integração entre eles. O software de controle do robô começou a ser desenvolvido, visando a coordenação de to- dos os dispositivos envolvidos. Como fonte de informações, o projeto utilizou principalmente os datasheets dos com-ponentes, livros sobre robótica aplicada e tutoriais disponíveis na Internet. Embora as informa-ções contidas na rede nem sempre sejam confiáveis, os tutoriais utilizados em conjunto com osdatasheets se mostram de grande valia para a compreensão do funcionamento dos componen-tes.
  14. 14. 131.6 VISÃO GERAL DO SISTEMA De modo geral, o sistema funciona de acordo com o diagrama de blocos exposto nafigura 2. O robô guia-se utilizando as informações coletadas pelo sonar e pelo sensor de calorpor infravermelho, que são processadas pelo Arduino. Este controla a direção que o robô deveseguir e para onde o sensor de calor por infravermelho deve ser direcionado pelo servomotor.Quando o robô está próximo de uma pessoa, o buzzer emite um sinal sonoro. Os motores DC, controlados pelo Arduino por meio da ponte H, são responsáveis pelalocomoção do robô. Cada um deles está acoplado a uma caixa de redução, de modo a aumentaro torque aplicado nas esteiras. Figura 2: Diagrama de Blocos do Robô Fonte: Autoria própria A fundamentação teórica dos componentes utilizados está no capítulo 2. Os detalhesdo desenvolvimento e da implementação do sistema estão no capítulo 3.
  15. 15. 142 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA2.1 MOTORES De acordo com Kosow (1982), motor elétrico é um dispositivo que transforma energiaelétrica em energia mecânica, sendo os motores elétricos o principal responsável por movimen-tar robôs, braços mecânicos e outros dispositivos usados em mecatrônica. Basicamente, há dois tipos de motores: de corrente contínua DC e de corrente alternadaAC. Os demais são variações desses dois tipos (motor de passo, servomotores, entre outros).2.1.1 MOTORES DC: FUNCIONAMENTO E CAIXAS DE REDUÇÃO Motores elétricos possuem duas estruturas magnéticas principais: o rotor e o estator.(HONDA, 2012) O rotor é a parte rotatória do motor. É constituído por um material ferromagnéticoenvolvido em um enrolamento, chamado de enrolamento de armadura, que é alimentado porum sistema mecânico de comutação que gira junto ao eixo do motor e cuja função é inverter afase da corrente de rotação. (HONDA, 2012) O estator constitui-se na parte estática do motor, montada ao redor do rotor de formaque este possa girar livremente. Ele é composto por imãs permanentes e sua função é produzirum campo magnético fixo que interage com o enrolamento do rotor. (HONDA, 2012) Considerando um estator composto por ímãs permanentes e um rotor composto poruma bobina, conforme apresenta a figura 3. Pelo rotor circula corrente em um sentido, gerandoum campo magnético. Se o sentido da corrente for invertido, a orientação do campo magnéticoé alterada. (HONDA, 2012) Assim, com a bobina na horizontal (figura 3(a)), ocorre uma atração entre os pólosopostos do rotor e do estator, gerando um torque que força a rotação da bobina (figura 3(b)) atéo instante em que os pólos da bobina estejam alinhados com os pólos opostos do estator (figura
  16. 16. 15 Figura 3: Princípio de funcionamento do motor. Fonte: (HONDA, 2012)3(c)). Nesta situação, o sistema está em equilíbrio e não há torque algum atuando. Para mudaristo, é necessário inverter o sentido da corrente no rotor e, consequentemente, da polaridade dabobina, de forma que ocorra uma repulsão entre o estator e o rotor e haja torque atuando sobreo sistema novamente (figura 3(d)). (HONDA, 2012) Quando a bobina estiver novamente na horizontal, ocorre uma atração entre os pólosopostos do rotor e do estator, continuando a rotação da bobina no mesmo sentido em que elainiciou, até que ela gire 180°, quando reinicia-se o ciclo. (HONDA, 2012) Existem vários tipos de motores DC, tais como os de imã permanente, sem escovasou de relutância variável. Podem ser encontrados em uma ampla faixa de tensões nominais,sendo os mais comuns entre tensões de 1,5 a 12 V. A corrente que o motor exige depende desua potência e também da “carga” ou massa movimentada, como é possível observar na figura4. (BRAGA, 2000b) Os motores funcionam a altas velocidades, geralmente na faixa de 3000 a 10000 rpm, epossuem baixo torque, que é a força angular que um motor pode empregar a uma certa distânciade seu eixo. Para conseguir um torque maior, é necessário acoplar uma caixa de redução ao
  17. 17. 16 Figura 4: Variação da corrente de um motor com a carga Fonte: (BRAGA, 2000b)motor, tendo como custo uma diminuição da velocidade de rotação final da carga. (JONES etal., 1999) A relação entre os tamanhos e o número de dentes das engrenagens fornece a taxa deredução da velocidade e do aumento da força obtida. (BRAGA, 2000b) A maioria dos motores DC possuem dois terminais de alimentação. Aplicando-se umatensão sobre os terminais, obtém-se a rotação do motor em um sentido. Ao inverter a polaridadeda tensão, inverte-se também o sentido de rotação do motor. Esse tipo de motor é largamenteempregado em projetos pequenos. (BRAGA, 2000b)2.1.2 PONTE H Para realizar o controle sobre os motores DC, utiliza-se um circuito composto portransistores de potência chamado de ponte H. (BRAGA, 2000a) A figura 5 apresenta uma ponte H básica. O sistema funciona partindo do princípioque sempre dois transistores de lados opostos estarão conduzindo, sendo que para fazer o motorfuncionar, as únicas configurações possíveis de operação de transistores é Q1 e Q4 ou Q2 e Q3,com apenas um par conduzindo corrente por vez. Assim se Q1 e Q4 estão conduzindo, o motorgira em um sentido, e se Q2 e Q3 estão conduzindo, o motor gira no sentido oposto devido àinversão no sentido da corrente.(BRAGA, 2000a)2.1.3 SERVOMOTOR O servomotor é um dispositivo eletromecânico que, ao receber um sinal elétrico decontrole, rotaciona seu eixo até a posição angular desejada. Sua estrutura possui um sistemaeletrônico de controle e um potenciômetro que permite controlar o ângulo do eixo do servo-
  18. 18. 17 Figura 5: Ponte H básica Fonte: Autoria própriamotor. O servomotor possui um limitador responsável em manter o ângulo de rotação do eixodentro do intervalo de 0° a 180° (PICTRONICS, 2007). A figura 6 exibe os elementos quecompõem um servomotor. Figura 6: Componentes de um servomotor. Fonte: Adaptado de Pictronics (2007) O controle do ângulo do servomotor é determinado pelo sinal PWM recebido pelocircuito de controle deste. O sinal deve ter amplitude de 5 V. A cada 20 ms é verificado o sinalde entrada. Conforme a largura do pulso recebido, que pode variar de 1 a 2 ms, a posição doeixo do servomotor é alterada. A figura 7 apresenta este comportamento. Por exemplo, se opulso aferido pelo servomotor possuir largura de 1,5 ms, o circuito de controle verifica se aposição do eixo está em 90°. Caso positivo, nenhuma ação será executada. Do contrário, o eixoserá rotacionado até a posição desejada (PICTRONICS, 2007).
  19. 19. 18 Figura 7: Controle do servomotor utilizando sinais PWM. Fonte: Adaptado de Pictronics (2007).2.2 SENSOR DE CALOR POR INFRAVERMELHO De acordo com a lei de Stefan-Boltzmann, quando um corpo está em equilíbrio térmicocom o meio, este emite e absorve radiação em uma mesma taxa, cuja potência irradiada (Pr)é proporcional à área da superfície (A) e à quarta potência da sua temperatura absoluta (T),resultando na equação 1 (TIPPLER; MOSCA, 2009): Pr = eσ AT 4 . (1)Desta equação tem-se que σ = 5, 6703 × 10−8 (mW 4 ) . A constante “e” é a emissividade da 2Ksuperfície, que depende da composição do material e assume valores entre 0 e 1. O valormáximo indica que o objeto é um corpo negro, sendo este um caso especial por ser o modeloideal, tornando possível calcular teoricamente as características de radiação do mesmo. De acordo com a lei do deslocamento de Wien, o comprimento de onda emitido porum corpo negro é inversamente proporcional à temperatura, como mostra a figura 8. Corposa altas temperaturas emitem radiações dentro do espectro visível. Na temperatura ambiente aemissão fica dentro do espectro infravermelho, conforme apresenta a figura 9. A emissão deradiação do corpo humano é mais intensa quando está em um comprimento de onda de 9,4µm, ou seja, em um valor na região do infravermelho no espectro eletromagnético. (GLOLABCORPORATION, 2003).
  20. 20. 19 Figura 8: Potência irradiada versus comprimento de onda. Fonte: (BRAGA, 2009) O termo piroelétrico é derivado da palavra “piro” que em grego significa fogo, ouseja, um sensor piroelétrico (sensor PIR) é um detector de calor. Este sensor é constituído deeletretos, materiais que apresentam cargas elétricas naturalmente em suas superfícies, gerandopólos elétricos no material. Neste tipo de material a variação da carga elétrica ocorre conformea radiação infravermelha incidente sobre o mesmo (BRAGA, 2010). O sensor possui uma janela com um filtro óptico para permitir somente a passagem deradiações na faixa de comprimentos de onda de 8 a 14 µm. Esta janela permite que a radiaçãoincida sobre dois elementos sensores que estão conectados a um transistor FET. Este circuitofica dentro de um encapsulamento TO5, como mostrado na figura 10. Para cancelar o ruído gerado por vibrações, mudanças de temperatura e luz solar, oselementos sensores são conectados de forma a gerar uma tensão simétrica. Quando um elementosensor detecta algum ser humano, ele gera um pulso positivo, enquanto o outro gera um pulsonegativo. A partir do sinal gerado pelo sensor é possível determinar o sentido em que a fonte decalor se moveu em relação ao sensor. Um exemplo do funcionamento do sensor é mostrado nafigura 11 (GLOLAB CORPORATION, 2003).
  21. 21. 20 Figura 9: Espectro eletromagnético. Fonte: Adaptado de Out Of This World (2012) Figura 10: Sensor piroelétrico. Fonte: (BRAGA, 2009)2.3 SONAR O efeito piezoelétrico foi descoberto por Pierre Curie em 1880 e consiste na variaçãodas dimensões físicas de certos materiais quando sujeitos a campos elétricos e vice-versa, ouseja, ao aplicar uma força mecânica o material gera uma diferença de potencial elétrico. Curie
  22. 22. 21 Figura 11: Exemplo de sinal gerado pelo sensor PIR. Fonte: Adaptado de Glolab Corporation (2003)utilizou em seus experimentos, principalmente, turmalina, quartzo, topázio, cana-de-açúcar esal de La Rochelle (FETALMED.NET, 2012; GENESIS-ULTRASOUND.COM, 2010). Estatecnologia possui diversas aplicações, entre elas a emissão de ondas ultrassônicas. Uma das empresas pioneiras na utilização de ultrassom é a Polaroid. Esta usava umsonar na câmera Polaroid SLR 680 (figura 12) para determinar a distância de um objeto oupessoa, por meio da medição do tempo decorrido entre a transmissão de um trem de pulsosultrassônicos e o recebimento de seu eco. Desta maneira, a câmera ajustava o foco automatica-mente (SEATTLE ROBOTICS, 2004; BROWN COMPUTER SCIENCE, 2002; BACKYARDROBOTS, 2012).2.3.1 GERAÇÃO E RECEPÇÃO DO SINAL DE ULTRASSOM Ondas sonoras são ondas longitudinais. Quando elas se propagam em um meio, asmoléculas do meio movem-se para frente e para trás ao longo da linha de propagação, alterna-damente, comprimindo ou expandindo o meio (TIPPLER; MOSCA, 2009, p. 502). O ultrassom é um som com uma faixa de frequências superior a 20 kHz, que corres-
  23. 23. 22 Figura 12: Polaroid SLR 680. Fonte: (SLEEPSLEEP, 2009)ponde ao limiar da audição humana1 (TIPPLER; MOSCA, 2009, p. 514, p. 518). Sons de altafrequência tendem a se dispersarem menos e não se propagarem tanto quanto os sons audí-veis (BACKYARD ROBOTS, 2012; SENSORWIKI.ORG, 2011; MASSA, 1999a). Para gerarum sinal de ultrassom é aplicada uma tensão elétrica controlada, momentânea e oscilante notempo, em um cristal piezoelétrico. Deste modo, o cristal se expande e contrai com a ten-são, ressonando na frequência desejada, gerando ondas (energia) acústicas. O eco destas ondasé detectado por outro receptor piezoelétrico que as converte em energia elétrica novamente(SENSORWIKI.ORG, 2011; MIGATRON CORP., 2010; BROWN COMPUTER SCIENCE,2002). Utilizando este efeito, os transdutores ultrassônicos medem o tempo de voo2 entreo início de um trem de ondas, gerados pelo cristal piezoelétrico, e o retorno de seus ecos.Conhecendo o tempo de voo e tendo a velocidade do som no ar como parâmetros pode-secalcular a distância percorrida de ida e volta do sinal (MASSA, 1999b; BROWN COMPUTERSCIENCE, 2002; JONES et al., 1999, p. 144). A velocidade do som no ar é γRT v= (2) M 7onde T é a temperatura em Kelvin, γ é uma a constante adimensional e vale 5 para o ar, R =8,3145 j/(mol× K) é a constante universal dos gases e M é a massa molar do ar, correspondendoa 29 × 10−3 kg/mol. À temperatura ambiente a velocidade de propagação do som no ar é deaproximadamente 340 m/s (TIPPLER; MOSCA, 2009, p. 505). A maioria dos sonares operam com frequências entre 40 e 250 kHz. Por exemplo, os 1O ouvido humano é mais sensível em cerca de 4 kHz para todos os níveis de intensidade. 2 Após o transdutor transmissor do sonar emitir o som ultrassônico o transdutor receptor, provavelmente, rece-berá de volta parcelas refletidas deste som (eco). Tempo de voo é o tempo necessário para que isto ocorra.
  24. 24. 23sensores da Hitechnic e o HC-SR04, emitem um pulso curto de 40 kHz através do transdutortransmissor. No instante seguinte, uma parcela pequena da energia sonora transmitida é refletidapor um obstáculo e é detectada pelo transdutor receptor3 . Então o receptor envia o sinal para ummicrocontrolador que, por fim, calcula a distância do obstáculo ao sensor, utilizando a equação2 (BROWN COMPUTER SCIENCE, 2002; MASSA, 1999a). Segundo Massa (1999b), quanto maior for o diâmetro do transdutor em comparaçãocom o comprimento de onda de som, mais estreito será o feixe ultrassônico. De acordo como exemplo citado pelo autor, se o diâmetro é o dobro do comprimento de onda, o ângulo totaldo feixe será de aproximadamente 30°, mas se o diâmetro ou a frequência é aumentada em 10vezes, o ângulo total do feixe será reduzido em cerca de 6°. Geralmente utiliza-se um sensorcom o padrão de radiação mais estreito possível e que seja capaz de detectar apenas o elementodesejável (MASSA, 1999b). Devido ao fato das ondas de ultrassom serem atenuadas muito rapidamente pelo meiode propagação, pode-se inclusive estimar a distância medindo-se a intensidade do eco (SEN-SORWIKI.ORG, 2011).2.3.2 VANTAGENS DOS SONARES A principal vantagem dos sonares está na possibilidade de realizar medidas de dis-tância sem a necessidade de tocar o objeto que está sendo analisado. Um objeto passando emqualquer lugar dentro do intervalo predefinido será detectado e, consequentemente, gerará umsinal de saída, conforme a figura 13. A distância de um objeto em movimento pode ser atu-alizada em intervalos muito pequenos de tempo, geralmente acima de 50 ms. Além do mais,sonares são confiáveis em qualquer condição de luminosidade e podem ser utilizados tanto emambientes abertos quanto fechados, são resistentes a perturbações externas tais como vibra-ção, radiação infravermelha e eletromagnética. Também são relativamente rápidos a ponto deevitar a colisão de um robô e permitem detectar objetos pequenos a distâncias longas quandocomparado a outros sensores, como por exemplo o medidor de distância por infravermelho(SENSORWIKI.ORG, 2011; BACKYARD ROBOTS, 2012; MIGATRON CORP., 2010).2.3.3 PRINCIPAIS PROBLEMAS Se a superfície do obstáculo a ser analisada estiver inclinada em relação à face dosensor, como mostra a figura 14, este irá aferir a distância do ponto mais próximo dentro do cone 3 Em muitos sonares é utilizado o mesmo transdutor para a transmissão e recepção.
  25. 25. 24Figura 13: Objeto dentro da área de visão do ultrassom (esquerda) e objeto fora da linha de visão(direita). Fonte: (MIGATRON CORP., 2010)de 30°, ignorando a medida central ou, em alguns casos, o eco da onda emitida não é recebido,pois esta é refletida para outra direção. No entanto, o feixe ultrassônico não está confinadoem um cone estreito, figura 15. Observa-se em datasheets de sonares a ocorrência de lóbuloslaterais, que se refletidos antes podem levar a uma interpretação confusa da informação dotempo de voo. Alguns transdutores são projetados de modo a minimizar ou mesmo eliminar oslóbulos laterais secundários, com isto evitando a detecção de elementos indesejados (BROWNCOMPUTER SCIENCE, 2002; MASSA, 1999b). Figura 14: Aferição de distância em uma superfície inclinada. Fonte: Adaptado de Brown Computer Science (2002) Alguns elementos importantes do ambiente são percebidos apenas quando o sonar estámuito próximo a eles. Isto acontece porque a largura do feixe ultrassônico é relativamenteextensa, conforme figura 15 (BROWN COMPUTER SCIENCE, 2002). Ressonâncias provenientes do transmissor forçam o receptor a uma pausa momentâ-nea antes de começar a escutar o eco. Com isto, ocorre uma “zona morta” imediatamente àfrente do sonar, em que os objetos não podem ser detectados porque desviam a onda antes deo receptor estar operando. Existe um limite de tempo máximo e mínimo para se aguardar pelo
  26. 26. 25 Figura 15: Teste prático de desempenho do sonar HC-SR04. Fonte: Adaptado de ITead Studio (2010)sinal de retorno do trem de pulsos. O tempo de espera mínimo limita a velocidade com quesucessivas medições podem ser realizadas sem o risco de conflitos (BACKYARD ROBOTS,2012; SENSORWIKI.ORG, 2011). Todavia, para o caso em que o sonar estima a distância através da atenuação de in-tensidade, citado na seção 2.3.1, deve-se tomar cuidado, pois alguns materiais absorvem maisondas ultrassônicas que outros, e estes irão refletir menos energia acústica. A intensidade doeco também é afetada pela geometria do obstáculo. Estes fatores complicam, especialmente,a utilização da atenuação para medir a distância de objetos arbitrários (SENSORWIKI.ORG,2011; MASSA, 1999b). Se o sensor for fixado em um local no qual fique girando constantemente deve-selimitar a sua velocidade de rotação durante o período de leitura. Ao movê-lo rapidamente éprovável que se obtenha leituras erradas, pois há um tempo mínimo de 50 ms necessário paraenviar e receber a onda ultrassônica. Se a medição for feita em varias direções é recomendadoa utilização de mais sensores, porém fixos (BACKYARD ROBOTS, 2012). Outra fonte de erro na medição com sonares está na variação da velocidade do somdevido a mudança da temperatura. Por meio da equação 2, nota-se que a velocidade do somno ar depende diretamente da temperatura. Portanto, a precisão máxima é alcançada quando acompensação de temperatura é utilizada no sensor. Além da temperatura, a umidade relativa doar também influencia na velocidade do som. Ademais, correntes de ar igualmente atrapalham,pois podem criar fronteiras invisíveis que refletem as ondas ultrassônicas e ainda alteram ale-
  27. 27. 26atoriamente a velocidade do som no ar, fazendo com que os valores computados pelo sensorvariem de pulso para pulso (SENSORWIKI.ORG, 2011; MASSA, 1999b).2.4 BUZZERS Assim como alto-falantes, buzzers produzem sons. Porém, diferentemente daqueles,estes emitem sons em uma única frequência, independente da tensão aplicada (SHAMIEH;MCCOMB, 2005). Um tipo comum de buzzer é o buzzer piezoelétrico (figura 16). Seu diafragma é fixadoa um cristal piezoelétrico. Quando uma tensão elétrica é aplicada ao cristal, ele expande econtrai (mesmo efeito piezoelétrico observado no sonar, seção 2.3.1). Isto, faz com que odiafragma vibre, e assim, gere ondas sonoras com frequências, geralmente, entre 2 a 4 kHz(SHAMIEH; MCCOMB, 2005). No robô, emprega-se um buzzer piezoelétrico para alertar quando ele se encontra a15 cm de um ser humano ou de qualquer outra fonte de calor, indicando que o objetivo foialcançado. Figura 16: Buzzer piezoelétrico. Fonte: (SHAMIEH; MCCOMB, 2005)2.5 PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO Placas de circuito impresso (PCI) viabilizam um meio de sustentação mecânica e in-terligação entre seus terminais para o funcionamento dos componentes de um circuito. Sãoproduzidas com um material isolante, geralmente, fibra de vidro ou fenolite, tendo de uma aoito camadas de cobre. Os modelos mais comuns possuem apenas camadas nas superfícies ex-ternas da placa, a de camada simples em apenas um dos lados e a de camada dupla em ambos oslados. Ao corroer-se esta camada de cobre da PCI, formam-se trilhas e ilhas que permitem umaconexão elétrica entre componentes elétricos e eletrônicos (SABER ELETRÔNICA, 2010). Os modelos mais comuns de PCI disponíveis para protótipos são as placas virgens,
  28. 28. 27nas quais é necessário criar manualmente as trilhas e corroê-las antes de ser utilizada para amontagem do circuito. Outro modelo genérico de PCI, possibilita a montagem de qualquertipo de circuito unindo as ilhas durante o processo de solda para formar conexões entre oscomponentes (SABER ELETRÔNICA, 2010).2.6 CONTROLE PWM Modulação por largura de pulso (PWM) refere-se à regulação do pulso retangular detensão aplicado a um determinado componente ou circuito, de forma a controlar a potênciamédia aplicada. (BRAGA, 2012) Em componentes digitais, o controle por PWM é utilizado para obter uma tensão médiapela modulação por largura de pulso. O princípio de funcionamento baseia-se no fato de que atensão média aplicada é igual à área sob a curva de tensão × tempo do pulso emitido. Assim,alterando-se a porcentagem de tempo em que o sinal está no nível lógico ALTO (figura 17) masmantendo-se o período, obtém-se uma variação na tensão do componente digital. (HIRZEL,2012) Figura 17: Exemplos da utilização de controle PWM Fonte: Adaptado de Hirzel (2012)
  29. 29. 282.7 FONTE DE ENERGIA Para a alimentação do robô é utilizada uma bateria de polímero de lítio (Li-PO), fi-gura 18. A equipe optou por utilizar este tipo de bateria devido à potência, massa e tamanhoadequados, bem como a fácil adaptação na base do robô. Se fossem utilizadas baterias Ni-MH(níquel-metal-hidreto), por exemplo, seriam necessárias nove pilhas para obter potência seme-lhante, totalizando uma massa de 30 g × 9 = 270 g, 90 g a mais que a Li-PO. Além disso, aspilhas Ni-MH ocupariam mais espaço devido à necessidade de suporte apropriado. A tabela 1,seção 2.7.1, apresenta as especificações da bateria Li-PO utilizada. Figura 18: Bateria de polímero de lítio (Li-PO) utilizada na alimentação do robô. Fonte: (HOBBY KING, 2011)2.7.1 ESPECIFICAÇÕES DA BATERIA Na tabela 1 observa-se que a tensão nominal da bateria é de 11,1 V (três células4 ). Osfabricantes utilizam XS para especificar a quantidade X de células em série. Para determinara tensão da bateria basta multiplicar a tensão de cada célula pelo número total de baterias emsérie. No caso desta bateria, especificada como 3S, o cálculo será: 3 × 3,7 V = 11,1 V5 .Para especificar a quantidade Y de blocos em paralelo os fabricantes utilizam YP. Na tabela1 verifica-se na especificação da tensão 1P, ou seja, há somente um bloco na configuração dabateria. Para alterar a capacidade da bateria é necessário alterar o valor de Y. Ao dobrar ovalor de Y a capacidade da bateria também dobrará (LIPOL BATTERY, 2011; MOORE, 2008;RCHELICOPTERFUN.COM, 2012). 4 Cadabateria é formada por no mínimo uma célula, conforme figuras 19 e 20. 5A tensão nominal de uma célula é de 3,7 V, porém, ela pode variar de 3,0 V, quando descarregada, até 4,2 Vquando totalmente carregada (LIPOL BATTERY, 2011).
  30. 30. 29 Tabela 1: Especificações da Bateria Li-PO utilizada na alimentação robô. Tensão 3S1P / 3 Células / 11,1 V Capacidade 2200 mAh Descarga 20 C Constante / 25-30 C Burst Massa 180 g Dimensões 102 × 37 × 24 mm Fonte: Adaptado de Hobby King (2011). A seguir encontram-se alguns exemplos de como determinar a tensão e capacidade debaterias Li-PO. • 1S2P = 2 células (tensão de uma única célula, dobro da capacidade); • 2S1P = 2 células (dobro da tensão, capacidade de uma célula); • 2S3P = 6 células (dobro da tensão, três vezes a capacidade). A figura 19 apresenta as formas de disposição das células da bateria.Figura 19: Arranjo da bateria Li-PO. As células em série determinam a tensão e os blocos emparalelo determinam a capacidade de corrente. Fonte: Adaptado de Moore (2008) A classificação C, observada na tabela 1, descreve o quão rápido uma bateria Li-POpode ser descarregada. Ela indica a máxima taxa de descarga contínua das células e determinaa quantidade de corrente que pode ser consumida sem que ocorra superaquecimento. Paradeterminar a corrente que a bateria pode fornecer, deve-se multiplicar a capacidade em mAh daLi-PO pela sua classificação C. No caso da bateria utilizada, tem-se: 2200 mAh × 20 C = 40.000 mA = 40 A,
  31. 31. 30onde a capacidade em mAh indica o quanto de carga (dispositivo que utiliza a bateria) ou dre-nagem a bateria aguentaria, por uma hora, até que esta ficasse totalmente descarregada. Comoexemplo, esta bateria seria completamente descarregada em uma hora com uma carga de 2200mAh ligada à ela (LIPOL BATTERY, 2010a; MOORE, 2008; RCHELICOPTERFUN.COM,2012). Para determinar o valor necessário da classificação C, em um sistema qualquer, é pre-ciso conhecer o consumo de corrente contínua do sistema e também a capacidade desejada. Seo consumo é de 1 A a partir de um bloco de 2200 mAh, basta dividir a corrente pela capacidade: 1000 mA ≈ 0, 5 C. 2200 mAh Por segurança e também para aumentar a vida útil da bateria é recomendável utilizarum valor de C sempre maior do que o calculado (LIPOL BATTERY, 2010a).2.7.2 VANTAGENS E DESVANTAGENS NO USO DE BATERIA LI-PO Seguem algumas das principais vantagens da bateria Li-PO: • Não possui “efeito memória”, ou seja, não perde a capacidade de carga devido a ciclos parciais de descarga (MOORE, 2008); • Quando não está em uso, a Li-PO perde aproximadamente 10% de sua carga em um mês, em temperatura ambiente. Por outro lado, baterias de níquel perdem cerca de 20 a 30% durante o mesmo período e nas mesmas condições (LIPOL BATTERY, 2010b; BUCHMANN, 2012); • A bateria é leve, uma vez que no processo de fabricação são empregados eletrólitos ge- lificados, o que permite a utilização de embalagens simples e sem cascos metálicos. Em muitos casos, Li-POs oferecem cerca de quatro vezes a capacidade de energia para seu peso, quando comparado com outros tipos de baterias (LIPOL BATTERY, 2010b; BU- CHMANN, 2001, 2012); • Formato flexível. Os fabricantes não estão vinculados a formatos de célula padrão, qual- quer tamanho razoável pode ser produzido economicamente (BUCHMANN, 2012). Um dos motivos da leveza e da flexibilidade das baterias Li-PO pode ser visto nafigura 20. A imagem mostra a célula de uma bateria Li-PO de 5000 mAh aberta. Esta possuimais de dois metros de película de plástico muito fino (o polímero), com ânodo de carbono fino
  32. 32. 31 (a) Bateria Li-PO aberta. (b) Li-PO com duas células. Figura 20: Baterias Li-PO. Fonte: (RCHELICOPTERFUN.COM, 2012)revestido e catodos num padrão alternado na parte frontal e traseira da película de polímero. Estapelícula é então dobrada em um formato de sanfona, sendo depois selada em uma embalagemde alumínio junto com um gel “oleoso” (eletrólito) (RCHELICOPTERFUN.COM, 2012). Entre algumas desvantagens citadas por Buchmann (2012) nas baterias Li-PO estão: • Cara para produzir; • Menor densidade de energia em relação à tecnologia de íons de lítio. Segue a legenda para a tabela 2, que mostra as características das seis baterias recar-regáveis mais utilizadas. Isidor Buchmann, o responsável por estes dados, também escreveu olivro Batteries in a Portable World - A Handbook on Rechargeable Batteries for Non-Engineersque está em sua terceira edição.A = Densidade de energia (Wh / kg).B = Resistência Interna (inclui circuitos periféricos) em mΩ.C = Ciclo de vida (até 80% da capacidade inicial).D = Tempo de carga rápida.E = Tolerância de sobrecarga.F = Auto-descarga / Mês (temperatura ambiente).G = Tensão da Célula (nominal).H = Temperatura de Operação (somente descarga).I = Exigência de Manutenção.J = Custo Típico da Bateria (dólares).
  33. 33. 32K = Custo por Ciclo (dólares).L = Uso Comercial desde.C.A. = Chumbo-ácido.A.R. = Alcalina Reutilizável.Tabela 2: Comparação das características entre as seis tecnologias de baterias recarregáveis maisutilizadas em termos da densidade de energia, ciclo de vida, custo, entre outros. Os números sãobaseados em avaliações médias de baterias disponíveis comercialmente no momento da publicação.Ver legenda abaixo da tabela. NiCd NiMH C.A. Li-ion Li-PO A.R. A 45-80 60-120 30-50 110-160 100-130 80 (inicial) B 100-200/6V 200-300/6V <100/12V 150-250/7,2V 200-300/7,2V 200-2000/6V C 1500 300 a 500 200 a 300 500 a 1000 300 a 500 50 (até 50%) D Típico 1h 2-4h 8-16h 2-4h 2-4h 2-3h E moderada baixa alta muito baixa baixa moderada F 20% 30% 5% 10% 10% 0,3% G 1,25 V 1,25 V 2V 3,6 V 3,6 V 1,5 V H -40 a 60°C -20 a 60°C -20 a 60°C -20 a 60°C 0 a 60°C 0 a 65°C I 30-60 dias 60-90 dias 3-6 meses não neces. não neces. não neces. J $50 (7,2 V) $60 (7,2 V) $25 (6 V) $100 (7,2 V) $100 (7,2 V) $5 (9 V) K $0,04 $0,12 $0,10 $0,14 $0,29 $0,10-0,50 L 1950 1990 1970 1991 1999 1992 Fonte: Adaptado de Buchmann (2012)2.7.3 REGULAGEM SÉRIE DE TENSÃO A regulagem de tensão é utilizada para estabilizar a tensão fornecida pela bateria, pro-porcionando um fornecimento limpo de energia a uma tensão predeterminada e estável (COOK,2010). O LM7805 é um regulador série de tensão que, assim como outros reguladores série,dissipa a tensão em excesso, que é a diferença de tensão entre a entrada e a saída, em formade calor. A potência dissipada é proporcional à tensão em excesso e à corrente através doregulador, seguindo a relação Potência = Tensão × Corrente. Por exemplo, o regulador detensão LM7805 do robô recebe 11,1 V e dissipa 6,1 V (vezes a corrente) como calor. Neste caso,
  34. 34. 33 5tem-se 11,1 = 45% de eficiência, ou seja, mais da metade da potência da bateria é desperdiçada(COOK, 2010). Uma alternativa a este regulador seria a utilização de uma fonte chaveada (conver-sor de energia) com eficiência acima de 80%. Porém devido ao pouco tempo disponível e aoconhecimento limitado da equipe sobre o assunto, optou-se por utilizar o LM7805. A figura 21 apresenta uma possível configuração para um circuito regulador utilizandoo LM7805. A entrada do regulador VR1 é o primeiro pino do lado esquerdo. A saída é oterceiro pino (lado direito) e o pino do meio é o comum (GND). Figura 21: Circuito regulador com LM7805. Fonte: Adaptado de Cook (2010) Os capacitores C1 e C2 tem a função de armazenar e liberar energia elétrica parasuavizar ruídos, picos e quedas de tensão. De acordo com as especificações dos fabricantes, oLM7805 tem um desempenho aceitável mesmo não usando capacitores. Sem estes o reguladorainda fornecerá 5 V na saída, mas pode não reagir tão rápido a mudanças no fornecimento deenergia e com isto a saída pode não ser suficientemente limpa, como o esperado para uma saídaregulada (COOK, 2010). Se a tensão da bateria cair um pouco por um curto instante de tempo, o capacitor C1terá então uma tensão ligeiramente maior que a da bateria. Desse modo, a energia armazenada
  35. 35. 34em forma de campo elétrico auxiliará no fornecimento de corrente, mantendo a tensão estávelna entrada de VR1. A capacitância de C1 é pequena, porque o seu papel principal é suprir rapi-damente estas pequenas quedas de tensão e não armazenar grandes quantidades de energia. Afunção de C2 é basicamente a mesma de C1, com a diferença de que ele ajuda a manter a saídado regulador de tensão (VR1) em 5 V quando o circuito do robô, temporariamente, necessitade energia acima daquela que o regulador pode fornecer. Resumindo, C1 e C2 são eficientes obastante para absorver picos (carregando) e suprir quedas (descarga para complementar a ali-mentação), mas suas capacidades relativas ao armazenamento de energia são pequenas (COOK,2010). O diodo D1 tem a função de proteger contra correntes reversas, provenientes de ba-terias e capacitores, uma vez que este tipo de corrente pode danificar o LM7805. No entanto,deve-se atentar à pequena queda de tensão que ocorre no diodo, lembrando que a tensão deentrada do LM7805 deve ser no mínimo 7 V. Logo a tensão da bateria deve ser maior que 7,45V para uma configuração com um diodo 1N5817. Ao invés do clássico diodo 1N4002 é usadoo 1N5817, porque a queda de tensão deste é menor. No pior caso, de acordo com o verificadoem datasheets, a queda no 1N5817 é de apenas 0,45 V contra 1,1 V do 1N4002 (COOK, 2010).
  36. 36. 353 DESENVOLVIMENTO Este capítulo apresenta o desenvolvimento do projeto, desde a montagem do chassi eintegração dos componentes até a confecção do software de controle. De modo geral, o sistemafunciona de acordo com o diagrama de blocos da figura 2, como observado na seção 1.6.3.1 COMPONENTES UTILIZADOS Nesta seção encontram-se as especificações dos componentes utilizados.3.1.1 MOTOR DC E CAIXA DE REDUÇÃO Para realizar a movimentação do robô, foi utilizado o kit Tamiya Twin-motor Gearbox(figura 22), o qual é composto por duas caixas de redução acopladas a dois motores MabuchiFA-130. Figura 22: Kit Tamiya Twin-motor Gearbox, com dois motores e caixa de redução Fonte: (TAMIYA, 1995) Os motores operam em tensões entre 1,5 e 3 V, sendo que em 3 V eles operam comcorrentes de até 2,1 A, conforme o esforço realizado, e possuem um torque de 36 g×cm. (TA-
  37. 37. 36MIYA, 1995) As caixas de redução permitem duas configurações de velocidade: redução de 58:1,que seria a velocidade padrão definida pela Tamiya, e redução de 203:1, que proporciona umavelocidade menor. (TAMIYA, 1995) A opção escolhida foi 203:1 pois proporciona aos motoresum maior torque.3.1.2 PONTE H Para realizar o controle dos motores DC, optou-se por utilizar o circuito integradoL293D ao invés de confeccionar uma ponte H com componentes discretos. Figura 23: Circuito Integrado L293D Fonte: (UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES POTSDAM, 2011) O circuito integrado L293 é composto por duas pontes H e suas especificações de cor-rente e tensão de saída variam conforme o tipo de circuito. O tipo escolhido foi “D”, devidoao fato de possuir diodos de proteção que evitam que o componente seja danificado pela forçaeletromotriz gerada pelo enrolamento do motor (indutância), opondo-se à variação da corrente.Esses circuitos possuem dois pinos de alimentação: um para o funcionamento lógico do com-ponente (Vcc1 ), que pode variar entre 4,5 V e 7 V, e outro que fornece a tensão de saída dosmotores e pode operar entre Vcc1 e 36V. (TEXAS INSTRUMENTS, 2002) Embora os motores utilizem na movimentação do robô cerca de 800 mA, a correntemáxima de saída do L293D é de 600 mA, porém suporta picos de corrente de até 1,2 A (TEXASINSTRUMENTS, 2002). Como este CI é composto por transistores de efeito de campo, foipossível utilizar as duas pontes H do circuito em paralelo, com um componente para cada motor,pois isto aumenta a corrente máxima de saída para 1,2 A, tornando possível a alimentação domotor sem danificar o componente.3.1.3 SERVOMOTOR Neste projeto utilizou-se o servomotor modelo “Hextronik HXT900 - 9g Micro Servo”,mostrado na figura 24, cujas especificações técnicas são apresentadas na tabela 3.
  38. 38. 37 Figura 24: Servomotor modelo Hextronik HXT900. Fonte: (SERVODATABASE, 2012) Tabela 3: Especificações do servomotor utilizado. Controle analógico Torque 4,8 V: 1,60 kg × cm Velocidade 4,8 V: 0,12 s / 60° Massa 9,1 g Ciclo de Pulso 20 ms Fonte: Adaptado de ServoDatabase (2012). Foi utilizada a classe “Servo”, presente na biblioteca padrão do Arduino, que provêuma interface que possibilita o controle do servomotor fornecendo-se apenas o ângulo desejadocomo parâmetro para o qual este será deslocado.3.1.4 SENSOR DE CALOR POR INFRAVERMELHO Devido à necessidade de um circuito de apoio ao sensor piroelétrico, optou-se pelautilização de um sensor PIR vendido comercialmente, figura 25(a). Este sensor necessita apenasda alimentação externa de corrente contínua de tensão entre 10 a 16 V. A leitura do sensor éfeita através dos pinos de contatos do relé presente na placa, operando no modo normalmentefechado. Quando um ser humano é detectado, o contato é aberto. A figura 25(b) apresenta aplaca e os ajustes da mesma. Como o ângulo de abertura do sensor é de 100° (SULTON ELETRÔNICOS, 2012),foi adicionada uma máscara para reduzir o ângulo de detecção do robô para que o sensor apenasacuse objetos a sua frente. Após a inserção da máscara no sensor observou-se que ele passou agerar falsas detecções e não acusar outras. O problema foi resolvido eliminando a lente Fresnelpresente na caixa de proteção do sensor.
  39. 39. 38 (a) Sensor utilizado no robô. (b) Apresentação da placa. Figura 25: Sensor PIR. Fonte: (SULTON ELETRÔNICOS, 2012)3.1.5 SONAR O sonar empregado no robô é o HC-SR04. Um dos principais motivos da escolhadeste, pela equipe, é devido a seu custo benefício, pois seu preço é razoavelmente baixo e suasespecificações básicas (tabela 4) são suficientes para que o robô se locomova sem colidir comobjetos. Outro fator que favoreceu a escolha do HC-SR04 foi o fato do mesmo possuir umabiblioteca de funções disponibilizada na plataforma Arduino. A tabela 4 expõe as principais características do sonar HC-SR04. Tabela 4: Especificações do sonar HC-SR04. Tensão de Operação DC 5V Corrente de Operação 15 mA Frequência de Operação 40 kHz Alcance Máximo 4m Alcance Mínimo 2 cm Ângulo 15 graus Dimensões 45 × 20 × 15 mm Fonte: Adaptado de ELEC Freaks (2010).
  40. 40. 393.1.6 PLATAFORMA ARDUINO Para o processamento dos dados obtidos e controle dos componentes utilizados, optou-se por utilizar a plataforma open-source Arduino. Ele pode tanto receber como enviar dadospara sensores, motores, circuitos, alto-falantes, entre outros, sendo que estes dados podem sertanto sinais analógicos quanto digitais. Dentre os vários modelos de Arduino, foi escolhido o modelo UNO (figura 26) porter o melhor custo beneficio para pequenos projetos e por atender às necessidades do projeto.Ele utiliza o microcontrolador ATmega328 e possui seis entradas analógicas e quatorze entra-das/saídas digitais, das quais seis podem ser utilizadas como saídas PWM. (ARDUINO, 2012) Figura 26: Arduino UNO Fonte: (ARDUINO, 2012) Esta plataforma pode ser alimentada por fontes, baterias ou até mesmo pela conexãoUSB via computador. A tensão de alimentação recomendada está na faixa de 7 a 12 V. A tensãomáxima de operação dos pinos é de 5 V, enquanto a corrente máxima é de 40 mA. (ARDUINO,2012) Outras vantagens apresentadas por esta plataforma é que seu software possui suportepara Windows, Mac OS X e Linux. A linguagem de programação é feita em Processing, umalinguagem derivada do Java. A suíte de desenvolvimento para o Arduino pode ser baixadagratuitamente no site oficial do Arduino1 . (ARDUINO, 2012)3.1.7 CHASSI Para realizar a locomoção do robô, optou-se por utilizar um conjunto de esteiras aoinvés de rodas, devido ao fato de já existirem kits prontos para serem utilizados e de elas seremmuito mais adaptáveis aos tipos de terreno em que forem utilizadas do que as rodas. O kit 1 http://arduino.cc
  41. 41. 40utilizado é o Tamiya Tracked Vehicle Chassis Kit (item 70108) e pode ser observado na figura27. Figura 27: Kit Tamiya Tracked Vehicle Chassis Kit Fonte: Tamiya Este kit contém cinco eixos metálicos para fixação das rodas, duas esteiras, um mo-tor Mabuchi FA-130As, uma caixa de redução e uma plataforma de madeira de 16,3 cm decomprimento, 6 cm de largura e 0,6 cm de altura.3.2 MONTAGEM DA PCI Neste projeto foi utilizada uma PCI que possui o mesmo padrão das matrizes de con-tato, pois possibilitou a transferência do circuito da protoboard sem grandes alterações. Figura 28: Placa de circuito impresso utilizada neste projeto. Fonte: Autoria própria Na placa primeiramente foram adicionadas as duas pontes H e os conectores. Em
  42. 42. 41seguida fixou-se o regulador de tensão e foram soldadas as interligações com os demais com-ponentes (motores, sensores, Arduino e bateria). A figura 28 exibe a disposição dos componentes na PCI.3.3 LIGAÇÃO DO SENSOR PIR AO ARDUINO O Sensor PIR foi conectado ao Arduino através de um contato normalmente fechadodo relé do sensor. O Arduíno lê os sinais do sensor como pulsos digitais, 0 V significa que nãohá nada sendo detectado, 5 V indica uma detecção. Como o relé opera no modo normalmentefechado, um dos contatos foi ligado ao GND e o outro foi ligado a uma entrada digital doArduino junto com um resistor de Pull-up para forçar o sistema a permanecer em nível lógicoALTO durante o momento em que o relé é ativado. O esquema circuito de ligação entre oArduino e o PIR encontra-se na figura 29. Figura 29: Circuito de ligação do sensor ao Arduino. Fonte: Autoria própria3.4 FIXAÇÃO DO SENSOR PIR AO SERVOMOTOR O sensor PIR foi fixado em um servomotor de forma a permitir uma varredura ao redordo robô no plano horizontal. O servo movimenta-se de 0° a 180°, sendo a posição 0° à esquerdado robô, a frente fica a 90° e consequentemente a direita fica a 180°. Inicialmente o servomotor é ajustado para a posição de 90°. Após esse momento éiniciado o processo de varredura, fazendo o servo variar o ângulo entre os valores mínimo emáximo e vice-versa. Quando o sensor PIR detecta um alvo, o servo é ajustado para voltarna posição de 90° passando a não atuar mais, enquanto que o robô rotaciona em torno de seu
  43. 43. 42próprio eixo até o alvo ser localizado novamente, verificando periodicamente se o alvo está emsua direção para executar correções na rota até a fonte de calor.3.5 INTEGRAÇÃO DO SONAR AO ROBÔ Para integrar o sonar ao robô, a equipe optou por interligar o sonar e o Arduino direta-mente. A ligação entre ambos foi estabelecida conectando os pinos Trigger e Echo do sonar aospinos 12 e 13 (saída ou entrada digital) do Arduino, respectivamente. Já os pinos VCC e GNDdo sonar foram conectados aos pinos +5 V e GND do Arduino, nesta ordem. A figura 32 mostra o sonar fixado ao robô. Aquele foi encaixado na parte frontaldo robô com uma leve inclinação para baixo. Deste modo, conseguiu-se melhor leitura dasdistâncias entre o robô e obstáculos.3.6 MONTAGEM MECÂNICA Inicialmente, montou-se o kit Tamiya Tracked Vehicle Chassis, cujas especificaçõesestão na seção 3.1.7. Este kit possui apenas um motor, permitindo a movimentação do robôem uma única direção. Portanto, substituiu-se esse motor pelo kit Tamiya Twin-motor Gearbox,cujas especificações estão na seção 3.1.1, que, por conter dois motores independentes, permiteque o robô realize mudança de direção e rotação sobre seu eixo. Após fixados os motores DC e as caixas de redução na base de madeira e colocadosos eixos, as rodas e as esteiras, prendeu-se o Arduino em uma base de papelão sobre a base demadeira, de forma que o cabo da bateria pudesse ser conectado sem encostar nos eixos traseirosdo chassi, conforme apresenta a figura 30. Para envolvê-los, construiu-se uma caixa de papelão de dimensões 6, 2 × 16, 2 × 5, 2cm, sobre a qual estavam fixadas a bateria, o servomotor acoplado ao sensor de calor por infra-vermelho, conforme detalhado na seção 3.4, e o sonar. No primeiro modelo do robô, colocou-seo sensor de distância por ultrassom na parte de cima do chassi, conforme a figura 31. Porém,verificou-se que quando os obstáculos estavam em determinadas posições em relação ao sonar,as ondas sonoras emitidas pelo mesmo não retornavam e, portanto, o sensor indicava que nãoexistiam obstáculos próximos, o que fazia com que o robô colidisse. Decidiu-se, portanto, fixar o sonar na caixa de papelão, de modo que este ficasse defrente para os obstáculos, ao invés de inclinado para baixo. Isso diminuiu consideravelmente onúmero de medidas erradas que o sensor estava enviando ao Arduino. Como este é um compo-
  44. 44. 43 Figura 30: Chassi: elementos da base de madeira Fonte: Autoria própria Figura 31: Primeira estrutura do robô Fonte: Autoria próprianente muito sensível, foram colocadas proteções ao lado do mesmo, de modo que, caso o robôviesse a colidir frontalmente com algum objeto, o sensor não sofresse danos. O servomotor foi colocado dentro de um suporte de papelão na parte frontal do robô,para que o sensor PIR, que está acoplado à ele, pudesse mover-se livremente. Devido ao fato de os circuitos ficarem muito expostos, decidiu-se montar uma estruturaauxiliar composta de peças auto ajustáveis da marca LEGO, de modo que apenas os sensoresficassem expostos. A bateria, a placa de circuito impresso e o servomotor foram colocadas sobreuma plataforma (figura 32(a)). Esta encontra-se fixada em apoios de peças LEGO que contémo para-choque e o sonar. Por último, encaixou-se a estrutura destinada a cobrir o circuito,
  45. 45. 44conforme apresenta a figura 32(b). (a) Plataforma de apoio à bateria e ao circuito (b) Estrutura final do robô com peças LEGO Figura 32: Estrutura do robô utilizando peças LEGO Fonte: Autoria Própria3.7 SOFTWARE DESENVOLVIDO No software há duas funções principais: o setup, que realiza as configurações iniciaisdos elementos a serem controlados e é executado uma única vez quando o Arduino é inici-alizado, e o loop, cujos comandos são executados continuamente. A figura 33 apresenta ofluxograma do código desenvolvido. Como o objetivo do robô é encontrar seres humanos, o algoritmo é focado nos dadosrecebidos pelo PIR. Enquanto este não detectou uma pessoa, o robô apenas explora o ambiente,movimentando este sensor ao longo do eixo do servomotor, conforme explicitado na seção 3.4. Para evitar que o robô colida com os obstáculos do ambiente, é verificado em cadaexecução do loop a presença de elementos na sua frente. Quando detecta-se um obstáculo, oalgoritmo, por meio da função random, determina aleatoriamente se o robô se direcionará paraa esquerda ou para a direita. Quando o alvo é encontrado, o servomotor posiciona o PIR na frente do robô. Este
  46. 46. 45passa a girar em torno do seu próprio eixo na direção para qual o sensor de calor estava virado,até que a pessoa seja detectada novamente. O robô passa então mover-se para a frente. Embora o ângulo de captação de ondas de infravermelho tenha sido reduzido colocando-se com uma capa ao redor do PIR, o robô nem sempre se posiciona exatamente na direção dapessoa. Então, a cada oito segundos o robô para de andar para a frente e volta a buscar o alvo,de modo a corrigir sua rota. Quando o ser humano já foi detectado pelo PIR e é encontrado um obstáculo, o robômove-se milimetricamente para trás para movimentar este sensor. Isto torna possível determinarse o obstáculo é uma pessoa. Em caso positivo, o buzzer emite um beep indicando que o objetivofoi cumprido. Do contrário, o robô rotaciona em torno de seu eixo até que ele encontre a pessoanovamente. Figura 33: Fluxograma para o código fonte do Robô. Fonte: Autoria própria
  47. 47. 464 CONSIDERAÇÕES FINAIS Considera-se que todos os objetivos propostos foram alcançados devido ao esforço detodos os integrantes da equipe. O fato de possuir pouco conhecimento sobre mecânica e estarsendo introduzidos os conceitos básicos de eletrônica ao mesmo tempo em que projetavamo robô, não impediu o andamento do projeto. Muito pelo contrário: o grande interesse emrobótica e a vontade de produzir um protótipo autônomo que possuísse atribuições interessantesimpulsionaram a construção do mesmo. Verificou-se que a realização de reuniões periódicas, onde os integrantes podiam dis-cutir suas ideias e construir o robô em conjunto foi de fundamental importância para que osobjetivos fossem alcançados. Ressalta-se aqui que a realização deste projeto foi de grande satisfação para todosos integrantes da equipe, sendo esta uma disciplina de fundamental importância no curso deEngenharia de Computação, pois proporcionou aos alunos a oportunidade de aplicar os conhe-cimentos teóricos na produção de artefatos tecnológicos que interesse.4.1 DIFICULDADES ENCONTRADAS4.1.1 SONAR Os maiores problemas obtidos nesse projeto foram com a utilização deste sensor. Umdos primeiros problemas encontrados foi que, dependendo da geometria, inclinação ou do tipode superfície dos obstáculos, a onda emitida pelo transdutor transmissor não é refletida para otransdutor receptor, o que faz com que o sensor não identifique objetos próximos, resultandona colisão do robô. Como o sensor está localizado na frente do robô, optou-se por colocarum “para-choque” para evitar a danificação de componentes, conforme descrito na seção 3.1.7.Outro fator de erro na leitura deste sensor é a trepidação do robô devido ao movimento dasesteiras e à irregularidade de alguns pisos. Porém os erros das medidas não foram muito grandese a equipe optou por não tratar estes erros no algoritmo de locomoção.
  48. 48. 47 Observou-se, conforme apresentado na seção 2.3.3, que após o sonar aferir uma dis-tância, é necessário haver um tempo de espera, para que não haja conflitos entre sucessivasmedições. Isto porque ressonâncias provenientes do transmissor forçam o receptor a uma pausamomentânea antes deste começar a escutar o eco. Fazendo com que exista uma “zona morta”imediatamente à frente do sonar, em que os objetos não podem ser detectados porque desviama onda antes de o receptor estar operando. Considera-se ainda que há momentos em que os obstáculos estão a mais de três metrosde distância do robô, o que gera uma interpretação errada do sensor: a demora em receber aonda refletida é tratada como se o obstáculo estivesse a cerca de dois metros de distância. Issonão foi um problema relevante, devido ao fato de que só importa ao robô aqueles objetos quepodem vir a colidir com ele, ou seja, os objetos muito próximos.4.1.2 UTILIZAÇÃO DO SERVOMOTOR AO INVÉS DE UM MOTOR DE PASSO Inicialmente, a equipe pretendia utilizar um motor de passo para realização da rotaçãodo sensor PIR. Entretanto, como seria necessário controlar para qual direção este estaria direcio-nado, optou-se por utilizar o servomotor, uma vez que com ele é possível controlar com precisãoo ângulo desejado para a sua posição, sendo possível, inclusive, configurá-lo para sempre iniciarcom um ângulo predeterminado. Também é possível realizar esta tarefa com o motor de passoporém para isto seria necessário acrescentar um sensor adicional para controlar a posição, comisto, a lógica de controle seria mais complexa.4.1.3 SENSOR DE CALOR POR INFRAVERMELHO A primeira dificuldade em relação à utilização do sensor PIR adaptado de sensores depresença é que o circuito é projetado para identificar corpos humanos apenas quando estes semovimentam. Assim, se a pessoa estiver parada, como seria o caso de um ferido em operaçõesde busca, ela não é detectada pelo sensor. Portanto, a utilização do servomotor na rotação dosensor também teve como objetivo fazer com que houvesse uma movimentação da pessoa, tendoem vista o sensor PIR como referencial, sem a necessidade do robô alterar sua rota. Destaca-se também como problema encontrado o ângulo de captação de movimentodo sensor: por este ângulo ser muito grande, perdia-se a precisão da localização do ser humano.Foi necessária então a limitação do ângulo de “visão” do mesmo. Um fator de erro provocado pela adaptação de sensores de presença é em relação asua identificação de fontes de calor: este sensor emite um sinal quando encontra um corpo
  49. 49. 48que emite uma quantidade mínima de radiação infravermelha predeterminada. Assim, fontesde calor como fogueiras e animais de grande porte são interpretados como se fossem um serhumano. O ideal seria utilizar uma câmera para buscar pessoas, conforme observado na seção4.2, porém esta é uma solução de alto custo, sendo descartada pela equipe.4.1.4 LOCOMOÇÃO DO ROBÔ A principal dificuldade encontrada na locomoção do robô é o fato de este não percorrerum caminho retilíneo. Apesar dos esforços da equipe em corrigir o alinhamento dos eixos liga-dos aos motores, não foi possível sanar completamente este erro. Concluiu-se que a tendênciade o robô ir mais para um lado do que para o outro deve-se às diferenças entre as tensões deoperação dos motores, uma vez que há pequenas diferenças inerentes ao processo de fabricação,e ao posicionamento das peças dentro das caixas de redução, pois em uma delas observou-seque as engrenagens possuem maior liberdade de movimento do que na outra caixa de redução.4.2 PROJETOS FUTUROS Observa-se que apesar de o robô cumprir as especificações do projeto, surgiram váriasmelhorias a serem realizadas que, por incluírem um acréscimo no custo de produção do robôou por demandarem muito tempo da equipe, não puderam ser realizadas. São elas: substituiçãodo sensor PIR por uma câmera térmica, que possui maior precisão na identificação do caloremitido pelos corpos, podendo distinguir seres humanos de outras fontes de calor, ou até mesmouma câmera comum, utilizando técnicas de processamento de imagens na identificação de sereshumanos; utilização de pelo menos mais um sonar para abranger uma maior área ao redordo robô, evitando assim a ocorrência de “pontos cegos” e erros de leitura do sonar quando ageometria do objeto reflete o sinal para longe do sensor ou a superfície a ser analisada estiverinclinada em relação à face do sensor ou dependendo da geometria do objeto, pode ocorreraferições erradas da distância medida pelo sonar. Essa melhoria também poderia evitar a perdade precisão das medidas devido à trepidação do robô. Tendo em vista que a motivação desde projeto é o auxílio à equipes de busca de so-breviventes em desastres, sugere-se como trabalho futuro o mapeamento do caminho realizadopelo robô até encontrar o alvo, bem como da área ao redor dele. Seria interessante também se,ao invés de emitir um sinal sonoro quando encontrar o alvo, o robô enviasse, por comunicaçãosem fio, a localização do ser humano para um computador ou outro dispositivo eletrônico, o quepoderia ser feito com o auxílio de um GPS, desde que em ambientes abertos.
  50. 50. 49 REFERÊNCIASARDUINO. Arduino UNO. Arduino, 2012. Disponível em:<http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno>. Acesso em: 31 de maio de 2012.BACKYARD ROBOTS. Ultrasonic Rangefinding. 2012. Disponível em:<http://www.backyardrobots.com/parts/sonar.shtml>. Acesso em: 4 de abril de 2012.BRAGA, Newton C. Conheça as pontes H-H. Saber Eletrônica, v. 329, p. 44–47, Junho 2000.BRAGA, Newton C. Motores DC e caixas de redução. Saber Eletrônica, v. 335, p. 18–21,Dezembro 2000.BRAGA, Newton C. Sensor piroelétrico de presença. 2009. Disponível em:<http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/artigos/54-dicas/363-sensor-piroeletrico-de-presenca-art001.html>. Acesso em: 29 de maio de 2012.BRAGA, Newton C. Materiais piroelétricos e piezoelétricos. Eletrônica Total, v. 143, p. 39–41, Abril 2010.BRAGA, Newton C. Controle DC PWM. 2012. Disponível em:<http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/robotica/783-controle-dc-pwm-mec004.html>.Acesso em: 30 de maio de 2012.BROWN COMPUTER SCIENCE. Ultrasonic Acoustic Sensing. Março 2002. Disponível em:<www.cs.brown.edu/people/tld/courses/cs148/02/sonar.html>. Acesso em: 3 de abril de 2012.BUCHMANN, Isidor. Batteries in a Portable World. [S.l.]: Cadex Electronics Inc., 2001.BUCHMANN, Isidor. What is the Best Battery? 2012. Disponível em:<http://batteryuniversity.com/learn/article/the_li_polymer_battery_substance_or_hype>.Acesso em: 2 de junho de 2012.COOK, David. Intermediate Robot Building. 2. ed. [S.l.]: APRESS, 2010. 107-113 p.ELEC FREAKS. [S.l.], 2010. Disponível em: <www.Elecfreaks.com>. Acesso em: 6 de junhode 2012.FETALMED.NET. Efeito Piezoelétrico. 2012. Disponível em:<http://www.fetalmed.net/item/efeito-piezoeletrico.html>. Acesso em: 5 de abril de 2012.GENESIS-ULTRASOUND.COM. Breakthrough in ultrasound physics comes from Pi-erre Curie. Agosto 2010. Disponível em: <http://www.genesis-ultrasound.com/ultrasound-physics.html>. Acesso em: 3 de abril de 2012.GLOLAB CORPORATION. Infrared parts manual. 2003. Disponível em:<http://www.glolab.com/pirparts/pirmanual.PDF>. Acesso em: 29 de abril de 2012.
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  53. 53. 52APÊNDICE A -- ORÇAMENTO Tabela 5: Orçamento do Robô Item Preço Frete Arduino R$ 100,00 R$ 10,00 Bateria LI-PO R$ 40,00 R$ 0,00 Buzzer R$ 4,50 R$ 0,00 Kit: Chassi com esteiras, plataforma e 1 motor CC R$ 93,63 R$ 40,00 Kit: Motor duplo com caixas de redução R$ 53,50 R$ 10,30 L293D × 2 R$ 20,00 R$ 0,00 LM7805 + dissipador R$ 3,85 R$ 0,00 PCI R$ 4,85 R$ 0,00 Sensor de presença - Infravermelho R$ 25,00 R$ 0,00 Servomotor R$ 15,00 R$ 0,00 Sonar R$ 78,00 R$ 6,50 TOTAL (INCLUSO FRETE) R$ 505,13

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