Veículo Seguidor de Trilha

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO
PAULO.
CAMPUS SÃO JOSÉ DOS CAMPOS
Almir Junior Guilherme da Silva Vianna
Mariane de Sousa Ferreira
Thais Caroline Aparecida Nunes
Veículo Seguidor de Trilha
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado ao Instituto Federal de
Educação, Ciência e Tecnologia de São
Paulo – Campus São José dos Campos,
como requisito para obtenção do Título de
Técnico em Automação Industrial sob
orientação do Professor André Luiz
Mendes Moura.
São José dos Campos
2014
BANCA EXAMINADORA
Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) defendido e aprovado em 18 de junho de
2014, pela banca examinadora constituída pelos professores:
_______________________________________________
Prof. André Luiz Mendes Moura
Orientador
_______________________________________________
Prof. Fernando Henrique Gomes de Souza
_______________________________________________
Engº. Danilo Eduardo Braga
ii
Dedicatória
Dedicamos primeiramente a Deus e em especial a toda nossa Direção,
Coordenação, Funcionários e todo corpo Docente que com carinho e dedicação nos
preparou para trilhar o caminho certo e seguro de uma profissão e que compõe esta
maravilhosa equipe.
iii
Agradecimentos
Agradecemos primeiramente a Deus e a todos que nos incentivaram e
apoiaram. Em especial gostaríamos de agradecer:
Ao orientador, André Luiz Mendes Moura, por acreditar em nossa capacidade
e valorizar o nosso trabalho.
Aos professores Aguinaldo, Sinohara, Celso, Claudio, por toda a disposição,
atenção e ensinamentos dispensados no decorrer desses anos.
Aos nossos familiares, Etelma e Daniel, Nagib, Luzia e Anderson, Almir e
Marta pelo incentivo, companheirismo e amor.
iv
SUMÁRIO
LISTA DE TABELAS ................................................................................................... vi
LISTA DE FIGURAS .................................................................................................. vii
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS ............................................................... viii
RESUMO.................................................................................................................... ix
1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 1
2. OBJETIVO.............................................................................................................. 3
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA. ................................................................................... 4
3.1 Amplificadores Operacionais. ............................................................................ 4
3.2 LDR.................................................................................................................... 6
3.2.1 Utilização do LDR........................................................................................ 7
3.3 Motores de Corrente Contínua .......................................................................... 9
3.3.1 Funcionamento do Motor ............................................................................ 9
4. MÉTODOS e MATERIAIS ..................................................................................... 10
4.1. Métodos ......................................................................................................... 10
4.2.1. Elaboração do veículo .............................................................................. 10
4.2.2. Escolha dos materiais .............................................................................. 10
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES ........................................................................... 13
6. CONCLUSÃO........................................................................................................ 13
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................... 16
v
LISTA DE TABELAS
Tabela 1- Valores de resistência em função da luminosidade....................................07
Tabela 2- Valores para escolha de Resistores...........................................................11
vi
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - veículo seguidor de faixa (Volkswagen 2014) ............................................. 1
Figura 2 - Amp Op IDEAL (Malvino 2011) ................................................................... 4
Figura 3 - Multiplicador inversor de ganho constante (Boylestad 2012) ...................... 4
Figura 4 - Estilos de encapsulamento do 741 e pinagem (Malvino 2011) ................... 5
Figura 5 – Amplificador Somador (Malvino 2011) ........................................................ 5
Figura 6- Circuito formato Somador Inversor .............................................................. 6
Figura 7 - Símbolos e Aspectos do LDR (Eletronica Diaria 2014) ............................... 6
Figura 8 - Construção do LDR (Eletronica Diaria 2014) .............................................. 7
Figura 9- Curva referente ao valor de resistência de um LDR .................................... 8
Figura 10 - Motor de Corrente Contínua (clickplus 2014) ............................................ 8
Figura 11 - Esquema Motor de Corrente Contínua (SENAI 2014)...............................9
Figura 12- Veículo seguidor de Trilha em construção ............................................... 10
Figura 13- Gráfico dos Valores de resistores.............................................................10
Figura 14- Gráfico dos Valores de resistores.............................................................12
Figura 15- Circuito final para funcionamento do veículo............................................12
Figura 16- Foto circuito final.......................................................................................14
Figura 17- Foto circuito final.......................................................................................14
vii
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
AMP-OP-
Amplificador Operacional.
VCC-
Fonte de alimentação positiva.
VEE-
Fonte de alimentação negativa.
Vi-
Fonte de alimentação nomeada “i”.
R-
Resistor.
GND-
Ground (terra).
LDR-
Resistor dependente da luz.
viii
RESUMO
Este trabalho apresenta um veículo seguidor de trilha, veículo utilizado em
algumas empresas para locomover peças ou ferramentas, para áreas distantes na
qual, o colaborador não tem tempo de ir até o local pegar o material necessário, pois
irá acarretar uma perda de produção, por isso, resolveu-se elaborar um veículo no
mesmo molde do que foi apresentado acima. Para a elaboração do projeto foi
necessário a realização de vários cálculos, estes cálculos incluíam a resistência para
cada resistor, pois era preciso dimensionar a tensão que chegaria a cada parte do
circuito, da quantia de luz absorvidas pelos LDR’s, entre outros, já na parte pratica
levou um tempo razoavelmente baixo para a montagem.
Foi escolhido o carrinho de brinquedo como base do projeto por ser simples, de
baixo custo, prático e de fácil manuseio. O controle é realizado de forma analógica,
através de amplificadores operacionais. Para determinar os ganhos necessários
foram utilizadas curvas de resistências versus iluminancia obtidas em ensaios de
laboratório.
O princípio de funcionamento deste veículo baseia se que quando os LDR’s estão
sobre a parte branca do trajeto a sua resistência fica muito baixa fazendo com que
os motores liguem e façam o carrinho andar, já o se um ou os dois resistores
dependentes de luz (LDR) fica sobre a faixa preta do trajeto, ele desliga o motor a
qual está encarregado, pois, quanto mais escuro o trajeto mais alto sua resistência
chega, assim sendo, não chega alimentação ao motor.
ix
1. INTRODUÇÃO
Os robôs seguidores de trilha possuem como característica principal a
capacidade de percorrer o caminho determinado por uma linha traçada sobre uma
superfície, não sendo necessária nenhuma interação humana ou qualquer tipo de
controle que não seja o próprio sistema do robô. Eles normalmente são utilizados
em competições, trabalhos escolares, e também nos conceitos industriais, para que
possam executar tarefas de transporte como de ferramentas, peças de produção.
Um exemplo é a Olimpíada Brasileira de Robótica, onde os alunos do ensino
fundamental, médio e técnico tem a oportunidade de testar suas habilidades
construindo um robô segue trilha e que execute várias ações (Olímpiada Brasileira
de Robótica, 2014).
Outro exemplo é o da figura 1, onde os estagiários da empresa Volkswagen
projetaram um veículo para transporte e abastecimento de peças dentro da fábrica.
Figura 1 - veículo seguidor de faixa (Volkswagen, 2014)
Os veículos são projetados de forma que consigam se locomover sobre uma
linha de cor preta em um fundo de cor oposta. Os sistemas de detecção contam com
o uso de sensores para detectar o sinal que se reflete na superfície branca.
(Volkswagen 2014).
O robô do projeto em questão conta com dois resistores dependentes de luz,
1
(Light Dependent Resistors – LDR) que aumentam o valor de sua resistência na falta
de luz. Conta também com um circuito de controle que, conforme essa resistência
aciona um dos motores. Cada motor é responsável pela locomoção de um dos lados
do robô.
Por exemplo, quando um dos LDR está sobre a faixa de cor preta, ele
aumenta o valor da resistência, que é detectado pelo circuito de controle que, por
sua vez, desliga o motor. Enquanto isso, a luz do LED reflete sobre a superfície
branca no segundo LDR que diminui seu valor de resistência, sendo também
detectada pelo circuito de controle, que por sua vez, faz o segundo motor ligar e
ajusta o robô de volta à trilha.
A elaboração desse projeto foi possível com base nos conhecimentos
adquiridos nas disciplinas de eletrônica analógica, máquinas elétricas, robótica,
controle de processo.
2
2. OBJETIVO
Desenvolver um veículo que se movimente sobre uma trilha preta em uma
superfície plana, com auxilio de motores de corrente contínua e de dispositivos
eletrônicos analógicos.
3
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.
3.1 Amplificadores Operacionais.
Um amplificador operacional, ou um amp-op, é um amplificador diferencial
que possui alta impedância de entrada, baixa impedância de saída e um ganho
muito alto. (Boylestad 2012).
A figura 2 mostra o símbolo esquemático para um amp-op. Ele possui uma
entrada inversora, outra não inversora, duas entradas para alimentação +VCC e – VEE
e uma saída (OUT)com terminação simples. (Malvino 2011)
Figura 2 – Amp-Op IDEAL (Malvino 2011)
Isso quer dizer que a entrada positiva produz uma saída que está em fase
com o sinal aplicado, enquanto um sinal de entrada negativa resulta em uma saída
com polaridade oposta. (Boylestad 2012).
O circuito básico que utiliza um amp-op opera como um amplificador inversor,
conforme mostra a Figura 3. Neste caso, o sinal de entrada Vi é aplicado através do
resistor R1 à entrada inversora, sendo a saída conectada de volta à mesma entrada
inversora através do resistor Rf. A entrada positiva é conectada ao potencial de
referência. Como o sinal Vi é aplicado à entrada inversora, a saída resultante é
oposta em fase ao sinal de entrada. (Boylestad 2012).
.
Rf
Vi
+
R1
Vo
Figura 3 - Multiplicador inversor de ganho constante
Sendo o ganho de tensão obtido através da relação entre -Rf e R1, ou seja:
𝑅𝑓
𝑉𝑜
=𝐾=−
𝑉𝑖
𝑅1
4
(1)
Neste projeto foram utilizados quatro amplificadores LM741, que é um amp-op de
uso largamente utilizado. A figura 4 mostra como é realizada sua configuração:
Figura 4 - Estilo de encapsulamento do 741 e pinagem (Malvino 2011)
O primeiro está sendo utilizado como amplificador inversor, que, como já
citado anteriormente, utiliza a realimentação negativa para estabilizar seu ganho de
tensão.
O segundo amplificador foi utilizado no modo comparador, cujo esquema é mostrado
na Figura 6. Neste modo, o amplificador realiza a comparação de uma tensão de
entrada com uma tensão de referência. (Saber Eletronica 2013).
Sua tensão de saída é dada por:
𝑉𝑜
=𝐾
𝑉𝑖
(2)
Permanecendo então, da seguinte forma:
Figura 5- Circuito formato Somador Inversor
Sendo que para realização de testes, no lugar do Rf, e do LDR foi utilizado um
potenciômetro.
5
3.2 LDR
Light Dependent Resistors, Resistor Dependente de Luz ou Fotoresistência é um
componente eletrônico passivo do tipo resistor variável, mais especificamente, é um
resistor cuja resistência varia conforme a intensidade da luz que incide sobre ele.
Tipicamente, à medida que a intensidade da luz aumenta a sua resistência diminui.
O LDR é construído a partir de material semicondutor com elevada resistência
elétrica. Quando a luz que incide sobre o semicondutor tem uma frequência
suficiente, os fótons que incidem sobre ele libertam elétrons para a banda condutora
que irão melhorar a sua condutividade e assim diminuir a resistência.
Um multímetro pode ser usado para encontrar a resistência na escuridão ou
na presença de luz intensa. Os resultados típicos para um LDR poderão ser:

Escuridão: resistência máxima, geralmente acima de 1M ohms.

Luz muito brilhante: resistência mínima, aproximadamente 100 ohm.
Dependendo do tipo, um LDR pode ser sensível às faixas de luz:
Infravermelhos (IR), Luz visível ou Ultravioleta (UV). (Wikipédia 2013)
3.2.1 Utilização do LDR
Numa utilização normal, o LDR é montado num circuito onde a resistência é
convertida para tensão. A forma mais simples de fazê-lo é através de um circuito
divisor de tensão.
O LDR é muito utilizado em circuitos eletronicos onde é utilizado um sensor
de luz devido ao seu baixo custo e facilidade de utilização. Por este motivo pode ser
facilmente encontrado nas chamadas fotocélulas, medidores de luz, detectores de
incêndio ou de fumo, controladores de iluminação, controle automático de porta,
alarme contra ladrão, contagem industrial, etc.
Na figura 7 temos o símbolo usado para representar um LDR e os aspectos
mais comuns com que podem ser encontrados esses componentes. (Wikipédia
2013)
Figura 6 - Símbolos e Aspectos do LDR (Eletronica Diaria, 2014)
6
3.2.2 Construção do LDR
Na construção de um LDR, conforme mostra a figura 8, são utilizados dois
eletrodos em forma de “pente” que se entrelaçam, obtendo-se com isso uma grande
superfície de contato com o material fotossensível. (Wikipédia 2013)
Figura 9 - Construção do LDR (Eletronica Diaria 2014)
Com a utilização de um multímetro, um LDR e um medidor de luz, foram
realizados testes, variando-se a iluminância do laboratório, que resultam nos valores
contidos na tabela:
Tabela 1- Valores de resistência em função da luminosidade
Iluminância
lux
205
105
90
72
60
54
31
13
5
1
em Resistência
kΩ
2,38
4,5
4,73
5,17
5,22
6,23
13
15,25
31,48
327
em
A partir dos dados da Tabela 1, foi obtida a
Figura , onde é mostrada a relação entre a resistência a iluminância1.
1
Iluminância é uma grandeza de luminosidade que faz a relação entre o fluxo luminoso que incide na direção
perpendicular a uma superfície e a sua área. Na prática, é a quantidade de luz dentro de um ambiente.
(Iluminamento 2014)
7
Figura 10- Curva referente ao valor de resistência de um LDR
3.3 Motores de Corrente Contínua
Motor de corrente continua é uma maquina capaz de converter energia elétrica em
mecânica. A principal característica desses motores é a facilidade de controle da
velocidade e o desenvolvimento de torque de partida elevado. (SENAI 2014)
Figura 11 - Motor de Corrente Contínua (clickplus 2014)
8
3.3.1 Funcionamento do Motor
Na maioria dos motores elétricos CC, o rotor é um eletroímã que gira entre os polos
de ímãs permanentes estacionários. Para tornar esse eletroímã mais eficiente o
rotor contém um núcleo de ferro, que se torna fortemente magnetizado, quando a
corrente flui pela bobina. O rotor girará desde que essa corrente inverta seu sentido
de percurso cada vez que seus polos alcançam os polos opostos do
estator. (SENAI, 2004)
Figura 12 - Esquema Motor de Corrente Contínua (SENAI 2014)
9
4. MÉTODOS e MATERIAIS
4.1 Métodos
4.2.1. Elaboração do veículo
Foram comprados dois carinhos de brinquedo, cujo funcionamento depende de
pilhas. Os veículos foram desmontados, separando-se as bases, os motores, e as
rodas frontais. Em uma das bases, após a retirada das rodas, foi realizada a
medição no local onde seriam inseridos os motores, realizando os ajustes
necessários para anexar as rodas no eixo do motor. Permanecendo como mostra a
Figura 13:
Figura 13- Veículo seguidor de Trilha em construção
4.2.2. Escolha dos materiais
Para realização deste projeto foram utilizados os seguintes materiais: dois
motores de corrente contínua de carrinhos de brinquedo, dois LDR’s, quatro
Amplificadores operacionais 741, dois LED’s, uma placa de fenolite, três pilhas
recarregáveis, fonte geradora de tensão.
Para a escolha dos valores dos resistores, foi necessária a realização de vários
testes, tanto no programa Multisim, como no laboratório com protoboard. Observe a
tabela 2:
10
Tabela 2- Valores para escolha de Resistores
Valor de R0 (Ω)
180
220
270
330
390
470
560
680
820
1000
1200
1500
1800
2200
2700
3300
3900
4700
5600
6800
8200
10000
12000
15000
18000
Vi, máx.
4,997
4,997
4,996
4,995
4,994
4,993
4,991
4,990
4,987
4,985
4,982
4,977
4,973
4,967
4,959
4,950
4,941
4,929
4,916
4,898
4,878
4,852
4,823
4,781
4,739
Vi, min.
4,648
4,577
4,491
4,391
4,296
4,175
4,048
3,889
3,719
3,521
3,324
3,067
2,847
2,598
2,343
2,095
1,895
1,681
1,491
1,296
1,125
0,961
0,828
0,685
0,584
Neste caso, a escolha foi feita pelo valor de resistor (R0) que se aproximasse de
40%, que está em negrito na tabela.
11
Tensão de Entrada - Vi (V)
Vi, min.
Vi, máx.
Resistência (Ω)
Figura 14- Gráfico dos Valores de resistores
Foi possível determinar os valores de resistência do LDR sobre a folha branca
ou sobre uma listra negra. A resistência medida variou entre 70KΩ e 360KΩ, o que
de acordo com o ensaio realizado corresponde há uma iluminância refletida de
aproximadamente 0 lux, sobre a faixa negra, a mais de 200 lux sobre a superfície
branca. Com o auxílio do protoboard foi realizada a montagem do circuito mostrado
na Figura 15:
Figura 15- Circuito final para funcionamento do veículo
Foi possível observar através do osciloscópio a variação de tensão tanto na entrada,
como na saída dos amp-ops e a saturação dos mesmos.
12
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Foram elaborados vários testes com componentes elétricos para a melhor
performance do circuito eletrônico de controle de um carrinho seguidor de trilhas,
sendo escolhidos com base em cálculos e disponibilidades dos mesmos.
Assim sendo foram colocados dois motores elétricos em um carrinho de brinquedo
como apresentado na figura 13, antes apresentada, para serem acionados através
do circuito de controle, também já apresentado na figura 15.
Na primeira etapa do projeto foram realizados vários testes para a elaboração da
primeira parte do circuito para a obter a saída perfeita para a continuação do circuito,
nesta primeira etapa calculou os valores de resistores e do LDR necessários para
obtenção do resultado necessário, apresentado na figura 5.
Figura 5- Circuito formato Somador Inversor
Com a conclusão desta etapa foi construído a segunda parte do circuito calculando
valor necessário do potenciômetro, resistores, leds, fontes de tensão, com isso o
circuito ficou da seguinte maneira, figuras 16 e 17.
13
Figura 16- Foto circuito final
Figura 17- Foto circuito final
O funcionamento do circuito de controle foi perfeito quando o ldr é submetido a luz
ele apaga o led, e quando o mesmo vae para o escuro acende o led.
Mas não foi possível a interligação com os motores para o carrinho andar, por falta
de um componente. Assim sendo o carrinho não anda mais o circuito funciona.
14
6. CONCLUSÃO
Funcionamento do LDR em circuitos analógicos foi comprovado que é muito efetivo,
operando como uma chave aberta em alguns circuitos quando a muita luz, ou chave
fechada quando a pouca luz.
Neste Circuito toda a parte destinada ao controle foi construída e calculada com
sucesso, não deixando nada a desejar apenas, não foi realizado o chaveamento dos
motores elétricos no carro, sendo assim, o carrinho não funcionou segundo o
planejado.
Talvez com um pouco mais de tempo tudo teria sido resolvido e o carrinho estaria
funcionando perfeitamente, mas como um grande imprevisto passado pelo grupo o
trabalho está bom.
E com a elaboração deste trabalho adquirimos grande conhecimento na parte
teórica e pratica.
15
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Boylestad, Robert L. Dispositivos Eletrônicos e teoria de circuitos. São Paulo:
PEARSON, 2012.
clickplus. www.clickplus.pt/p44321. 10 de 04 de 2014.
Eletronica
Diaria
.
10
de
maio
http://eletronicadiaria.blogspot.com.br/p/fotoresistor-ldr.html.
de
2014.
Malvino, Albert P. Eletrônica - Volume 2 - Sétima edição. Porto Alegre:
AMGH Editora Ltda., 2011.
Olímpiada Brasileira de Robótica. 2014. http://www.obr.org.br/
(acesso em 11 de abrilde 2014).
Saber
Eletronica.
27
de
agosto
2013.http://www.sabereletronica.com.br/artigos/1464-aplicaes-paracomparadore de-tenso (acesso em 05 de maio de 2014).
Volkswagen. 2014. http://www.vw.com.br/blogvolkswagen/post/2012/09/03/AGVEstagio.aspx (acesso em 11 de abril de 2014).
SENAI 2014, Apostila de Esquema de Motor de Corrente Continua.
16
de