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Introducao Mitologica

Teseu era um heroi grego, filho de Egeu, rei de Atenas, e de Etra, filha do reide Trezena. A mitologia grega relata que Teseu era um semi-deus, filho de Poseidon. Suahistoria comeca quando Egeu se apaixona por Etra e a engravida. Porem Egeu retorna aAtenas, e deixa Etra ainda gravida. No entanto, Egeu deixou suas sandalias e sua espadaembaixo de uma pedra, para que, quando Teseu atingisse a maioridade ele removesse apedra do lugar, apanhasse os objetos, e o encontrasse em Atenas.

E assim Teseu o fez. A historia nos conta que Teseu, ao se dirigir para Atenas,buscava fama, e por isso tomou a estrada de terra, sendo este o caminho mais perigoso.O primeiro desafio de Teseu foi Perifetes, um salteador poderoso. Teseu o venceu e tomouo seu bastao de ferro. Porem alem de outros tiranos, derrotou Procrusto, o mais difıcildeles. Procrusto amarrava suas vıtimas em sua cama de ferro. Se a vıtima fosse menorque o tamanho da cama, ele as esticava ate que ficasse do tamanho certo, e caso a vıtimafosse maior, o tirano cortava algumas partes ate que ela se encaixasse na cama.

Enquanto Teseu percorria seu caminho ate Atenas, Medeia, feiticeira e esposade Egeu, revelou a verdadeira identidade de Teseu atraves de suas magias, e manipulouEgeu a envenena-lo ao chegar a Atenas, no entanto, quando Teseu chegou a Atenas, Egeureconheceu sua espada, e aceitou Teseu como seu filho herdeiro. Medeia temendo umgrande castigo, fugiu.

Naquela epoca, Atenas estava sendo obrigada a pagar tributos a Creta, cujorei era Minos. O tributo consistia em enviar 7 rapazes e 7 mocas para que alimentassemo Minotauro, monstro com corpo de homem e cabeca de touro, que vivia em um labirintodo qual nunca ninguem conseguiu sair. Diz a historia que Teseu se infiltrou no meio dos7 rapazes, e que ele havia treinado mais 2 homens com um jeito afeminado e que estes 2rapazes se disfarcaram no meio das mocas, uma vez que os homens entravam antes dasmulheres no labirinto.

Ao chegar na ilha de Creta, Ariadne, filha do rei Minos, se apaixonou por Teseu,e o entregou uma espada e um novelo de linha para que Teseu tivesse como encontrar ocaminho de volta do labirinto.

Teseu entao, entrou no labirinto, derrotou o monstro, salvou seus companhei-ros, e libertou Atenas do tributo a Creta.

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Resumo

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um prototipo de robo movelcom rodas, apaz de se locomover de forma autonoma dentro de um labirinto qualquer semcolidir. Primariamente, tinha como objetivo encontrar a saıda de um labirinto qualquer,no entanto este objetivo nao foi alcancado devido a problemas relatados nesta monografia.Para isto foram utilizados motores de corrente contınua com caixas de reducao e umcircuito integrado (implementando pontes H) para locomocao, sensores por infravermelhopara determinacao da presenca de obstaculos, e o Arduino para processar as informacoesadquiridas dos sensores e controlar a movimentacao do robo.

Palavras-chaves: Labirinto, Arduino, Sensores Infravermelho, Motor com caixade reducao, ponte H.

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Abstract

This work presents the development a mobile robot prototype, capable to moveautonomously inside any kind of maze, without bumping. The main objective was to findthe exit of any kind of maze, however this objective was not reached, due to problemsrelated in this document. The prototype uses DC motors with reduction boxes andan integrated circuit (H bridge) to control the movement of the motors, and infra-redsensors to infer the presence of obstacles. The Arduino control board is responsible forthe processing of the data received from the sensors, and control of the robot’s movement.

Keywords: Maze, Arduino, Infra-red Sensor, Motor with reduction box, Hbridge.

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Lista de Figuras

1 Placa do Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Foto do sensor SHARP GP2Y0A02 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Esquema de funcionamento do Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Esquema de um rele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Esquema de um motor cc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 Esquema de uma ponte H. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Robo visto de baixo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Robo visto de cima. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1410 Diagrama de Blocos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1511 Matriz de posicoes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1612 Bracadeiras utilizadas na fixacao dos motores. . . . . . . . . . . . . . . . . 1713 Rodas de aeromodelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1814 Esquema Ponte H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1915 Vistas da shield. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2016 Vistas do robo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2017 Circuito responsavel pelas baterias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2118 Testes com e sem o labirinto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

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Sumario

1 Introducao 6

2 Objetivos 7

2.1 Objetivo Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2 Objetivos Especıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3 Fundamentacao Teorica 8

3.1 Fısica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.1.1 Corrente Eletrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3.2 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.2.1 Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.2.2 Sensor por infravermelho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.2.3 Reles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.2.4 Caixa de Reducao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.2.5 Motor de Corrente Contınua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.2.6 Ponte H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.2.7 Pulse Width Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4 Metodologia 14

4.1 Construcao da Parte Estrutural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144.2 Construcao da parte eletronica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154.3 Construcao do software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

5 Desenvolvimento 17

5.1 Estrutura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175.2 Eletronica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

5.2.1 Shield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185.2.2 Chave de energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

6 Conclusao 28

Bibliografia 29

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1 Introducao

Este trabalho apresenta os passos que foram realizados para construir um roboque e capaz de se movimentar dentro de um labirinto qualquer, com qualquer posicaoinicial dentro do labirinto. A inteligencia do robo nao foi implementada, ele e capaz de sairde um labirinto, no entanto utilizando o metodo da tentativa e erro. O trabalho apresentainicialmente os objetivos, e em seguida a metodologia utilizada para a montagem da parteeletronica envolvida, a estrutura do carrinho, bem como a dos componentes eletronicos,e a logica do software que, processado pelo Arduino[1], sera o responsavel pela direcaodo carrinho e pelo caminho de saıda do labirinto. Para a locomocao serao utilizadosdois motores de corrente contınua, com caixas de reducao para aumentar o seu torque.Alem dos motores, serao utilizados circuitos capazes de inverter o seu sentido de rotacao(ponte H), e variando a velocidade dos mesmos. Para a localizacao, serao utilizadosquatro sensores de distancia por infravermelho. O Arduino sera utilizado para controlaro sistema.

O trabalho e relacionado com o mito de Teseu, pois temos como objetivoencontrar a saıda do labirinto, qualquer seja seu formato. Teseu fez uso do novelo delinha para nao se perder, o nosso robo nao sabe o caminho percorrido, nem e inteligente,porem consegue encontrar a saıda do labirinto.

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2 Objetivos

2.1 Objetivo Geral

Atendendo ao intuito da materia de Oficina de Integracao 2 do curso de En-genharia de Computacao da UTFPR que e a utilizacao e entendimento de um sistemautilizando sensores, o nosso objetivo e construir um robo capaz de achar a saıda em umlabirinti qualquer de forma inteligente, atraves da percepcao das paredes por meio desensores de distancia por infravermelho.Este objetivo no entanto nao foi completamentealcancado, como sera tratado nesta monografia.

2.2 Objetivos Especıficos

• Aprender sobre o funcionamento da ponte H e a utilizacao do CI L298N;

• Aprender sobre o funcionamento e a utilizacao do Pulse Widht Modulation(italico)(PWM) gerado via Arduıno;

• Aprenser a utilizar motores eletricos de alimentacao de 5V;

• Aprender a utilizar sensores por infravermelho (SHARP 2Y0A02) manipulados peloArduino;

• Aprender sobre e utilizar o Arduino para integrar os topicos acima em um sistemafuncional.

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3 Fundamentacao Teorica

Para viabilizar o projeto e necessario uma plataforma de processamento levequanto ao peso e de facil manuseio. Por essas razoes foi decidido que o projeto seradesenvolvido em um sistema microprocessado. Sistemas microprocessados dividem-se ba-sicamente em hardware e software. O hardware e constituıdo dos componentes fısicosdo sistema (dispositivos eletronicos) e o software e constituıdo dos componentes logicos(programas e dados).

3.1 Fısica

Para entendimento dessa monografia, serao explicados alguns conceitos fısicos.Pois posteriormente esse conceitos serao utilizados para explicar alguns componentes doprojeto .

3.1.1 Corrente Eletrica

Todo corpo e constituıdo por atomos. Esses atomos sao compostos por variasoutras partıculas menores. Podemos citar principalmente por protons e eletrons. Osprotons tem carga positiva e, comparados com os eletrons, uma massa muito grande. Oseletrons, ao contrario dos protons, sao providos de carga negativa e sao leves. Para existircorrente eletrica deve existir um fluxo lıquido dessas cargas.

Para exemplificar, considere-se o exemplo de um fio de cobre isolado. Os ele-trons existentes nesse fio de cobre estao em movimento aleatorio com velocidades escalaresda ordem de 106m/s. Porem se passarmos um plano hipotetico atraves do fio, os eletronspassarao atraves dele em ambos os sentidos numa taxa de muitos bilhoes por segundo[3].Por isso nao ha um fluxo lıquido de cargas e assim nao ha corrente. Para que a correnteexista e necessario o movimento de eletrons, mas apenas o movimento nao e suficiente.E necessario tambem que esse movimento esteja ordenado, afim de existir um fluxo lı-quido de cargas. Se ligarmos uma bateria as extremidades do fio, isso fara com que oseletrons se movimentem de forma ordenada e entao teremos efetivamente uma correnteeletrica. Tambem e necessario analisar se esse fluxo e mesmo um fluxo lıquido de cargas.No exemplo do fio de cobre o fluxo e lıquido, pois apenas os eletrons se movem. Porem sefor tomado uma mangueira de agua como exemplo, existe fluxo de cargas por dentro datorneira e esse e ordenado, mas existe tambem um fluxo positivo de cargas (os protons)que acaba anulando o fluxo negativo de cargas. Por isso nao existe corrente eletrica poisnao ha um fluxo lıquido de cargas.

Quanto mais carga passar por um plano, mais forte sera a corrente. Assimpodemos equacionar a corrente(i) como sendo a quantidade de carga efetiva que passanuma determinada seccao por unidade de tempo:

i =dq

dt

3.2 Hardware

3.2.1 Arduino

Para microprocessar o projeto sera utilizado o Arduino [1] (figura 1). O Ar-duino e uma plataforma livre (licenciada atraves da Creative Commons [4]) baseada na

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flexibilidade e na facil utilizacao tanto do software quanto do hardware. A concepcao deuso do Arduino foi, inicialmente, para designers e artistas. Porem, gracas a sua facili-dade de uso, esta sendo empregado no ensino de eletronica pois possibilita que alunossem conhecimento avancado de microprocessadores possam utiliza-lo para viabilizar seusprojetos.

Os idealizadores e responsaveis por essa plataforma sao Massimo Banzi, DavidCuartielles, Tom Igoe, Gianluca Martino e David Mellis. O Arduino e constituıdo porum circuito e um microcontrolador que utiliza entradas e saıdas digitais e analogicas paracomunicacao. Sua linguagem de programacao e uma implementacao do Wiring[5].

O Arduino pode receber informacoes de uma variedade de sensores e podeinteragir com o ambiente, controlando luzes, motores e outros atuadores[6]. No caso desteprojeto, o Arduino ira receber informacoes dos sensores por infravermelho, processa-lase transmitir uma resposta para os motores de corrente contınua. Utilizando-se de umaanalogia com o corpo humano, podemos dizer que o Arduıno sera o cerebro do nossoprojeto.

Figura 1: Placa do Arduino. fonte: Site Arduino[1]

3.2.2 Sensor por infravermelho

O sensor que sera utilizado no projeto e o SHARP 2Y0A02 (figura 2) [7]. Umsensor infravermelho e composto por um diodo laser(LED), um fotorreceptor e um circuitode controle(figura 3a). O princıpio de funcionamento de um sensor por infravermelho e atriangulacao. O fotodiodo emite um feixe de luz (nesse caso, um feixe infravermelho) quereflete no obstaculo e incide no fotorreceptor. Esse fotorreceptor e composto na verdadepor varios fotodiodos, entao o circuito de controle fornece uma resposta, que e uma tensao,que depende dos fotodiodos atingidos (figura 3b). Esse fotorreceptor recebe o nome dePSD(Position Sensing Device - Dispositivo de Monitoramento de Posicao) [8]. Essa tensaopode ser comparada com uma curva disponibilizada pelo fabricante do sensor [7]. Assimtorna-se possıvel descobrir a que distancia o sensor esta do objeto que reflete o feixe.

A funcao do sensor sera de averiguar a existencia da parede do labirinto. Paraisso sera definida uma faixa de valores para a resposta do sensor, sendo que nessa faixasera considerada a existencia da parede. Isso acarretara algumas padronizacoes a seremfeitas sobre o labirinto.

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Figura 2: Foto do sensor SHARP GP2Y0A02. fonte:http://www.robotev.com/product info.php?cPath=1 29&products id=161

[7]

(a) Sensor em funcinamento (b) PSD

Figura 3: Esquema de funcionamento do Sensor. fonte: Fernando Patsko[8]

3.2.3 Reles

Os reles sao dispositivos que servem como chaves eletromecanicas. Proximo auma bobina e preso um contato de metal com a finalidade de abrir e fechar um jogo de ter-minais (figura 4). Quando uma corrente passa pela bobina ela cria um campo magnetico,que e responsavel por movimentar o contato de metal e liga-lo a outro terminal. Quandoa corrente que passa pela bobina cessa, o campo magnetico tambem e interrompido e ocontato de metal volta a sua posicao original.

3.2.4 Caixa de Reducao

A caixa de reducao e um dispositivo composto por engrenagens, que e respon-savel por reduzir a velocidade angular do movimento de rotacao dos motores para quesejam transferidos aos eixos de tracao. Nos automoveis sao as famosas caixas de marcha oucaixas de cambio. Ela e composta de uma serie de engrenagens que transferem a rotacaode uma engrenagem pequena para uma grande a fim de aumentar o torque. Um exemplocomum de mecanismo de reducao sao as coroas da bicicleta. Quanto maior a coroa maiora forca que o ciclista faz. Consequentemente diminui a velocidade angular mas aumenta otorque, quanto menor a coroa menor a forca que o ciclista faz. Consequentemente aumenta

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Figura 4: Esquema de um rele. fonte: Site Metaltex[9]

a velocidade mas diminui o torque.

3.2.5 Motor de Corrente Contınua

O Motor de Corrente Contınua (CC) (figura 5), sera responsavel por transfor-mar energia eletrica em energia mecanica. Quando e aplicada uma diferenca de potencialnos terminais do motor, surge uma corrente I no eixo do motor. Consequentemente e cri-ado um campo magnetico B entre as placas existentes no interior do motor. Esse campofaz com que o eixo do motor gire num sentido desejado, gracas ao surgimento de uma forcaF perpendicular ao campo e a corrente e e gerado um torque como resposta do sistema.Esse efeito e denominado Lei da Forca de Lorentz F = iL ∗ B[10]. Esse torque faz comque o eixo do motor gire no sentido desejado.

Figura 5: Esquema de um motor cc. fonte: http://www.vwfusca.net

O Motor CC apresenta uma taxa de rotacao muito alta e um torque muitobaixo. Se utilizado desse modo no projeto, provavelmente nao conseguirıamos vencera forca de atrito que sera gerada pela superfıcie em que o robo ira andar, por isso foiempregada uma caixa de reducao afim de aumentar o torque do robo.

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3.2.6 Ponte H

A ponte H e um dispositivo que sera responsavel pelo controle do modulo davelocidade e pela mudanca no sentido de rotacao do motor. Uma ponte H e nada mais queum conjunto de chaves que sao abertas e desligadas a fim de mudar o sentido da corrente.Ao trocar o sentido da corrente, troca-se tambem o sentido de rotacao do motor[11]. Paradar seguimento a explicacao sera utilizado um motor hipotetico que tenha um polo positivoe outro negativo 6. Mantendo fechadas apenas as chaves alta da esquerda e a chave baixada direita, a corrente entra no polo positivo do motor e sai pelo negativo, fazendo com queo motor gire no sentido horario. Caso contrario mantendo fechadas apenas as chaves altada direita e baixa da esquerda, a corrente entra no polo negativo do motor e sai pelo polopositivo, fazendo com que o motor gire no sentido anti-horario. A figura 61 exemplifica oque foi dito neste paragrafo.

Para facilitar o projeto, foi optado por uma ponte H pre-fabricada na formade um circuito integrado. Seria possıvel a montagem de uma ponte H com componentesdiscretos, porem a incompatibilidade com o tamanho e o tempo escasso fazem com que amelhor escolha seja a compra de uma pronta. Adotamos o circuito L298N. Este circuitopossui em seu interior duas pontes H, sendo que cada uma sera utilizada para controlarum dos dois motores deste projeto. Alem das pontes H, com esse circuito e possıvel autilizacao de PWM (Pulse Width Modulation), para controlar a velocidade do motor.

(a) Ponte H (b) Corrente no sentido nor-mal

(c) Corrente no sentido in-verso

Figura 6: Esquema de uma ponte H.

1Todas as figuras que nao contem fonte sao de autoria propria deste projeto.

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3.2.7 Pulse Width Modulation

Para controlar a velocidade do motor, as chaves da Ponte H sao fechadas eabertas com diferentes constantes de tempo. Essa tecnica e chamada de pulse-width mo-

dulation (traducao livre, modulacao por largura de pulso). Quando ha grande dificuldadeem flutuar a tensao e utilizada essa tecnica. Mantendo a tensao em 5V por um perıodode tempo (ton) e um perıodo de tempo em 0V (toff), sendo que a soma de ambos ostempos caracteriza o perıodo (figura 7). Com isso podemos oscilar a tensao para um valordesejado entre 5V e 2.5V. Ha um agravante quando deseja-se manter a tensao abaixo de2.5V, pois a forca do motor fica muito baixa, nao conseguindo vencer o atrito, e o motornao arranca.

V =Valta ∗ ton

(ton + toff )

Figura 7: PWM. fonte:http://www.micromouseinfo.com/introduction/dcmotors.html

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4 Metodologia

O desenvolvimento do projeto foi divido em tres partes: construcao da parteestrutural, construcao da parte eletronica e por final desenvolvimento do software.

4.1 Construcao da Parte Estrutural

Para a base do robo utilizamos uma placa de acrılico. Nessa base foram presosdois motores a fim de movimentar a placa. Nos motores foram presas rodas e na placa foicolocada uma terceira roda para equilibrar. A figura 8 mostra um esquema simplificadoda base vista de baixo para cima.

Figura 8: Robo visto de baixo.

Na placa de acrılico foram acoplados quatro sensores de distancia, um paracada direcao, e em cima ficara o Arduino conectado aos sensores, o qual fara a analisedos sinais recebidos atraves de um software instalado em seu microcontrolador. A figura9 mostra um esquema simplificado da base vista de cima para baixo.

Figura 9: Robo visto de cima.

Para ligar o Arduino aos sensores foi usado um protoboard e um circuito inte-grado serve de ponte H, para inverter o sentido da corrente nos motores. Para alimentaros motores e o Arduino foi colocado um suporte para as pilhas em cima da base de acrılico.

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O deslocamento linear do robo se dara por meio da rotacao de ambos os motoresno mesmo sentido e na mesma velocidade (tanto para frente quanto para tras) e para orobo girar , a rotacao dos motores deve ser na mesma velocidade mas com sentidos opostos,para que o robo gire em torno do proprio eixo. Neste caso o deslocamento sera nulo oumuito baixo. Os motores tem caixa de reducao pois giram a 2600 rpm cada um,issosignifica que eles giram muito rapido, mas com um torque muito baixo, o qual nao esuficiente pra movimentar o robo direito fazendo com que ele derrape mais do que semovimente, com a caixa de reducao embutida no motor, aumenta-se o torque e reduz-seo numero de giros, podendo entao se movimentar melhor.

4.2 Construcao da parte eletronica

A parte eletronica do robo e composta de quatro sensores de distancia, Arduino,circuito integrado L298N (ponte H), dois motores CC de 2600rpm com caixas de reducao,e uma fonte de 5V. Para esquematizar o sistema segue um diagrama de blocos: (figura10)

Figura 10: Diagrama de Blocos

Os sensores captarao a distancia entre o robo e as paredes do labirinto, masessa captacao ocorre apenas em uma determinada faixa de distancia que e entre 5cm e10cm, dependendo das dimensoes do labirinto. Essa faixa de distancia existe para ajudara mapear mais precisamente o labirinto, impedindo assim o robo de confundir paredesmais proximas com paredes mais distantes. Essas informacoes sao passadas ao Arduino,que atraves do software marca a posicao da parede, e a posicoes em que ele esta e poronde ele ja passou, isso determinara a direcao em que ele se movimentara. A ponte Hserve para fazer o robo girar e andar.

A ponte H portanto e quem interfaceia o Arduino com os motores. Sera utili-zada uma bateria padrao de 9 volts para alimentar o Arduino . Para alimentar os motores(que demandam 5 volts), serao utilizadas 4 baterias recarregaveis formato AA (1.2 voltscada, totalizando 4,8 volts em plena carga).

4.3 Construcao do software

Sera utilizado o ambiente Arduino (que trabalha com linguagem C e C++)para desenvolver um algoritmo que e mandado para o microcontrolador do Arduino eexecutado quando o sistema e ligado. Esse algoritmo consiste em criar uma matriz que

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de certo modo mapeia a area por onde passa o robo. Inicia-se o codigo com uma matrizde tamanho 3x3 e a posicao central e onde se encontra o robo inicialmente. Logo eidentificada a presenca, ou nao, de paredes na frente, atras e dos lados da posicao do roboatraves dos sensores. A posicao do robo e marcada com o numero 2 na matriz, e a posicaodas paredes e marcada com o numero 1. O que ainda nao e conhecido e definido comosendo 0.

Quando o robo decide a direcao a seguir (aleatoriamente ou definida umapreferencia de percurso) e segue em frente, a matriz aumenta para armazenar os novosdados e marca a posicao do robo como sendo 2, identifica as paredes ao redor e as marcacomo 1, e o que nao e conhecido 0. Com excecao do 0, os outros numeros que foramdefinidos nao serao mais modificados, assim o numero 2 vai demarcar todo percurso queo robo fizer. Ver figura 11.

Quando ficar sem saıda (cercado de 1 e 2 na frente e dos lados) o robo deveprocurar o 0 mais proximo na matriz e ir ate sua posicao para tentar sair do labirinto poroutro caminho, isso e repetido ate o robo encontrar a saıda.

Figura 11: Matriz de posicoes

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5 Desenvolvimento

5.1 Estrutura

O material escolhido para o chassi do robo foi o acrılico. Esse material foiescolhido por possuir uma serie de caracterısticas positivas para a construcao de umprototipo. A primeira caracterıstica positiva e a sua densidade, que e leve, nao sendonecessario um esforco grande por parte dos motores para carrega-lo. A segunda e a suaresistencia contra impacto. O acrılico apresenta resistencia de modo que e suficiente paraaguentar os componentes nao rachando ou quebrando. Tambem foi levado em consideracaoo preco. Existem materiais melhores que o acrılico (como algumas ligas metalicas, fibrade carbono) porem o acrılico e acessıvel financeiramente.

Inicialmente foi obtida uma peca de acrılico branco de 40x30 cm. O objetivo eraobter uma peca de aproximadamente 15x15 cm. Esse novo tamanho e ideal para acomodartodos os componentes. Primeiramente foi utilizado uma segueta para cortar o acrılico.Esse metodo se demonstrou ineficiente pois o acrılico quebrava durante o corte que eramuito demorado. Logo apos a segueta foi aquecida. Isso facilitou o corte mas o problemada quebra nao foi solucionado. Como terceira opcao foi utilizada uma furadeira com umabroca para metal de 3 mm de diametro. Com essa furadeira foram feitos pequenos furosmais proximos possıveis em torno da peca, de modo que parecesse um papel picotado.Entao a furadeira foi passada constantemente afim de unir os pequenos buracos. Essatecnica se demonstrou a mais eficaz, pois foi o corte mais rapido e nao danificou o acrılico.

O proximo passo foi a fixacao dos motores. Foram utilizadas bracadeiras decano (figura 12). Com elas os motores foram fixados na parte inferior do robo. Asbracadeiras tiveram que ser bem apertadas para que o motor nao escorregasse enquantoo robo anda. Os dois motores foram fixados na parte de tras. Na frente foi fixado umpedaco de desodorante do tipo roll-on, com o objetivo de se obter uma roda ”boba”quemantivesse o robo em pe mas nao atrapalhasse o andar dele.

Figura 12: Bracadeiras utilizadas na fixacao dos motores.

As rodas sao de aeromodelos (figura 13), sua composicao e borracha. Existemtambem rodas de espuma. Foram escolhidas as de borrachas por provocarem atrito maiorque as de espuma, evitando assim que o robo derrapasse. As rodas tem um diametro de6,5 cm. No meio da roda existe uma estrutura de plastico onde e possıvel a fixacao de umeixo. Em volta dessa estrutura existe um pneu de borracha. Foi utilizada cola de acaorapida para fixacao da roda com o eixo do motor.

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Figura 13: Rodas de aeromodelo.

Os sensores infravermelho foram fixados em pecas menores de acrılico e depoiscolados no chassi. Os sensores continham furos nas suas laterais, por isso foram utilizadosparafusos para fixa-los as pecas menores de acrılico. Essas pecas medem aproximadamente2,5 cm de altura e 5 cm de largura. Para se obter essas pecas da peca inicial de acrılico foiutilizada a mesma tecnica de corte do chassi. Para fixar essa pecas de acrılico ao chassifoi utilizada cola-quente. Dessa mesma maneira foi fixada a chave do circuito que liga orobo.

O microcontrolador (Arduino) tambem contem furos para facilitar a sua fixa-cao. Ele foi posicionado estrategicamente na parte de tras do robo (figura 16) de modoque facilitasse a insercao do cabo USB, utilizado para gravacao do firmware2, e de modoque a shield3 ficasse firme e que fosse facil a insercao dos cabos dos sensores nela. Porcausa dos furos o Arduino foi fixado com parafusos.

Outra vantagem que ainda nao foi citada sobre o acrılico e que ele e um materialque apresenta caracterıstica de isolante eletrico. Isso permitiu que as trilhas do Arduinoentrassem em contado direto com o acrılico, nao tendo perigo de ocorrer curto-circuito.Se fosse utilizado algum tipo de metal como chassi isso nao seria possıvel.

5.2 Eletronica

O projeto contem dois circuitos, um responsavel pela integracao da ponte Hcom o Arduino (shield)e outro responsavel pelo funcionamento das baterias.

5.2.1 Shield

A shield (figura 15) e uma placa perfurada que contem barras de pinos paracolocar em contato com o Arduino. Ela facilita a criacao de um circuito e e mais confiaveldo que a montagem em um protoboard. Uma placa de circuito impresso e mais confiavel,porem como se trata de um prototipo, e comum que se facam alteracoes ao decorrer doprojeto e uma placa de circuito impresso e um produto final no qual nao se faz alteracoes.

O principal componente desse circuito e o circuito L298N. Como dito anteri-ormente, ele e encarregado de controlar os motores. Esse componente e responsavel pelaspontes H e por passar o controle de velocidade feito pelo microprocessador aos motores.

2Firmware e o programa gravado no microcontrolador afim de controlar o robo3A shield e uma placa que contem um circuito, e ela se acopla ao microcontrolador atraves de pinos.

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A ligacao da ponte H foi feita da seguinte maneira: os pinos 1, 8 e 15 foramligados na massa do circuito; o pino 9 foi ligado no vcc (5V) do Arduino; o pino 4 foiligado na bateria encarregada dos motores; um motor foi ligado nos pinos 2 e 3, e o outronos pinos 13 e 14; os pinos encarregados do controle do primeiro motor sao o pino 6 quee o responsavel pelo controle da velocidade (esse pino recebe o PWM) e a ponte H destemotor fica a cabo dos pinos 5 e 7; para o segundo motor o responsavel pela velocidade eo pino 11 e a ponte H os pinos 10 e 12. A figura 14 exemplifica essa ligacao.

O circuito da shield apresenta esse circuito do L298N e tambem a ligacao dossensores. Gracas a barra de pinos que faz a ligacao com o Arduino, nao foi necessariocriar mais algum tipo de fixacao para ela.

Figura 14: Esquema da ponte H. fonte: http://www.owlnet.rice.edu/ elec201/Book/images/L298n2.gif

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(a) Vista de cima da shield. (b) Vista de baixo da shield

Figura 15: Vistas da shield.

(a) Vista de cima do robo. (b) Vista de baixo do robo.

Figura 16: Vistas do robo.

5.2.2 Chave de energia

O circuito responsavel pelo funcionamento das baterias e composto por umachave, um rele e duas baterias (figura 17). Uma bateria alimenta os motores e os sensorese a outra alimenta exclusivamente o Arduino. Foi utilizada uma bateria padrao de 9 voltspara alimentar o Arduino . Para alimentar os motores (que demandam 5 volts), seraoutilizadas 4 baterias recarregaveis formato AA (1.2 volts cada, totalizando 4,8 Volts emplena carga). O rele e responsavel por podermos ligar e desligar as duas baterias comapenas uma chave.

Foi preciso utilizar 4 baterias recarregaveis AA dedicadas aos motores, ao invesda alimentacao fornecida pelo Arduino, pois a corrente eletrica fornecida nao e suficientepara movimenta-los com suas caixas de reducao, ficando apenas o circuito L298N (ponteH) alimentado pelo proprio Arduino.

/sectionSoftware /par A primeira dificuldade foi fazer com que o robo andassereto. Mesmo os motores sendo do mesmo modelo, e aplicando tensoes iguais, os motoresapresentavam velocidades diferentes. Primeiramente foi tentado colocar tensoes diferentesnos motores afim de igualar a velocidade entre eles. Para isso colocamos fitas adesivasde cor branca no chao (figura 18 a), criando assim uma faixa branca para poder ver o

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Figura 17: Circuito responsavel pelas baterias

quanto o robo se distanciava da posicao de inicio. Depois de vinte e cinco testes chegamosa conclusao que tal tecnica nao apresentava um resultado satisfatorio. /par Apos con-versarmos com o orientador do projeto concluımos que a melhor escolha seria utilizar ossensores do robo para fazer uma correcao via software. Para isso construımos um softwareque compara o valor dos sensores laterais e dependendo da resposta diminui ou aumentaa velocidade de uma das rodas afim de concertar o movimento. O robo nao andou reto,mas corrigiu suficientemente sua trajetoria para que conseguisse se locomover dentro dolabirinto sem bater nas paredes laterais. / par Fazendo com que o robo conseguisse selocomover em uma linha reta o proximo objetivo foi fazer com que ele conseguisse virarem uma bifurcacao do labirinto (figura 18 b) e seguisse pelo caminho nao percorrido an-teriormente. Para que conseguıssemos tal feito utilizamos o sensor dianteiro. O programafica recebendo o valor do sensor dianteiro e aguarda ate que ele chegue a um valor predeterminado (no nosso caso esse valor e 300). Quando o sensor fornece tal valor o Arduinoaciona uma rampa de desaceleracao para evitar trancos e diminuir a inducao magneticagerada pelos motores afim de nao danificar a parte eletronica do robo. Apos essa rampade desaceleracao as rodas do robo giram em sentido contrario fazendo com que o robo gireem torno do proprio eixo. O robo fica girando ate que o sensor dianteiro forneca um valorinferior ao pre-estabelecido, quando isso ocorre o robo segue em frente.

/par Com esse software implementado o robo e capaz de sair de um labirintoporem nao ha certeza que isso ira acontecer. Pode ser que o robo fique andando pelo mesmocaminho e nao consiga sair do labirinto. Nesse documento descrevemos uma das tecnicaspensadas pela equipe afim de tornar os passos do robo inteligentes afim de fazer com

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(a) Testes iniciais (b) Testes finais

Figura 18: Testes com e sem o labirinto.

que ele saia do labirinto. A princıpio e necessario garantir que o labirinto seja percorridopor inteiro, isso garante a saıda do labirinto. Nao conseguimos implementar um softwarecapaz disso. A primeira dificuldade foi que a tecnica por nos empregada constituıa nautilizacao de uma matriz. Conforme o labirinto aumente essa matriz estoura a memoriado microcontrolador utilizado (Arduino). Isso impossibilitou a criacao de tal programa.Acreditamos que foi criado a base do software para criacao de tal programa. Ja que o roboexecuta os passos necessarios para saıda do labirinto. O que nao conseguimos foi garantirque esses passos sejam executados de forma que fosse garantido a saıda do labirinto. /parAbaixo segue o codigo utilizado para fazer com que o robo ande reto e consiga virar aoencontrar uma parede a sua frente.

/* Ter 8 Jun 2010

descriminacao dos pinos

Motor 1

Enable 1 -> 3 PWM

Direction A -> 1

Direction B -> 0

Motor 2

Enable 2 -> 6 PWM

Direction A -> 5

Direction B -> 4

*/

int valorFrente;

boolean direita=true;

boolean esquerda=false;

boolean parado=false;

//entrada dos pinos

int enable1 = 3; //PWM

int dirA1 = 1;

22

int dirB1 = 0;

int enable2 = 6; //PWM

int dirA2 = 5;

int dirB2 = 4;

//velocidades

int velA = 110;

int velB = 110;

//leitura dos sensores

int sensorFrente = 0;

int sensorDireita = 3;

int sensorEsquerda = 4;

int sensorTraz = 5;

boolean parada = true;

boolean arrancada = true;

void setup(){

//inicializa os pinos

pinMode(enable1, OUTPUT);

pinMode(dirA1, OUTPUT);

pinMode(dirB1, OUTPUT);

pinMode(enable2, OUTPUT);

pinMode(dirA2, OUTPUT);

pinMode(dirB2, OUTPUT);

//estado inicial indo para frente

analogWrite(enable1, velA);

digitalWrite(dirA1, LOW);

digitalWrite(dirB1, HIGH);

analogWrite(enable2, velB);



//inicializa a serial

//Serial.begin(9600);

}

void loop(){

//delay(300);

//leitura dos sensores

/*

Serial.print("F=");

Serial.print(analogRead(sensorFrente));

Serial.print("\t");

23

Serial.print("D=");

Serial.print(analogRead(sensorDireita));

Serial.print("\t");

Serial.print("E=");

Serial.print(analogRead(sensorEsquerda));

Serial.print("\t");

// Serial.print("T=");

// Serial.print(analogRead(sensorTraz));

Serial.print("\n");*/

//codigo que faz ele andar reto

if(analogRead(sensorDireita)>analogRead(sensorEsquerda)){

analogWrite(enable2,160);

}

if(analogRead(sensorDireita)<analogRead(sensorEsquerda)){


}

if(analogRead(sensorFrente)>500){

while(analogRead(sensorFrente)>200){

analogWrite(enable1, 100);

digitalWrite(dirA1,HIGH);

digitalWrite(dirB1,LOW);




}



delay(2000);


delay(50);

}

}

/*







valorFrente=analogRead(sensorFrente);

24

if(valorFrente<400){



}

delay(10000);*/

/*if(parado){

//direita

delay(3000);

if((direita)&&(parado)){


while(valorFrente<200){



digitalWrite(dirA1,LOW);

digitalWrite(dirB1,HIGH);


digitalWrite(dirA2, HIGH);

digitalWrite(dirB2, LOW);

}



direita=false;

esquerda=true;

parado=false;

arrancada = true;

delay(3000);

}

//esquerda

if((esquerda)&&(parado)){

while(analogRead(sensorFrente)>200){







}



direita=true;

esquerda=false;

parado=false;

delay(3000);

}

}

/*

25

+ if(analogRead(sensorFrente)>500){

if(parada){

rampaD();

parada=!parada;

}



}

*/

//}

/*void virarD(){


digitalWrite(dirA1,LOW);

digitalWrite(dirB1,HIGH);


digitalWrite(dirA2, HIGH);

digitalWrite(dirB2, LOW);

delay(1200);



delay(10000);

}

void virarE(){







delay(1500);



delay(3000);

}*/

int i;

void rampaD(){

for(i=127; i >= 0; i -= 1){

analogWrite(enable1, i);


delay(30);

}

}

void rampaA(){

for(i=64; i <= 127; i += 1){

26



delay(30);

}

}

27

6 Conclusao

O projeto desenvolveu um robo capaz de movimentar-se de maneira autonoma,utilizando sensores para identificar a sua posicao em relacoes aos obstaculos (paredes), osmotores para a sua locomocao, e o Arduino como microprocessador do robo.

Na construcao do robo, optou-se por utilizar o circuito integrado L298N aoinves de construir duas pontes H, pois, alem de possuir as 2 pontes H necessarias, tem umtamanho minimizado em relacao a feita manualmente e seus pinos sao de facil colocacaona shield do microprocessador.

O Arduino ainda possui pinos de saıdas digitais livres, e apenas 1 de entradaanalogica livre, pois foram utilizados 4 dos 5 disponıveis para a leitura dos sensores. Osmotores escolhidos estao superdimensionados, pois nem toda a velocidade fornecida poreles e utilizada. Foi definido que os motores operariam em torno de 70

O material utilizado para montar a base estrutural do Robo supriu todas asnecessidades, sendo suficientemente robusto, e ainda assim permitindo que o tobo man-tivesse sua agilidade. No entanto a equipe gastou tempo demasiado na modelagem daspecas da estrutura, atrasando o resto do cronograma do projeto.

Os sensores por infravermelho possuem caracterısticas nao utilizadas no pro-jeto, pois sua finalidade inicial e a de quantificar a distancia, e no projeto esta foi modi-ficada a fim de apenas identificar a presenca ou ausencia de obstaculos. Desta forma, oobjetivo da disciplina de utilizar sensores foi alcancado.

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Referencias

[1] ARDUINO, Site Oficial. Disponıvel em http://www.arduino.cc Acessado em abril de2010

[2] Hugo Vieira Neto. Microcontroladores. Notas de Aula, DAELN - CEFET-PR, Curi-tiba, Brasil, 2002.

[3] Jearl Walker, David Halliday, Robert Resnick. Fundamentos da Fısica 3 - Eletromag-

netismo. Setima edicao, LTC, 2007..

[4] Creative Commos, Site Oficial. Disponıvel em http://www.creativecommons.org.brAcessado em abril de 2010.

[5] Alvaro Luiz Sordi Filho, Moacyr Dias Baptista Neto e Murilo Augusto Castagnoli deQuadros. Encoder de Quadratura para Auxiliar o Ensino de Fısica. UTFPR, Curitiba,Brasil, 2009.

[6] Ari Magagnin Junior, Eduardo Cabral Resende Neiva e Ricardo Farinhaki. Sistema

de Medicao de Intensidade de Luz Baseado em Arduino. UTFPR, Curitiba, Brasil,2009.

[7] Sharp. Datasheet. Disponıvel em http://sharp-world.com/products/device/lineup/data/pdf/datasheet/gp2y0a02 e.pdf Acessado em Abril de 2010.

[8] Luıs Fernando Patsko. Aplicacoes, Funcionamento e Utilizacao de Sensores. Tutorial,2006.

[9] Metaltex, Site Oficial. Disponıvel em http://www.metaltex.com.br/tudosobrereles/tudo1.aspAcessado em Junho de 2010.

[10] Lucas Longen Gioppo, Marcelo Massao Kataoka Higaskino, Ricardo Fantin da Costae William Hitoshi Tsunoda Meira. Robo Seguidor de Linha. UTFPR, Curitiba, Brasil,2009.

[11] Joseph L. Jones, Anita M. Flynn e Bruce A. Seiger. Mobile Robots: inspiration to

implementation. A K Peters, Ltd., Natick, United States of America, 1999.

[12] Luiz Enersto Merkle, Arandi Ginane Bezerra Jr. e Gustavo Alberto Gimenez-Lugo.Interdisciplinariedade e Criticidade na Formacao em Engenharia da Computacao na

UTFPR. UTFPR, Curitiba, Brasil, 2008.

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páginas pessoais - utfpr - introdu¸c˜ao...

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