UNIVERSIDADE SALVADOR – UNIFACS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA E ARQUITETURA CONSTRUÇÃO DE UM ROBÔ DE SUMÔ GRUPO DE ROBÓTICA MAVERICK: RENAN CARDOSO DOS SANTOS THIAGO MARANDUBA RAFAEL PITA KA WAI NG Salvador - Ba 20 de Novembro de 2008 CONTRUÇÃO DE UM ROBÔ DE SUMÔ GRUPO DE ROBÓTICA MAVERICK: RENAN CARDOSO DOS SANTOS THIAGO MARANDUBA RAFAEL PITA KA WAI NG Relatório apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia Mecatrônica, Universidade Salvador – UNIFACS, requisito parcial para obtenção do 3° semestre. Orientador: Prof. Victory Fernandes Coordenador: Rafael Araújo Salvador-Ba 20 de Novembro de 2008 2 SUMÁRIO 1. OBJETIVO...........................................................................................04 2. INTRODUÇÃO TEÓRICA.................................................................04 2.1. Robô autônomo.............................................................................04 2.2. Normas exigidas para uma batalha de robô de sumô................06 2.3. Conceitos relacionados ao projeto...............................................07 2.3.1. Mecânica.....................................................................................................07 2.3.2. Eletrônica....................................................................................................10 2.3.3. Programação...............................................................................................34 3. TEORIAS APLICADAS AO PROJETO............................................36 3.1. Esquema mecânico.........................................................................37 3.1.1. Estrutura......................................................................................................37 3.1.2. Fixação..........................................................................................................37 3.1.3. Locomoção....................................................................................................38 3.1.4. Análise de movimentos e forças..................................................................39 3.2. Esquema eletrônico..........................................................................42 3.2.1. Eletrônica Analógica..................................................................................42 3.2.2. Eletrônica Digital.......................................................................................46 3.3. Esboço lógico (Programação)..........................................................47 3.3.1. Desenvolvendo o programa........................................................................47 3.3.2. Codificando o programa............................................................................48 4. CRONOGRAMA.................................................................................50 5. ORÇAMENTO....................................................................................51 6. PLANO DE MARKETING................................................................52 7. CONCLUSÃO.....................................................................................52 8. BIBLIOGRAFIA.................................................................................52 9. ANEXOS..............................................................................................53 3 1. OBJETIVO Desenvolver um robô de sumô autônomo microcontrolado (controlado por um Chip), através de um software desenvolvido em linguagem de programação Assembly responsável pelo processamento das informações interagindo o robô com o ambiente, de acordo com as regras exigidas de uma batalha de robô de sumô. 2. INTRODUÇÃO TEÓRICA Nos últimos anos observou-se um aumento no grau de consciência com relação ao potencial de aplicações dos robôs autônomos móveis, em especial em tarefas de problemas sociais, ambientais e de defesa além de outras perigosas, sujas ou desagradáveis como, por exemplo: ante-terrorismo, envelhecimento da população, mudanças de clima, e escassez de recursos, são alguns dos desafios do mundo atual. Uma característica comum destas aplicações, ao invés do robô industrial, é a exigência de um veículo móvel ou plataforma, que ofereça como base a habilidade para navegar de uma posição conhecida a uma nova localização, evitar obstáculos e se posicionar na tarefa exigida a ser realizada. Isto é possível devido à utilização de um sistema de sensores, o qual deve obter os dados que descrevem o ambiente e passa ao sistema do computador do robô, que irá fazer os cálculos necessários para que o sistema piloto do robô controle os movimentos. 2.1. ROBÔ AUTÔNOMO Primeiramente é importante conhecer a origem da palavra ”robô”, que surgiu da palavra 4 checa robota, que significa "trabalho forçado" pela primeira vez, pelo teatrólogo Karel Čapek em 1921. Um robô capaz de aceitar ordens para a execução de tarefas, realizando seus objetivos desejados em ambientes desestruturados sem a intervenção humana é definido como robô autônomo. Um robô autônomo móvel atual é equipado com sensores (visão, infravermelho, sonar, tato, toque, sistemas de navegação inercial e etc.) que permitem a percepção do meio ambiente, total ou parcialmente desconhecido, e é dotado da capacidade de decisão, que lhe permite cumprir uma tarefa sem intervenção humana. Quando tais sensores estão presentes no robô, pode-se fazer uso da interação do robô com o ambiente, fazendo-o perceber e construir o modelo do ambiente no qual o movimento se desenvolve e depois decidir as ações a serem tomadas para a realização da tarefa. Classificação dos processos de percepção e decisão de um robô Os processos de percepção e decisão podem ser classificados das seguintes formas: Estratégia reativa: o comportamento do robô é determinado pelos estímulos externos vindos do ambiente através dos sensores. Estratégia deliberada: as informações do ambiente são previamente processadas e a tarefa e o comportamento do robô é da mesma forma, previamente determinadas. Estratégia híbrida: junção das duas anteriores (pode-se citar como exemplo o robô de sumô MVK II). Aplicação dos robôs autônomos As aplicações propostas para robótica avançada parecem cobrir a quase totalidade da atividade humana. Nestes dias já é possível fabricar robôs que servem quase para qualquer operação, seja de luta contra o fogo, salvamento de emergência, prevenção de desastres, patrulha de segurança, limpeza industrial, serviço doméstico, manipulação de 5 pacientes, operações de procura em ambientes distantes e/ou inóspitos, operações cirúrgicas à distância e etc. O único limite é a imaginação. 2.2 Normas exigidas para uma batalha de robô de sumô O sumô de robôs consiste no objetivo de empurrar o oponente para fora da arena (Yuko). Assim como toda competição, o sumô de robôs possui regras que estabelecem algumas características do robô. Duarante a batalha é necessário que o robô tenha a capacidade de locomover-se sozinho, ou seja, autônomo. Há também uma duração determinada para esta batalha de 90 segundos no qual chama-se de round. A contagem desse tempo é iniciado após um delay (atraso) de 5 segundos, o robô deve fazer a contagem desse tempo e parar automaticamente ao chegar o tempo estabelecido do round, aplicando assim sua autonomia. Exigências de um robô de sumô As principais exigências do robô está relacionado quanto a dimensão e o peso. Sua dimensão é estabelecida por 0,2 m de largura e comprimento, sem limitação de altura e o seu peso deve ser no máximo de 3 Kg. Além disso, o robô não deve possuir características destrutivas, ofensivas aos seres humanos e não poderá emitir gases ou líquidos. Arena de combate A arena do campo de batalha do robô (figura 2.1) tem sua superfície emburrachada, definido que a borda que delimita à área seja de cor branca e a parte interna de cor preta, possuindo um diâmetro de 1,6 m e a borda de 0,05 m. A superfície da arena não deve ser danificada pelo seus participantes (robôs). 6 Figura 2.1 – Arena de combate 2.3 Conceitos relacionados ao projeto Através de pesquisas foi possível constituir um embasamento teórico para o projeto, na parte física (mecânica e eletrônica) e lógica (programação). 2.3.1 Mecânica A mecânica também conhecida como mecânica clássica é a parte da física que estuda os movimentos (cinemática), forças (estática e dinâmica) e as variações de energia (massa, velocidade, distância e a força) que atuam sobre um corpo. Cinemática A cinemática é o ramo da física que estuda os movimentos sem si preocupar com as forças que originam o movimento. A análise dessas forças é estudada pela dinâmica. Para isso, organiza–se informações sobre a posição, o deslocamento, a velocidade e a aceleração. A velocidade de um corpo é definida pela equação abaixo (Eq.:2.1) em (m/s), de acordo com as unidades do Sistema Internacional (SI): v x t Eq.: 2. 1 7 Essa equação que descreve um movimento retilíneo uniforme (MRU) também permite encontrar o deslocamento ( x ) conhecendo-se a velocidade ( v ) e a variação do tempo final e inicial ( t ). A aceleração no MRU de um corpo pode ser definida pela equação 2.2 em (m/s2): a v t Eq.: 2. 2 Sendo que em um movimento onde a velocidade é constante a aceleração é nula, pois não terá variação da velocidade. Um movimento circular uniforme (MCU) é aquele em que um objeto se desloca em uma trajetória circular, que também faz parte da cinemática. A velocidade angular (indicada por ) é obtida pela equação 2.3: 2 T Eq.: 2. 3 Para o MCU define-se período T como o intervalo de tempo gasto para que o móvel complete um deslocamento angular em volta de uma circunferência completa ( ). Também define-se a frequência (indicada por f) como o número de vezes que essa volta é completada em determinado intervalo de tempo, sendo o período inverso da frequência (Eq.: 2.4). T 1 f Eq.: 2. 4 A velocidade linear também pode ser encontrada através do MCU, mostrada na equação 2.5: v .r Eq.: 2. 5 Onde v é a velocidade linear que é igual à velocidade angular ( ) multiplicada pelo raio ( r ). Força 8 A força é o único agente do universo capaz de alterar o estado de repouso ou o movimento de um corpo, ou deformá – lo. Para um corpo de massa constante, a força resultante sobre ele possui módulo igual ao produto entre a massa e a aceleração (Eq.: 2.6), dando origem a Segunda Lei de Newton. São exemplos de força, o torque e o atrito. F m.a Eq.: 2. 6 O torque é uma grandeza vetorial da física, que é definido a partir da componente perpendicular ao eixo de rotação da força aplicada sobre um objeto que é efetivamente utilizada para fazer ele girar em torno de um eixo ou ponto central, conhecido como ponto pivô ou ponto de rotação. O torque é calculado pela equação 2.7: Eq.: 2. 7 O atrito é uma força natural que apenas atua em um objeto quando esse entra em contato com outro e sofre a ação de outra força que tende a colocá–lo em movimento. Esta força pelo contato dos dois corpos ou meio que se move o corpo em movimento. A força de atrito é calculada pela multiplicação entre a força normal (N) e o coeficiente de atrito (u), representado pela equação 2.8. Fat .N Eq.: 2. 8 O coeficiente de atrito é dividido em dois: estático e dinâmico. O coeficiente de atrito estático se apresenta antes que o movimento aconteça, já o coeficiente de atrito dinâmico se apresenta quando o corpo já esta em movimento. O coeficiente de atrito pode ser determinado quando um corpo está sobre um plano inclinado (Figura 2.2) e sob ação exclusiva da gravidade, a intensidade da força normal que utiliza – se para calcular a força de atrito corresponde à componente perpendicular ao plano de contato. A direção do atrito é sempre perpendicular à reta tangente à circunferência no ponto em que o móvel se encontra e o sentido aponta para o centro. Para calcular a intensidade do atrito usa-se a seguinte equação 2.9: 9 Figura 2.2 – Um corpo sobre um plano inclinado O coeficiente de atrito estático mediante pode ser encontrado a partir do ângulo para o qual o corpo começa a deslizar. É estabelecido então que a tangente do ângulo crítico (o ângulo do plano para o qual o bloco vai começar a deslizar) é igual ao coeficiente de atrito estático mostrado abaixo pela equação 2.9: Fat Px u.m. g. cos m. g.sen u sen cos u tg Eq.: 2. 9 2.3.2 Eletrônica A eletrônica do projeto é responsável pela comunicação entre programação e mecânica que é formado em duas partes: eletrônica analógica e eletrônica digital. Em muitos equipamentos, mesmo classificados como analógicos ou digitais, encontra-se os dois tipos de circuitos. Primeiramente, antes de descrever a eletrônica analógica e digital é necessário um conhecimento teórico dos componentes eletrônicos e algumas ferramentas utilizadas durante as etapas do projeto. 2.3.2.1 Componentes eletrônicos e ferramentas Os componentes e ferramentas utilizados no projeto foram: 10 Resistores; Diodos; Capacitores; Transistores; Regulador de Tensão; Microcontrolador (PIC 16F628A); Optoacoploador Cristal Driver de potência (ULN 2003); Soquete Torneado; Relés; Sensores; Motores Elétricos; Bateria; Conectores; Fios para contato; Placa de Circuito e Protoboard; Multímetro; Ferro de solda; Resistor Um resistor (chamado de resistência em alguns casos) mostrado na figura 2.3, é um dispositivo elétrico muito utilizado em eletrônica, com a finalidade de transformar energia elétrica em energia térmica (efeito joule) a partir do material empregado, que pode ser por exemplo carbono. Ao serem ligados em uma tensão elétrica, são atravessados por uma elevada corrente elétrica, resultando em grande dissipação de calor. 11 Figura 2.3 – Resistores e seu símbolo Um resistor ideal é um componente com uma resistência elétrica que permanece constante independentemente da tensão ou corrente elétrica que circular pelo dispositivo. Os resistores podem ser fixos ou variáveis. Neste caso são chamados de potenciômetros ou reostatos. O valor nominal é alterado ao girar um eixo ou deslizar uma alavanca. O valor de um resistor de carbono pode ser facilmente determinado de acordo com as cores que apresenta na cápsula que envolve o material resistivo, ou então usando um ohmímetro(medidor de resistência). Todo resistor tem um valor, que é a chamada resistência. A unidade usada para medir a resistência é o ohm, cujo símbolo é Ω. A voltagem gerada por uma bateria tem seu valor dado em volts, cujo símbolo é V. A unidade usada para medir a corrente elétrica é o Ampère, cujo símbolo é A. Existe uma relação direta entre a tensão aplicada sobre um resistor, a corrente que o atravessa e o valor da sua resistência. Esta relação é a chamada lei de Ohm. Ela diz que se um resistor de valor R é ligado a uma tensão V, sua corrente i é dada pela equação 2.10: i v R Eq.: 2. 10 Diodo O diodo (Figura 2.4) é um componente eletrônico classificado como semicondutor. Ele é feito dos mesmos materiais que formam os transistores e chips. Este material é baseado no silício. Ao silício são adicionadas substâncias chamadas genericamente de 12 dopagem ou impurezas. Temos assim trechos tipo N (negativo) e tipo P (positivo). A distinção entre esses dois tipos, está na forma como os elétrons são conduzidos. De uma forma breve, uma junção PN é quando a corrente elétrica trafega com facilidade do trecho P para o trecho N, mas não consegue trafegar no sentido inverso. O diodo possui seus dois terminais ligados às partes de uma junção PN. A parte ligada ao P é chamada de anodo, e a parte ligada ao N é chamada de catodo. A corrente elétrica trafega livremente no sentido do anodo para o catodo, mas não pode trafegar no sentido inverso. Por causa desta característica, os diodos são usados, entre outras aplicações, como retificadores. Eles atuam no processo de transformação de corrente alternada em corrente contínua. Figura 2.4 – Diodo e seu símbolo Existem outros tipos de diodos mais comumente utilizados com diferentes aplicações: diodo retificador, diodo de Zener e LED. O Retificador é um dispositivo que permite que uma tensão ou corrente alternada seja constante, ou seja, transformada em contínua. Diodo de Zener O diodo de Zener (Figura 2.5) é um dispositivo semicondutor, que tem quase as mesmas características que o diodo normal. A diferença está na forma como ele se comporta quando está polarizado reversamente. No diodo normal, quando ele está polarizado reversamente, se a tensão reversa é muito grande, ele rompe-se permitindo passar por ele uma corrente reversa intensa. Este efeito é denominado efeito avalanche e consiste num aumento repentino da corrente reversa, 13 dissipando uma potência suficiente para causar a ruptura da junção PN. A tensão na qual este efeito ocorre é chamada tensão de ruptura ou breakdown voltage (VBR). Isto reduz consideravelmente a tensão de ruptura e evidência o efeito Zener que é mais notável à tensões relativamente baixas (em torno de 5,5V). O diodo zener é construído com uma área de dissipação de potência suficiente para suportar o efeito avalanche. Assim, a tensão na qual este efeito ocorre é denominada tensão Zener (VZ), podendo variar em função do tamanho e do nível de dopagem da junção PN. Comercialmente, são encontrados diodos zener com VZ de 2V a 200V. Figura 2.5 – Foto e símbolo do Diodo de Zener LED O LED ou Diodo Emissor de Luz (abreviação de LED vem de Light Emitting Diode – do inglês) (Figura 2.6) é um diodo semicondutor (junção P-N) que quando energizado emite luz visível. A luz é monocromática e é produzida pelas interações energéticas do elétron. O processo de emissão de luz pela aplicação de uma fonte elétrica de energia é chamado eletroluminescência. A cor da luz emitida pelo LED é definida pelo comprimento de onda da luz emissora que depende do material semicondutor que o constitui. Em qualquer junção P-N polarizada diretamente, dentro da estrutura, próximo à junção, ocorrem recombinações de lacunas e elétrons. Essa recombinação exige que a energia possuída por esse elétron, que até então era livre, seja liberada, o que ocorre na forma de calor ou fótons de luz. 14 Figura 2.6 – LED e seu símbolo Existem LEDs que emitem luz vermelha, verde, amarela e azul. Existem LEDs que emitem luz infravermelha, usados em sistemas de alarmes. Existem ainda os que emitem luz vermelha ou verde, dependendo do sentido da corrente. São na verdade dois LEDs, um vermelho e um verde, ambos montados sobre a mesma base, e ligados em paralelo, um no sentido direto e outro no inverso. Este tipo de LED é usado, por exemplo, em gravadores de CD-ROM. Quando estão lendo, emitem luz verde ou amarela. Quando estão gravando, emitem luz vermelha. Os LEDs são usados tipicamente como fontes de luz porque são pequenos, resistentes, muito eficientes e podem ser ligados/desligados em velocidades extremamente elevadas. Operam em um comprimento de onda estreito e são muito confiáveis. Os diodos emissores de luz não são sensíveis à temperatura, choque, ou à vibração e tem uma vida útil quase infinita. Os diodos emissores de luz existentes nos sensores são usados normalmente em “pulsos”. O emissor de luz é pulsado (desligado e ligado repetidamente). O tempo de permanência “ligado” é pequeno comparado ao tempo “desligado”. Os LEDs são pulsados por duas razões: para impedir que o sensor seja afetado pela luz ambiental, e para aumentar a vida útil do diodo emissor de luz. Isto é também chamado de “modulação”. Capacitores O capacitor ou condensador ilustrado na figura 2.7 é um componente eletrônico capaz de armazenar e fornecer cargas elétricas. Ele é formado por duas placas paralelas ou eletrodos, separadas por um material isolante, chamado dielétrico. Quando o ligamos a uma tensão fixa, momentaneamente passa por ele uma pequena corrente, até que seus 15 eletrodos fiquem carregados. Um desses eletrodos fica com cargas negativas (elétrons) e outra com cargas positivas (falta de elétrons). Figura 2.7 – Capacitores e seu símbolo A propriedade que estes dispositivos têm de armazenar energia elétrica sob a forma de um campo eletrostático é chamada de capacitância ou capacidade (C) e é medida pelo quociente da quantidade de carga (Q) armazenada pela diferença de potencial ou tensão (V) que existe entre as placas através da equação 4.2: Eq.: 2. 10 Pelo Sistema Internacional (SI), um capacitor tem a capacitância de um farad (F) quando um Coulomb de carga causa uma diferença de potencial de um volt (V) entre as placas. O farad é uma unidade de medida considerada muito grande para circuitos práticos, por isso, são utilizados valores de capacitâncias expressos em microfarads (μF), nanofarads (nF) ou picofarads (pF). Existem vários tipos de capacitores, e as principais diferenças estão nos valores e nas tensões elétricas suportadas que são freqüentemente classificados de acordo com o material usado como dielétrico. Os seguintes tipos de dielétricos são usados: cerâmico, poliestireno, poliéster, polipropileno, tântalo e eletrolítico. Os capacitores têm várias aplicações nos circuitos eletrônicos. Um das principais é a filtragem. Eles podem acumular uma razoável quantidade de cargas quando estão ligados a uma tensão. Quando esta tensão é desligada, o capacitor é capaz de continuar fornecendo esta mesma tensão durante um pequeno período de tempo, funcionando portanto como uma espécie de bateria de curta duração. 16 Transistores Transistor (figura 2.8) é um componente eletrônico, cujas funções principais são como amplificadores de tensão e amplificadores de corrente além de chavear sinais elétricos. O termo vem de transfer resistor (resistor de transferência), como era conhecido pelos seus inventores. Figura 2.8 – Transistores e seu símbolo O processo de transferência de resistência, no caso de um circuito analógico, significa que a impedância característica do componente varia para cima ou para baixo da polarização pré-estabelecida. Devido à esta função, a corrente elétrica que passa entre coletor e emissor do transistor varia dentro de determinados parâmetros préestabelecidos pelo projetista do circuito eletrônico; esta variação é feita através da variação de corrente num dos terminais chamado base, que conseqüentemente ocasiona o processo de amplificação de sinal. Os aumentos de tensão e de corrente gerados pelo transistor é caracterizado por um aumento de energia. Esta energia não é gerada a partir do nada. O transistor retira a energia necessária a partir de uma bateria ou fonte de alimentação. O tamanho dos transistores é classificado de baixa, média e alta potência. Quanto maior é a potência, maior é o seu tamanho. Regulador de tensão 17 Todos os circuitos eletrônicos necessitam, para que funcionem corretamente, do fornecimento de corrente vinda de uma bateria ou fonte de alimentação com valor constante. Um regulador de tensão é um dispositivo, geralmente formado por semicondutores utilizando alguns transistores, resistores e um diodo de Zener. Os fabricantes construíram esses circuitos de forma integrada, semelhante a um chip, usando uma única base de silício. Os reguladores mais simples, de acordo com a figura 2.9, têm um encapsulamento parecido com um transistor de potência, com três terminais. Um dos terminais é o terra (ground), que deve ser ligado ao terminal negativo da fonte. O outro terminal é a entrada, onde deve ser aplicada a tensão bruta, não regulada. O terceiro terminal é a saída, por onde é fornecida a tensão regulada. A tensão de entrada deve ser superior à tensão que vai ser gerada. O regulador “corta” uma parte desta tensão de modo a manter na saída uma tensão fixa. Figura 2.9 – Regulador de tensão Microcontrolador PIC 16F628A Um microcontrolador pode ser definido como um “pequeno” componente eletrônico, dotado de uma “inteligência” programável, utilizado no controle de processos lógicos (sensores, LED’s, motores, display de cristal líquido, relês). São chamados de controles lógicos, pois a operação do sistema baseia-se nas ações lógicas que devem ser executadas, dependendo do estado dos periféricos de entrada e/ou saída. O microcontrolador é programável, pois toda a lógica de operação de que foram citadas é estruturada na forma de um programa e gravada dentro do componente. Depois disso, toda vez que o microcontrolador for alimentado, o programa interno será executado. Quanto a “inteligência” do componente, pode-se associá-la à Unidade Lógica 18 Aritmética (ULA), pois é nessa unidade que todas as operações matemáticas e lógicas são executadas. Quanto mais poderosa a ULA do componente, maior será sua capacidade de processar informações. O microcontrolador ganhou ainda o adjetivo “pequeno”, pois em uma única pastilha de silício encapsulada (conhecida como CI ou Chip), tem todos os componentes necessários ao controle de um processo, ou seja, o microcontrolador está provido internamente de memória de programa, memória de dados, portas de entrada e/ou saída paralela, timers, contadores, comunicação serial, PWMs, conversores analógicosdigitais e etc. Esta é uma das características fundamentais que diferencia os microcontroladores dos microprocessadores, pois os últimos, apesar de possuírem uma ULA muito mais poderosa, não possui todos esses recursos em uma única pastilha de silício. Optoacoplador Os dispositivos optoeletrônicos têm funções importantes nos circuitos eletrônicos, sendo usados como sensores, sinalização, isolação e diversas outras. Comumente estão presentes em equipamentos usados em residências, indústrias e no comércio. Da mesma forma que os resistores, diodos e transistores, os dispositivos optoeletrônicos estão presentes na grande maioria dos circuitos eletrônicos. A optoeletrônica combina elementos de tecnologia ótica e eletrônica. Os dispositivos optoeletrônicos que emitem ou detectam radiação ótica são denominados componentes optoeletrônicos. Os circuitos optoeletrônicos têm aplicações nas mais diversas áreas, tais como telecomunicações, controle e sensoramento. O Optoacoplador é um componente eletrônico que é constituído por um LED e um fototransistor juntos no mesmo encapsulamento que é bastante utilizado em estruturas onde se deseja um isolamento total de sinal entre a entrada e a saída, mostrado na figura abaixo: Figura 2.10 – Imagem de um optoacoplador 19 Em diversas aplicações o terra da entrada não é o mesmo terra da saída. Daí a necessidade de uso de optoacopladores. Cristal O cristal é um tipo de oscilador mais preciso que se pode utilizar, porém são os mais caros. Por isso sua utilização só é realmente necessária quando preza-se muito pela precisão do sistema. Um oscilador eletrônico é um circuito eletrônico que produz um sinal eletrônico repetitivo, frequentemente uma onda senoidal ou uma onda quadrada. Sem a necessidade aplicação de um sinal externo. Um oscilador é baseado num circuito amplificador e numa malha de realimentação positiva, que induz a uma instabilidade de operação e que resulta na oscilação. Figura 2.11 – Foto de cristais osciladores Driver de potência (ULN 2003) Um driver de potência é utilizado sempre quando precisamos acionar um hardware especifico mais potente. O ULN 2003 (Figura – 2.12) é utilizado como um driver de potência que é composto por um array de sete transistores Darlington em pares NPN que amplifica o sinal da corrente e tensão. Sua tensão de saída máxima é de 50V e controlam correntes de até 500mA. Este ULN 2003 é um tipo de circuito digital que está em forma de circuitos integrados (CIs) prontos para serem usados em interfaces que necessitem controlar motores de passos, solenóides, relés, motores DC (motores de corrente contínua) e vários outros dispositivos. 20 Figura 2.12 – ULN 2003 Soquete Torneado A maioria dos componentes eletrônicos são soldados nas suas placas. Outros componentes precisam ser removidos periodicamente para substituição ou manutenção. Por exemplo, uma lâmpada não é aparafusada ou soldada diretamente aos fios da rede elétrica. Ela é presa através de um bocal, e este sim é aparafusado aos fios. O bocal é na verdade um soquete para a lâmpada, tanto que em inglês, é usado o termo socket para designar o bocal de uma lâmpada. Da mesma forma, certos componentes eletrônicos podem precisar ser removidos, trocados ou instalados. É o caso dos processadores, memórias e alguns chips (exemplo ULN 2003). Para isso esses chips são encaixados sobre soquetes. Os soquetes sim, são soldados nas placas de circuito, e sobre eles encaixamos os chips, conforme a figura 2.13. Figura 2.13 – Soquetes 21 Relé Os relés são dispositivos comutadores eletromecânicos (Figura 2.14). A estrutura simplificada de um relé é mostrada na figura 2.15 e a partir dela é explicado o seu princípio de funcionamento. Figura 2.14 - Relé Figura 2.15 – Estrutura de um relé Nas proximidades de um eletroímã é instalada uma armadura móvel que tem por finalidade abrir ou fechar um jogo de contatos. Quando a bobina é percorrida por uma corrente elétrica é criado um campo magnético que atua sobre a armadura, atraindo-a. Nesta atração ocorre um movimento que ativa os contatos, os quais podem ser abertos, fechados ou comutados, dependendo de sua posição, conforme mostra a figura 2.16. 22 Figura 2.16 - Jogo de contatos do relé Isso significa que, através de uma corrente de controle aplicada à bobina de um relé, podemos abrir, fechar ou comutar os contatos de uma determinada forma, controlando assim as correntes que circulam por circuitos externos. Quando a corrente deixa de circular pela bobina do relé o campo magnético criado desaparece, e com isso a armadura volta a sua posição inicial pela ação da mola. Os relés se dizem energizados quando estão sendo percorridos por uma corrente em sua bobina capaz de ativar seus contatos, e se dizem desenergizados quando não há corrente circulando por sua bobina. A aplicação mais imediata de um relé com contato simples é no controle de um circuito externo ligando ou desligando-o, conforme mostra a figura 2.17. Observe o símbolo usado para representar este componente. Figura 2.17 – Controle de um circuito externo através de um relé 23 Quando a chave S1 for ligada, a corrente do gerador E1 pode circular pela bobina do relé, energizando-o. Com isso, os contatos do relé fecham, permitindo que a corrente do gerador E2 circule pela carga, ou seja, o circuito controlado pode ser uma lâmpada. Para desligar a carga basta interromper a corrente que circula pela bobina do relé, abrindo para isso S1. Uma das características do relé é que ele pode ser energizado com correntes muito pequenas em relação à corrente que o circuito controlado exige para funcionar. Isso significa a possibilidade de controlar circuitos de altas correntes como motores, lâmpadas e máquinas industriais, diretamente a partir de pequenos dispositivos eletrônicos como transistores, circuitos integrados, fotoresistores e etc. A corrente fornecida diretamente por um transistor de pequena potência da ordem de 0,1A não conseguiria controlar uma máquina industrial, um motor ou uma lâmpada, mas pode ativar um relé e através dele controlar a carga de alta potência. (figura 2.18). Figura 2.18 – Aplicação de um relé Sensores Na eletrônica, um sensor é conhecido como qualquer componente ou dispositivo eletrônico que permita a análise de uma determinada condição do ambiente, podendo ela ser algo simples como temperatura ou luminosidade. Os sensores podem ser classificados como um tipo de transdutor. Um transdutor é um componente que transforma um tipo de energia em outro. Porém, um sensor pode ser definido como um transdutor específico, que transforma algum tipo de energia (luz, calor, movimento) em energia elétrica, utilizada para a leitura de alguma condição ou característica do ambiente que permitirá uma realização das tarefas exigidas por meio de um processamento dessas informações. 24 Sensores ópticos Os sensores ópticos funcionam a partir do infravermelho, baseiam-se no princípio da emissão, da reflexão e da recepção de luz, conforme a figura 2.19. Uma fonte de luz (emissor) que são utilizados como LEDs e um fotodiodo ou fototransistor (receptor) que captam a presença ou a ausência da luz. A saída fica energizada quando o receptor recebe o feixe de luz emitido pelo LED. Figura 2.19 – Princípio da emissão, reflexão e recepção da luz Sensor Industrial Todos os sensores óticos usam a luz para detectar objetos. Uma fonte de luz (emissor) e um fotodetector sentem a presença ou a ausência da luz. LEDs (diodos emissores de luz), que são diodos semicondutores que emitem luz, são usados tipicamente como fontes de luz porque são pequenos, resistentes, muito eficientes e podem ser ligados/desligados em velocidades extremamente elevadas. Operam em um comprimento de onda estreito e são muito confiáveis. Os diodos emissores de luz não são sensíveis à temperatura, choque, ou à vibração e tem uma vida útil quase infinita. O tipo de material usado para o semicondutor determina o comprimento de onda da luz emissora. Os diodos emissores de luz existentes nos sensores são usados normalmente em “pulsos”. O emissor de luz é pulsado (desligado e ligado repetidamente). O tempo de permanência “ligado” é pequeno comparado ao tempo “desligado”. Os LEDs são pulsados por duas razões: para impedir que o sensor seja afetado pela luz ambiental, e para aumentar a vida útil do diodo emissor de luz. 25 Isto é também chamado de “modulação”. Na figura 2.20 temos um sensor tipo Reflexivo. O emissor e o receptor de luz estão no mesmo pacote. Quando a luz do emissor bate em um objeto, o receptor detecta e a saída do sensor muda de estado. A distância de detecção (alcance) deste tipo de sensor é limitada pela capacidade do objeto de refletir a luz em direção ao receptor. Na figura 2.21 temos o sensor refletivo utilizado no robô. Figura 2.20 – Funcionamento do sensor Figura 2.21 – Sensor Industrial Difuso Motores elétricos Motor elétrico é uma máquina destinada a transformar energia elétrica em mecânica agindo como atuador, por ser responsável pela locomoção do robô. 26 Os motores usados foram do tipo de corrente contínua (CC) mais conhecido por motores de vidro-elétrico encontrados em carros, conforme a figura 2.22. Esses motores chamam-se de motorredutores (FPG) e possui uma alta perfomance devido propiciar um excelente torque (força). O uso do FPG é empregado em diversas aplicações industriais graças ao uso de um sistema de redução de esforço, que atua entre o motor e o sistema a ser movimentado. Dessa forma, o FPG trabalha com diferentes relações de engrenagens, para as mais diferentes aplicações. Num princípio semelhante a um sistema de marchas de bicicleta, o mecanismo possibilita que o motor gire na mesma velocidade, porém fazendo um esforço menor. Figura 2.22 – Foto do motorredutor do fabricante Bosch As especificações desse motorredutor são: Tensão nominal - UN = 12 V Rotação nominal - nN = 106 rpm Corrente nominal – IN = 6 A Torque nominal – MN = 1 N.m Relação das engrenagens – i = 73 :1 Peso = 0.650 Kg 27 Bateria Bateria é um dispositivo que armazena energia química e a torna disponível na forma de energia elétrica, mais conhecido em eletrônica como fonte de alimentação. Por causa das reações químicas dentro das baterias, sua capacidade depende das condições da descarga tais como o valor da corrente elétrica, a duração da corrente, a tensão terminal permissível da bateria, a temperatura, e os outros fatores. A bateria utilizada para o robô foi do tipo Ni-MH (Níquel Hidreto-Metálico) que possui o catodo de níquel, porém o anodo é composto por uma liga metálica capaz de absover hidretos, substituindo o cádmio que é tóxico. As baterias de NiMH armazenam 30% mais energia que as de NiCd, no entanto suas correntes de pico são cerca da metade daquelas de uma de NiCd equivalente. São boas para serem usadas na locomoção do robô, que necessita mais de alta energia armazenada do que de altos picos de corrente. Um grande problema é que chegam a perder cerca de 5% de sua carga ao dia, portanto não são apropriadas para aplicações de uso esporádico, como por exemplos controle remotos de televisão. Figura 2.23 – Pack de bateria NiMH A capacidade de armazenamento de energia de uma bateria é medida através da multiplicação da corrente de descarga pelo tempo de autonomia, sendo dado em ampére-hora (1 Ah= 3600 Coulombs). Deve-se observar que, ao contrário das baterias primárias (não recarregáveis), as baterias recarregáveis não podem ser descarregadas até 0V pois isto leva ao final prematuro da vida da bateria. Na verdade elas tem um limite 28 até onde podem ser descarregadas, chamado de tensão de corte. Descarregar a bateria abaixo deste limite reduz a vida útil da bateria. As baterias ditas 12V, por exemplo, devem operar de 13,8V (tensão a plena carga), até 10,5V (tensão de corte), quando 100% de sua capacidade terá sido utilizada, e é este o tempo que deve ser medido como autonomia da bateria. Como o comportamento das baterias não é linear, isto é, quando maior a corrente de descarga menor será a autonomia e a capacidade, não é correto falar em uma bateria de 100Ah. Deve-se falar, por exemplo, em uma bateria 100Ah padrão de descarga 20 horas, com tensão de corte 10,5V. Esta bateria permitirá descarga de 100 / 20 = 5A durante 20 horas, quando a bateria irá atingir 10,5V. Outro fator importante é a temperatura de operação da bateria, pois sua capacidade e vida útil dependem dela. Usualmente as informações são fornecidas supondo T=25°C ou T=20°C, que é a temperatura ideal para maximizar a vida útil. Da mesma forma que se expressa a capacidade de uma bateria em Ampére hora (Ah), podemos expressar em Watt hora (Wh), que é a potência de descarga x tempo. Conectores Um conector, exemplo mostrado na figura 2.24 é uma peça contendo um grupo de contatos elétricos relacionados uns com os outros. Muitos conectores são internos, outros são externos. Os internos são usados para conexões dentro do computador. Os externos são usados para ligar dispositivos externos. Conectores trabalham aos pares, e normalmente um é chamado “macho” e o outro “fêmea”. Obviamente o tipo macho é aquele com pinos metálicos, que se encaixam sobre os orifícios metalizados do conector fêmea correspondente. Realmente tem uma certa conotação sexual. 29 Figura 2.24 – Imagem de conectores de fio Protoboard Uma Matriz de Contatos (ou Protoboard em inglês), mostrado na figura 2.25, é uma placa com diversos furos e conexões condutoras para montagem de circuitos elétricos experimentais. A grande vantagem do Protoboard na montagem de circuitos eletrônicos é a facilidade de inserção de componentes (não necessita soldagem). Figura 2.25 - Protoboard Na superfície de uma matriz de contato há uma base de plástico em que existem centenas de orifícios onde são encaixados os componentes ou também por ligações mediante fios (jumpers). Em sua parte inferior são instalados contatos metálicos que interliga eletricamente os componentes inseridos na placa que são organizados em colunas e canais. De cada lado da placa, ao longo de seu comprimento, há duas colunas completas. Há um espaço livre no meio da placa e de cada lado desse espaço há vários grupos de canais horizontais (pequenas fileiras), cada um com 05 orifícios de acordo com a figura 2.26. 30 Figura 2.26 - Estrutura de uma protoboard Multímetro Um Multímetro é destinado a medir e avaliar grandezas elétricas, é um instrumento que pode ter mostrador analógico (de ponteiro) ou digital, de acordo com a figura 2.27. Incorpora diversos instrumentos de medidas elétricas num único aparelho como voltímetro, amperímetro e ohmímetro por padrão e capacímetro, frequencímetro, termômetro entre outros, como opcionais conforme o fabricante do instrumento disponibilizar. Figura 2.27 – Foto de um Multímetro 31 Ferro de solda O ferro de solda (figura 2.28) é um equipamento utilizado para a fixação dos terminais dos componentes eletrônicos en uma placa de circuito associado com uma solda de chumbo-estanho formando assim o processo de soldagem. Figura 2.28 – Ferro de solda 2.3.2.2 Eletrônica Analógica Na Eletrônica Analógica trabalha-se com quantidades ou sinais que podem ter valores que variam de modo contínuo numa escala. Os valores dos sinais não precisam ser inteiros. Por exemplo, um sinal de áudio, que é analógico, varia suavemente entre dois extremos, enquanto que um sinal digital só pode variar aos saltos, de acordo com a figura 2.29. Figura 2.29. – Distinção dos sinais analógicos e digitais 32 2.3.2.3 Eletrônica Digital A palavra digital também está associada a dígito (do latim digitu, dedo) que está associado à representação de quantidades inteiras. Não podemos usar os dedos para representar meio pulso ou um quarto de pulso. Por exemplo, os circuitos que operam com impulsos. Só pode ter números inteiros de pulsos sendo trabalhados em qualquer momento em qualquer ponto do circuito. Em nenhum lugar encontra-se “meio pulso” ou “um quarto de pulso”. Os computadores e outros equipamentos que usam circuitos digitais funcionam obedecendo a um tipo de comportamento baseado no que se denomina Lógica. Diferentemente dos circuitos amplificadores comuns que simplesmente amplificam, atenuam ou realizam algum tipo de processamento simples dos sinais, os circuitos digitais usados em computadores e outras máquinas não processam os sinais baseados em uma finalidade simples determinada quando são fabricados. Os circuitos digitais dos computadores e outros equipamentos são capazes de combinar os sinais tomando decisões segundo um comportamento lógico. Então pode-se dizer, que a lógica permite tirar conclusões ou tomar decisões a partir de fatos conhecidos. Os circuitos lógicos digitais trabalham com sinais elétricos. Assim, os circuitos lógicos digitais nada mais fazem do que receber sinais com determinadas características e em função destes tomar decisões que nada mais são do que a produção de um outro sinal elétrico. Os sinais elétricos são digitais, ou seja, quantidades discretas são representadas e entendidas pelos circuitos eletrônicos para a tomada de decisões através de um sistema de numeração. O sistema de numeração que é utilizado pelos seres humanos é o sistema decimal, mas muito mais simples para os circuitos eletrônicos é trabalhar com um sistema de numeração que esteja mais de acordo com o seu princípio de funcionamento e isso realmente é feito. Um circuito eletrônico pode ter ou não corrente, ter ou não tensão, pode receber ou não um pulso elétrico, porque é mais apropriado operar com sinais que tenham duas condições possíveis, ou seja, que representem dois dígitos ou algarismos. Assim, o sistema adotado nos circuitos eletrônicos digitais é o sistema binário ou de base 2, onde são usados apenas dois dígitos, correspondentes a duas condições possíveis de um circuito: 0 e 1 que podem ser representados por outros sistemas de numeração como por exemplo, o decimal, octal e hexadecimal. 33 Geralmente o nível lógico 0, refere-se a: não, desativado, falso; e o nível lógico 1 refere-se a: sim, ativado, verdadeiro. Esses níveis lógicos também podem ser chamados de bits (Binary Digit) que significa Digito Binário, além de poderem ser representados por 1 nibble que equivale a 4 bits e 1 byte que é igual a 8 bits. Em Eletrônica Digital costumamos dizer que o bit mais à direita, por representar a menor potência, é o bit menos significativo ou LSB (Less Significant Bit) enquanto que o mais à esquerda é o mais significativo ou MSB (Most Significant Bit). 2.3.3 Programação Para criar um software é preciso ter um método para torná-lo estruturado e bem elaborado, para isso é preciso conhecer o ciclo de desenvolvimento de programa (program development life cycle - PDLC). O PDLC fornece um plano organizado para dividir a tarefa de desenvolvimento de softwares em partes gerenciáveis, cada uma das quais devem ser completadas com sucesso antes de começar a próxima, tornando-se o PDLC num método organizado de desenvolvimento de softwares. Esse processo de programação primeiramente foi planejado e depois desenvolvido. Planejamento Um planejamento é a primeira fase do programa que é necessário, e devido a isto é divido em: identificar uma necessidade ou um problema; desenvolvimento de um algoritmo. Identificando uma necessidade ou um problema Definir uma necessidade ou especificar um problema é a primeira etapa na criação de um programa. 34 Desenvolvendo um algoritmo Desenvolver um algoritmo é uma forma de começar a resolver um problema. Um algoritmo é uma descrição passo a passo de como chegar a uma solução. Após isto, é desenhar um fluxograma do software. Um fluxograma é um diagrama que é uma das formas de representar um algoritmo para ajudar a entender por completo a tarefa ou o problema em questão que é uma etapa tão importante na criação de um programa quanto saber como usar uma linguagem de programação, também pode ser representado por pseudocódigos. Em um fluxograma são utilizados símbolos que possui seu determinado significado; paralelogramo é utilizado para representar um procedimento de entrada ou saída, losango é para indicar uma condição, um retângulo refere-se a um processo. Desenvolvimento É na segunda fase de um projeto de desenvolvimento de um programa que o programador realmente escreve o software. A maior parte do tempo nesse processo é dedicado á codificação e testes iniciais. Nesta fase, o desenvolvimento é formado por duas etapas: Codificação do software Teste e depuração do software Codificando o software Criar o código envolve traduzir o algoritmo em instruções de uma linguagem específica de programação. Neste processo envolve a elaboração de um código e a sua compilação. Compilação é um processo que um programa pega um arquivo de código-fonte e o traduz para código-objeto, que é a última parada de um programa a caminho de sua execução. 35 Testando e depurando o software O último passo em uma criação de um software é eliminar qualquer tipo de erro, processo conhecido como depuração. Esses erros conhecidos também como bugs são classificados em erros de sintaxe e de lógica.Todos os tipos de erros de sintaxe são observados durante a compilação do programa. Os erros de lógica é aquele no qual o código está sintaticamente correto, mas informa ao computador para fazer um procedimento errado, esses erros são os mais dificieis de serem observados. 3. TEORIAS APLICADAS À CONSTRUÇÃO DO ROBÔ DE SUMÔ A construção de um robô de sumô exige a aplicação de teorias relacionadas a mecânica, eletrônica e programação. A parte da mecânica é responsável pela estrutura e locomoção do robô; a eletrônica é composta por componentes e sinais eletrônicos que formam o circuito que mantêm a interface mecânica/programação e a leitura dos estímulos externos; a programação desempenha a função de interpretar esses dados lidos do ambiente, processá-los para tomar as devidas decisões. 3.1 Esquema mecânico A parte mecânica do foi inspirada em um tanque de guerra, apresentando assim, um perfil robusto que foi constituído por três partes principais: estrutura, fixação e locomoção do robô além de uma análise de movimento e forças envolvidas. 3.1.1 Estrutura Para a montagem da estrutura foi baseado na principal exigência para construção de um robô de sumô no qual, refere – se ao peso (3 Kg). 36 Deste modo, perfil e cantoneira L de espessura 02 mm de alumínio foi utilizado em toda sua estrutura, devido ser caracterizado por uma densidade relativamente baixa (2,7 g/cm³, em comparação com uma densidade de 7,9 g/cm³ para o aço), além de possuir uma boa resistência à corrosão em ambientes comuns (incluindo atmosfera ambiente) e também por ser conformado com bastante facilidade em virtude da suas elevadas ductilidades oferecendo boas condições para se trabalhar. Figura 3.1 – Vista tridimensional do robô 3.1.2. Fixação Tanto a estrutura quanto o sistema de locomoção foram fixados por 03 parafusos sem – fim de aço com um de 05 mm e outros dois de 03 mm de diâmetro além de duas porcas sextavada simples para cada parafuso e quatro rebites de repuxo, além também de braçadeiras para fixação da placa circuito e fios de contato. Esses materiais aplicados na fixação, foram selecionados principalmente com base na relação custo/benefício, já que a estrutura não irá sofrer fortes impactos e o motor foi fixado de tal forma que a vibração produzida foi reduzida ao ponto de não sofrer folgas tornando sua estrutura robusta. A imagem abaixo descreve a fixação do robô: 37 Figura 3.2 – Fixação da estrutura 3.1.3. Locomoção do robô O seu sistema de locomoção foi formado por duas roldanas com rolamento embutido e um esteira para cada motor (2 motores) fixados por uma peça para garantir o acoplamento da engrenagem para esteira, mostrada na figura 3.3: Figura 3.3 – Estrutura com locomoção e fixação As roldanas (Figura 3.4) que foram utilizadas são do tipo de material poliamidas (Náilons), mais conhecido comercialmente como Nylon que é um material plástico, 38 tecnicamente conhecido como polímero que é do tipo termoplástico. Sua escolha foi devido por possuir principalmente uma baixa densidade de 1,14g/cm³. Figura 3.4 – Roldanas de Nylon utilizadas O tipo de material da esteira é de plástico com “dentes” para encaixe da esteira na roda que possui uma parte torneada para encaixe desses “dentes” fazendo com que a esteira não saia de uma posição, onde o tamanho é estabelecido através de partes que são unidos por pequenos ferros, assim como uma corrente de bicicleta. 3.1.4Análise do movimento e forças envolvidas Após a conclusão da parte mecânica do robô, conceitos foram aplicados para analisar o movimento e forças envolvidas para um maior desempenho baseados nos fundamentos de cálculos e teorias da física. Todos os cálculos e experimentos descritos abaixo, foram feitos utilizando a bateria com carga de 100 %, já que a potência dos motores influenciam no seu desenvolvimento, além do motores não está sendo alimentado pela corrente nominal. Velocidade O comportamento do movimento do robô foi analisado a partir de sua velocidade linear calculada por dois métodos diferentes: MCU e MRU. De acordo com a equação 2.3, a velocidade linear também pode ser calculada pela velocidade angular (ω), conhecendo-se assim a rotação do motor em segundo (rps ou hz) que também foi calculado, marcando um ponto na roldana e medindo o tempo 05 vezes por um cronômetro afim de obter um tempo médio (T = 0,70 s), resultando em um valor mais preciso necessário para se completar um volta. 39 f 1 T f 1 0.96 f = 1,04 hz ω = 2π.f ω = 2π.(1,04) ω = 6,54 rad/s Após saber a velocidade angular, a velocidade linear (v) é calculada a partir da equação 2.5, conhecendo-se assim o raio da roldana (r = 0,025 m). v = ω.r v = 6,54.(0,025) v = 0,16 m/s Para obter a velocidade pelo MRU, foi preciso fazer um experimento colocando o robô em repouso sobre uma superfície, percorrendo assim, uma distância (Δx = 0,82 m) em função de um tempo marcado 05 vezes ( t = 5,16 s). Conforme a equação 2.1 sua velocidade foi obtida: v x t v 0,82 5,16 v = 0,16 m/s Com estes resultados obtidos pelo MCU e MRU, foi mostrado que pode se obter a mesma velocidade. O robô possui uma velocidade constante devido seu motor ser do tipo contínuo, sendo assim não haverá variação de velocidade, portanto sua aceleração linear será nula. Atrito O coeficiente de atrito estático (μe) entre as duas superfícies (plástico/borracha) pode ser obtido através de um experimento (plano inclinado). Posicionando o robô sobre uma superfície (madeira coberta com borracha), foi levantada essa superfície medindo o ângulo com um transferidor fixo de 180º até o momento em que o robô começasse a deslizar sobre a superfície. Obtendo esse ângulo de = 37º, foi calculado sua inclinação que representa o μe, de acordo com a equação 2.9. 40 μe = tg μe = tg 37° μe = 0,75 O atrito foi importante conhecer, porque quanto maior o coeficiente de atrito do robô maior é sua aderência sobre a arena e mais difícil se tornará para o oponente, exigindo uma maior força para empurrá-lo fora da arena. Baseado também nesses conceitos o torque do robô foi calculado. Torque Para o cálculo do torque, foi necessário saber as especificações do motor utilizado. Os valores nominais deste motor são: Un = 12 V (tensão); In = 6 A (corrente) Tn = 1 N.m (torque). O torque do motor não poderia ser considerado o valor nominal porque a alimentação do motor era de I = 2,7 A, medido por um Multímetro colocado seus bornes em série e com a mesma tensão de 12 V. Para isso, primeiramente foi preciso calcular sua potência nominal (Pn) e sua potência real (Pr) através da seguinte expressão,obtemos: Pn = U.I Pn = (12). (6) Pn = 72 Watts (W) Pr = (12).(2,7) Pr = 32,4 W Após isso, foi utilizado uma Regra de Três para saber qual o torque real (Tr) do motor para uma corrente de 2,7 A. 72 W ................... 1 N.m 32,4.................... X Tr = 0,45 N.m ou Tr = 45 N.cm 41 Esse valor informa que, a cada centímetro do pivô do motor (eixo) suspende uma força de 40 N, então o raio foi medido da roldana que é igual a: r = 2,5 cm que será multiplicado por 40 N: T = 40 . 2,5 T = 100 N Portanto o torque é de 100 N para um consumo de corrente de 2,7 A e raio de 2,5 cm para cada motor. A fim de saber o quanto de carga o motor suporta foi aplicado a 2º Lei de Newton considerando o torque como a força resultante e a aceleração como a gravidade, a expressão obtida é: T = m.g T g 100 m 9,8 m m = 10,20 Kg Este resultado informa que o motor irá suportar uma massa de 10,20 Kg colocado verticalmente preso ao seu eixo. Poderia também saber o quanto de massa o robô conseguiria empurrar, mas para isso, seria preciso conhecer o coeficiente de atrito do outro robô (oponente) sobre a arena e também de sua força normal. 3.2 Esquema eletrônico A eletrônica consistiu em duas partes principais: Eletrônica analógica e digital. 3.2.1. Eletrônica analógica Na eletrônica analógica teve como principal objetivo construir o circuito elétrico analógico, constituído por duas versões: Montagem do circuito na Protoboard (1º Versão) e por fim o circuito montado em uma placa virgem (circuito final). Para a montagem destes circuitos, foram exigidos principalmente conhecimentos teóricos dos 42 componentes utilizados, softwares para simulação dos circuitos e ferramentas que foram necessários para seleção destes componentes que foi baseado através da relação custo/benefício para um melhor desempenho do circuito elétrico. 1º Versão do circuito Após conhecer os componentes eletrônicos, a primeira versão do circuito, mostrado na figura 3.5 foi montado em duas Protoboards, uma de 1100 furos para o circuito principal e outra de 600 furos para os sensores ópticos, para que assim possa observar e corrigir qualquer tipo de anomalia durante a fase de teste, por exemplo, a danificação ou a “queima” de algum componente eletrônico que pôde ser facilmente substituído, garantindo assim o perfeito funcionamento deste circuito. Figura 3.5 – Foto da 1º versão do circuito Os componentes utilizados nesse processo serão os mesmos do circuito posterior: 04 relés de 12 V responsáveis para o acionamento dos 02 motores de 12 V em sentido horário e anti-horário, conhecido como Ponte de Relés; 08 resistores de 330 Ω para limitar a corrente e tensão; 04 diodos retificadores para não inverter a polarização; 01 43 diodo de Zener de 0.5 Watts usado para o ULN, para garantir que a corrente possa fluir apenas num único sentido; 08 push-buttons foram necessários para simular os sensores ópticos devido ser facilmente acionados; e por fim 01 Driver de potência (ULN 2003), onde primeiramente foi preciso identificar seus pinos de entrada e saída responsável por receber (pinos de entrada) o sinal digital (pulso elétrico) de 05 V do microcontrolador e amplificar este sinal de acordo com sua alimentação de 12 V do qual acionará a Ponte de relés através de seus pinos de saída. Após garantir o funcionamento deste circuito com os push-buttons, fotodiodos (receptores) foram usados como sensores ópticos para a substituição dos push-buttons. Esses fotodiodos foram acionados por uma lanterna simulando o emissor que ao incidir a luz sobre os fotodiodos eram ativados, permitindo consequentemente o acionamento dos motores. Versão final do circuito O circuito eletrônico final mostrado na figura 3.6, tornou-se um pouco mais complexo que o anterior, pois foi feito um esquema eletrônico para fazer o circuito impresso por meio de um software, já que oferece as mesmas medidas dos componentes reais, o Ares Proteus Professional version 07. 44 Figura 3.6 – Esquema eletrônica para circuito impresso Neste circuito utilizou-se uma placa virgem de face simples para fazer a transferência o circuito para a placa. Primeiro foi impresso o circuito em um papel especial (papel fotográfico) utilizando o papel do tipo Glossy Paper de 150g/cm², após imprimir o circuito foi colocado o papel em cima da placa e friccionado o ferro de passar roupa sobre o papel durante uns 5 minutos, essa técnica é chamada de silc- screen. Feito isso, a placa com o papel foi colocada em um recipiente com água e detergente quente para facilitar o papel a sair, depois de uns 30 minutos tirou-se o papel e fez alguns retoques na placa. A placa foi depositada no per cloreto de sódio por uns 15 minutos. Depois disso foi feito os furos dos devidos componentes para serem colocados. Nesta etapa, acrescentou-se 03 opto-aclopadores para fazer a função de opta-acoplar com os sensores industriais, pois os sensores mandam uma resposta de 12v e o microcontrolador só pode receber resposta de 5v. 45 Além disso, 02 sistemas de alimentações foram usados no robô isoladamente porque quando os motores e o circuito eram alimentados por uma mesma bateria o PIC reiniciava devido um sistema de detecção automática de baixa tensão capaz de resetar o PIC quando a tensão for menor que 04 V por mais de 100µs, essa função chama-se de Brown Out Detect, essa tensão diminuía quando o motor requiria muita carga em certos momentos. Então para os motores foi utilizado um Pack de bateria de NiMH de 12 V e 2,7 Ah uma vez que, esse tipo de bateria apresenta uma alta corrente, proporcionando assim maior potência ao motor e para o circuito e sensores uma bateria de 9V foi utilizada. 3.2.2. Eletrônica digital O robô MVK é acionado por sinais elétricos enviados por meio da programação do microcontrolador, no qual é preciso conhecer quais bytes serão enviados para acionar os relés que consequentemente irá ativar os atuadores (motores). Com uma combinação desses bytes é possível definir qual motor será acionado de acordo com a tabela 3.1 e qual o seu sentido horário, conforme a tabela 3.2. Relé R1 R2 R3 R4 Pino 10(RB4) 11(RB5) 12(RB6) 13(RB7) Valor em binário 0000OOO1 0000OO1O 0000O1OO 00001OOO Tabela 3.1 Sentido Horário Anti - Horário Valor em decimal 1 2 4 8 Relés Valor em decimal R2 e R4 10 R1 e R3 5 Tabela 3.2 Além de enviar os sinais elétricos o software do robô recebe também esses dados no momento da leitura dos sensores, conforme a tabela 3.3 . 46 Sensores Pino Sensor óptico frente (SOF) 6 Sensor óptico trás (SOT) 7 Sensor Industrial Esquerdo (SIE) 1 Sensor Industrial Direito (SID) 2 Sensor Industrial Frente (SIF) 18 Tabela 3.3 Esses sensores, foram projetados para cada sensor óptico frente ou trás localizado em uma extremidade (esquerda e direita), com isso era utilizado cinco pinos de entrada no qual tornava a programação mais difícil. 3.3 Esboço lógico (Programação) A necessidade do desenvolvimento de um programa para o robô é para permitir sua autonomia, baseado na entrada e saída dos dados em uma rotina computacional na qual irá tratar esses dados. 3.3.1 Desenvolvendo o algoritmo Na entrada, os dados que o software irá receber do ambiente é através da leitura dos sensores ópticos e industriais. Na parte inferior da estrutura do robô, próximo à superfície, quatro sensores ópticos irão estar posicionados em suas extremidades para que o robô possa fazer a identificação das cores da superfície constantemente, distinguindo a arena (cor preta) e a faixa de limite (cor branca) enviando esses dados para as entradas do PIC que serão processados dentro de uma rotina computacional pelo programa em Assembly, enviando os dados em forma de bytes aos motores no qual irá definir o sentido de rotação (tabela 3.2) contrário da direção dos sensores que foram ativados para garantir sua permanência dentro da arena, ou seja, quando os Sensores ópticos de trás (SOT) foram ativados no momento em que detectar a faixa de limite da arena o sentido da rotação do motor será horário e assim vice-versa para os Sensores ópticos da frente (SOF). 47 Três sensores fotoelétricos (sensores industriais) estão posicionados na parte frontal, lateral esquerda e lateral direita do robô, responsáveis pela localização do adversário. No momento da ativação destes sensores irá acionar uma função de ataque, está função irá enviar dados aos motores para girar no sentido da posição onde se encontra o adversário a fim de empurrá-lo para fora da arena. Se nenhum destes sensores (ópticos e industriais) forem ativados, uma função de busca contendo uma rotina computacional irá ser executada para procurar o adversário sem sair da arena. Além da parte mecânica que exige regras na construção do robô, na programação também há exigências para poder participar de uma batalha. Na programação do robô no momento em que ele estiver na arena, deverá ter um atraso (delay) de 05 segundos para dá início ao conflito. Após esse delay, o robô terá quer permanecer ativo durante 90 segundos. Este algoritmo do programa está representado no fluxograma abaixo, conforme a figura 3.10: 48 Figura 3.10 - Fluxograma do algoritmo 3.3.2Codificando o programa Após ter desenvolvido o algoritmo, o programa foi codificado em Linguagem de Programação Assembly, uma linguagem conhecido como “Linguagem de Máquina” devido sua complexibilidade e gravado posteriormente por meio de um gravador e um software chamado WinPic 800. Para sua codificação foi preciso conhecer as instruções, contadores, registradores e formas de interrupção desta linguagem de programação. Primeiramente, é necessário conhecer as funções e comandos de envio e recebimento de dados do microcontrolador além de sua pinagem. Para os sensores ópticos da frente 49 (SOF) foi utilizado o pino 6, os de trás (SOT) o pino 7, para o sensor industrial esquerdo (SIE) o pino 1. o sensor industrial direito (SID) o pino 2 e o sensor industrial frente (SIF) o pino 18. A saída dos dados para os motores foram através dos pinos 10,11,12,13. Esses pinos de entrada e saída estão ilustrados na imagem abaixo: Figura 3.11 – Pinagem do PIC Na função de busca, encontra-se a locomoção do robô sem nenhum sensor óptico acionado ou somente se os sensores industriais (SI) estiverem ativados. O delay de 05 seg. e o tempo de 90 seg. foram feitos através da decrementação de contadores, feito por meio da quantidades de ciclos e a freqüência do cristal de 4MHz. O código-fonte desta versão final se encontra em anexo. 4. CRONOGRAMA DAS ATIVIDADES EXECUTADAS Cronograma de Atividades Meses de 2008 Agosto Pesquisa de preços de X de todos os Setembro Outubro Novembro Dezembro materiais Compra X X materiais necessários Testes de avaliação e X X 50 funcionamento do primeiro circuito, primeiro programa na estrutura inicial. Testes de avaliação e X funcionamento do segundo circuito na placa universal, aprimoramento do programa e da estrutura Finalização do circuito na X placa virgem, do programa e da estrutura. Projeto completo Participação no III Campeonato Baiano de X Sumo de Robô 5. ORÇAMENTO Material Quantidades Preço unitário (R$) Subtotal (R$) Barra p/ placa 1 20,00 20,00 Borne 2 1,50 3,00 Cabo Flat 1 6,00 6,00 Caixa p/ circuito 1 1,20 1,20 Camisa 4 2,00 8,00 Capacitor 100 2 1,50 3,00 Capacitor 1000 4 2,50 10,00 Chave on/off 4 2,00 8,00 Diodo 10 0,15 1,50 51 Frete 3 1,27 3,81 LED 4 0,50 2,00 Papel p/ placa 2 2,50 5,00 Pincel de 1/2 1 16,00 16,00 Placa 30 x 30 1 1,00 1,00 Placa ilhada 1 1,50 1,50 Regulador 7805 1 0,50 0,50 Resistor 10 1,50 15,00 Soquete 1 20,00 20,00 TIL 111 6 13,33 80,00 Verniz p/ placa 2 4,00 8,00 Sensor Industrial 3 157,00 471,00 Chapa de Alumínio 1 m 1 57,00 57,00 Esteira com engrenagem 2 25,00 50,00 Par de rodas 1 13,00 13,00 Brocas 1 18,00 18,00 Parafuso sem-fim 2 m 1 4,00 4,00 Porca Sextavada 1 5,00 5,00 1 17,00 17,00 1 50,00 50,00 1 8,00 8,00 2 8,00 16,00 -- -- R$ 922,51 Perfil de alúminio Tarugo de Naylon Parafuso sem fim 5m Bateria de 9V TOTAL (R$) 52 6. PLANO DE MARKETING A fim de divulgar o projeto, foi criado um blog onde é postado todos os avanços semanais dos projetos, é colocado fotos, vídeos, e à uma troca constante de mensagens e informações, ainda curiosidades sobre tecnologias entre outras atividades. O nosso endereço virtual é http://grupoderoboticamaverick.blogspot.com/ 7. CONCLUSÃO O projeto do robô de sumô permitiu desenvolver todos os objetivos propostos que foram realizados, exigindo conhecimentos teóricos e práticos fundamentais para à aplicação da robótica autônoma na modalidade de sumô de robô. 8. BIBLIOGRAFIA 8.1 Sites http://www.bosch.com.br/br/mundobosch/revista/materia_mar29_01.htm http://www.boschmotorsandcontrols.co.uk/elektromotoren/suche/bestellnummer n.htm http://www.engprod.ufjf.br/epd_automacao/EPD030_Sensores.pdf www.ee.pucrs.br/~gcem/imagens/Sensores.pdf http://www.dee.feb.unesp.br/~marcelo/robotica/Robot9.htm www.societyofrobot.com www.sumoderobo.org.br www.robocore.com.br www.roboticaaplicada.zip.net www.wikipedia.org http://www.fisica.ufs.br/CorpoDocente/egsantana/dinamica/rozamiento/dinamic o/dinamico.htm 53 http://www.cepa.if.usp.br/efisica/mecanica/ensinomedio/experimentos/cap19/cap19_05.php www.laercio.com.br 8.2 Livros CALLISTER JUNIOR, Willian D. Ciência e engenharia de materiais: uma. introdução. 5. ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Braga, C Newton. Eletrônica básica para mecatrônica, / Newton C. Braga. -- 1. ed. -- São Paulo : Editora Saber, 2005. 8.3 Datasheets Motores Bosch de vidro elétrico Driver de potência (UNL 2003) Microcontolador PIC 16F628A 9. ANEXOS ALGORITMO DO PROGRAMA #INCLUDE<P16F628A.INC> ;Inclusão da biblioteca referente ao PIC 16F628A ;Este programa implementa o teste da ponte de relés para inversão dos motores ;Este programa implementa timer de 1,5 minuto para fim do combate (uso de interrupção por timer) ;Se SIF em nível 1 (sensor frente) robô vai para frente ;Se SIE em nível 1 (sensor esquerda) robô vai para esquerda ;Se SID em nível 1 (sensor direita) robô vai para direita ;Se SBFE em nível 1 (sensor borda frente esquerda) robô vai para tras ;Se SBFD em nível 1 (sensor borda frente direita) robô vai para tras ;Se SBTE em nível 1 (sensor borda trás esquerda) robô vai para frente ;Se SBTD em nível 1 (sensor borda trás direita) robô vai para frente 54 ;__CONFIG _WDT_OFF & _INTRC_OSC_NOCLKOUT & _MCLRE_OFF & _LVP_OFF ;Configurando: Watch Dog Desligado, Oscilador Interno e Master Clear Desligado __CONFIG _WDT_OFF & _XT_OSC & _MCLRE_OFF & _LVP_OFF & _BOREN_OFF & _PWRTE_OFF & _DATA_CP_OFF & _CP_OFF ;Configurando: Watch Dog Desligado, Oscilador Interno e Master Clear Desligado CBLOCK 0x20 ; ENDEREÇO INICIAL DA MEMÓRIA DE USUÁRIO cSTART ; Posição 0x20 na memória declaração de variável auxiliar usada para saber para onde ir no inicio do combate TEMPO1 ;VARIAVEL USADA PARA CONTAR 1.32 SEGUNDOS TEMPO2 ;MULTIPLICADOR DE TEMPO 1 EM 68 VEZES P/ FORMAR 90 SEGUNDOS TEMPO3 ;MULTIPLICADOR DE 25 VEZES 0.2 SEGUNDOS = 5 SEGUNDOS ENDC #DEFINE BANK0 BCF STATUS,RP0 ; SETA Banco 0 DE MEMORIA #DEFINE BANK1 BSF STATUS,RP0 ; SETA Banco 1 DE MEMORIA #DEFINE #DEFINE ME_1 PORTB,4 ME_2 PORTB,5 ; Bit1 do motor esquerda (Pino 10) ; Bit2 do motor esquerda (Pino 11) #DEFINE #DEFINE MD_1 PORTB,6 MD_2 PORTB,7 ; Bit1 do motor direita (Pino 12) ; Bit1 do motor direita (Pino 13) #DEFINE #DEFINE #DEFINE SIF SIE SID PORTA,1 PORTA,2 PORTA,3 ; Sensor Frente (Pino 18) ; Sensor Esquerda (Pino 1) ; Sensor Direita (Pino 2) #DEFINE #DEFINE #DEFINE #DEFINE SBFE SBTE SBFD SBTD PORTB,0 PORTB,1 PORTB,2 PORTB,3 ; Sensor Frente Esquerda (Pino 6) ; Sensor Tras Esquerda (Pino 7) ; Sensor Frente Esquerda (Pino 8) ; Sensor Tras Direita (Pino 9) ORG 0x00 GOTO INICIO Rotina INICIO ; Endereço inicial da Memória ; Direciona o ponteiro de execução para a Sub- ;Contagem de 1,5 minutos para fim de combate é executada por interrupção de timer ORG 0x04 ; Tratamento de interrupção CALL TIMER1 BCF INTCON, T0IF ; Desabilita (Seta 0) flag de Timmer0 (T0IF) BSF INTCON, GIE ; Habilita (Seta 1) Interrupção Geral (GIE) 55 RETFIE ;--------------------INICIO DO PROGRAMA--------------------------------INICIO CLRF PORTA CLRF PORTB ; Rotina de configuração do PIC ; Limpa a Porta A ; Limpa a Porta B BANK1 ; Seta Banco 1 Ativo MOVLW B'00001111' ; Move para o WORK o byte MOVWF TRISB ; Move W p/ TRIS Byte de configuração com o Pino 0, 1, 2 e 3 como entrada e demais como saída MOVLW B'11111111' ; Move para o WORK o byte MOVWF TRISA ; Move W p/ TRIS Byte de configuração com o Pino 0 e 1 como entrada e demais como saída MOVLW B'10000111' ;CONFIGURA TIMER 0 PARA PRESCALER DE 1/256 MOVWF OPTION_REG ;MOVLW B'00000001' ;MOVWF PIE1 ; Configura Peripheral Interrupt enable bit BANK0 ; Seta Banco 0 Ativo MOVLW B'00000111' ; Passa o Byte para o Work MOVWF CMCON ; Desabilita os comparadores no registrador CMCON MOVLW B'00000000'; Dasabilita todas as interrucoes BIT: 7INTERRUPÇÃO Geral, 5-TIMMER, 2-Flag Timmer MOVWF INTCON ; Move o byte de configuração do Work para o registrador INTCON MOVLW D'5' ;Ver documento .xls com descritivo de calculos relacionados a atribuicao de variaveis de timer MOVWF TEMPO2 MOVLW D'255' MOVWF TEMPO1 CLRF PORTA CLRF PORTB ; Limpa a Porta A ; Limpa a Porta B CLRF cSTART ; Zera cSTART variável auxiliar usada para saber para onde ir no inicio do combate ;--------------------PROGRAMA INICIAL----------------------------------------- 56 BTFSC SIF ; Se Sensor industrial frente em nível 1 então frente BSF cSTART,0 BTFSC SIE esquerda BSF cSTART,2 BTFSC SID direita BSF cSTART,3 ; Se Sensor industrial esquerda em nível 1 então ; Se Sensor industrial direita em nível 1 então MOVLW D'25' ;CARREGA 25 DECIMAL EM MULTIPLICADOR DE 0,2 SEGUNDOS MOVWF TEMPO3 ; CALL ATRASO START BTFSC cSTART,0 então frente GOTO FRENTE BTFSC cSTART,2 1 então esquerda GOTO ESQUERDA BTFSC cSTART,3 então direita GOTO DIREITA GOTO FRENTE vai para frente TIMER MOVLW D'255' MOVWF TEMPO1 RETURN ;CHAMA 5 SEGUNDOS ; Se Sensor industrial frente em nível 1 ; Se Sensor industrial esquerda em nível ; Se Sensor industrial direita em nível 1 ; Se nenhum sensor ativado previamente entao ;RECARREGA VARIAVEL TIMER1 DECFSZ TEMPO1 ;DECREMENTA VARIAVEL TEMPO RETURN ;SE IGUALL 0, RETORNE AO VETOR INTERRUPCAO CALL TIMER ;TEMPO1 DESCARREGADO, POREM TEMPO2 DIFERENTE DE 0 DECFSZ TEMPO2 ;SENAO DECREMENTE TEMPO2 RETURN GOTO FIM ;CASO TEMPO2 TERMINADO, FINALIZE O COMBATE ;ESTOURO DE 90 SEGUNDOS MAIN NOP 57 BSF INTCON, GIE ; Habilita Interrupção Geral BSF INTCON, T0IE ; Habilita Interrupção Timmer0 ;Teste de sensores de borda BTFSC SBFE então trás GOTO TRAS BTFSC ; Se Sensor borda frente esquerda em nível 1 ; Chama função trás SBFD ; Se Sensor borda frente direita em nível 1 então trás GOTO TRAS BTFSC SBTE então frente GOTO FRENTE BTFSC ; Se Sensor borda trás esquerda em nível 1 ; Chama função frente SBTD ; Se Sensor borda trás direita em nível 1 então frente GOTO FRENTE ;Teste de sensores de oponente BTFSC SIF frente GOTO FRENTE BTFSC SIE esquerda GOTO ESQUERDA BTFSC SID ; Se Sensor industrial frente em nível 1 então ; Se Sensor industrial esquerda em nível 1 então ; Se Sensor industrial direita em nível 1 então direita GOTO DIREITA GOTO MAIN ; Retorna ao loop principal FIM CLRF PORTB COMBATE GOTO FIM ;ZERA TODAS AS SAIDAS E PARA O ;LOOP INFINITO FRENTE ;ME=0,1 MD=0,1 BCF ME_1 BCF MD_1 BSF ME_2 NOP ; Atribui valor nível 1 ao bit 58 BSF MD_2 GOTO MAIN ; Retorna ao loop principal TRAS ;ME=1,0 MD=1,0 BCF ME_2 BCF MD_2 BSF ME_1 NOP BSF MD_1 GOTO MAIN ESQUERDA ;ME=1,0 MD=0,1 BCF ME_2 BCF MD_1 BSF ME_1 NOP BSF MD_2 GOTO MAIN DIREITA ;ME=0,1 MD=1,0 BCF ME_1 BCF MD_2 BSF ME_2 NOP BSF MD_1 GOTO MAIN ATRASO MOVLW D'255' MOVWF TMR1H ATRASO1 MOVLW D'255' TIMER1 MOVWF TMR1L ATRASO2 DECFSZ TMR1L GOTO ATRASO2 ZERO ;FUNCAO DE ATRASO 5 SEGUNDOS ;MOVE 255 PARA PARTE ALTA DE TIMER1 ;MOVE 255 PARA PARTE BAIXA DO ;DECREMENTA TIMER1 LOW ;VA PARA ATRASO2 SE DIFERENTE DE 59 DECFSZ TMR1H ;SENAO DECREMENTE TIMER1 HIGH GOTO ATRASO1 ;SE DIFERENTE DE 0, RECARREGUE TIMER1 LOW DECFSZ TEMPO3 ;SENAO DECREMENTE VARIAVEL TEMPO3 GOTO ATRASO ;SE DIFERENTE DE ZERO, RECARREGUE TIMER1 LOW AND HIGH GOTO START ;----------------------------- fim do programa ---------------------------------end 60