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Desenvolvimento de um Robot Mvel que Evite Obstculos

Bruno Costa, Marco Jacinto, Xavier Ribeiro, Gonalo Farelo, Pedro Pereira. Lus Pires

Disciplina de Sistemas Digitais

Curso Tcnico de Eletrnica, Automao e Comando

Instituto de Educao Tcnica INETE

Travessa da Escola Arajo, 1169-148, Lisboa, Portugal

Resumo: Neste artigo descreve-se certos aspetos sobre o desenvolvimento de um Robot Mvel que tenha

a capacidade de se desviar de obstculos sem necessitar da interveno humana. Isto conseguido atravs

da utilizao de um circuito sequencial constitudo por flip flops JK e portas lgicas. A disciplina de

Sistemas Digitais ao longo deste ano (1 ano) permitiu conhecimentos suficientes para a idealizao e

conceo deste Robot.

Palavras-Chave: Robot Mvel, Circuitos sequenciais, Robtica Flip-Flops JK.

1. Introduo

Com os conhecimentos obtidos, chegou-se concluso que possvel seguir vrios caminhos para a

construo de um circuito que realize tal funo. Na altura foi-nos proposto um variadssimo leque de

opes para a construo do mesmo, das quais escolheu-se um circuito sequencial que integre na sua

constituio Flip-Flops JK. Existia liberdade suficiente para se escolher que tipo de sensores seriam usados,

dos quais escolheu-se os sensores infravermelhos, devido ao facto de no ter a limitao de o Robot ter que

embater no obstculo para o detetar, como o caso do sensor Microswitch.

No incio idealizou-se o comportamento do Robot e, para isso, desenvolveu-se o diagrama de estados. Com

este diagrama finalizado consegue-se construir uma Tabela de Verdade, que inclu 3 entradas (sensores),

estados atuais e prximos estados. Chegou-se concluso que esta Tabela de Verdade continha um tamanho

consideravelmente grande o que faz a realizao dos mapas de Karnaugh uma tarefa bastante dificultada,

assim, aps se apresentar este pequeno detalhe ao Prof. Lus Pires, obteve-se uma soluo bastante simples

que se baseia em retirar os estados anteriores da tabela, deixando assim a Tabela de Verdade bastante mais

simplificada e muito mais direta para a aplicao do Mapas de Karnaugh. Aps a aplicao dos tais mapas

retirou-se as expresses de entrada de cada Flip-Flop e assim conseguiu-se construir um circuito sequencial

para realizar a tarefa de se desviar autonomamente de obstculos.

O artigo composto por 6 partes levando uma sequncia lgica em que cada ponto corresponde a um tema

fundamental do nosso artigo, ponto 2 faz-se uma breve explicao sobre o que consiste os Flip-Flops e

alguns tipos destes, ponto 3 retrata os componentes a serem utilizados no robot como uma explicao destes

com vrios apontamentos sobre escolhas do grupo, ponto 4 e 5 onde apresentamos o circuito e os

resultados finais com vrios testes em Multisim, ltimo ponto do artigo a concluso do grupo aps a

realizao da parte terica do robot.

2. Sistemas e Circuitos Sequenciais

A eletrnica digital baseia-se muito na lgica, utilizando portas lgicas como a AND, OR e NOT, possvel

criar circuitos com um certo objetivo, apenas por combinar estes tipos de portas lgicas que, no passam

de operaes lgicas com a multiplicao, a soma e a inverso. A estes circuitos simples em que as sadas

esto totalmente dependentes das entradas, denominado de circuitos combinatrios.

O princpio base dos circuitos sequenciais, est na reutilizao de estados anteriores que, com base nos

circuitos combinatrios constitudos por portas lgicas consegue originar uma alterao dos bits de sada

sem ter de existir uma alterao de bits nas entradas. Para a realizao deste processo preciso um

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dispositivo especfico denominado de Flip-Flop que se podem dividir em D e JK cada um com as suas

caractersticas.

O flip-flop D constitudo por uma entrada (D), duas sadas (Q e ~Q) e um clock. Este clock o que define

a frequncia de funcionamento do dispositivo. A caracterstica deste flip-flop simplesmente a transferncia

dos estados que se encontram na entrada D para a sada Q, tendo tambm a sada ~Q que sempre o inverso

da sada dessa mesma sada Q (Q negada).

Nos circuitos sequenciais tambm existem dispositivos apelidados de Latch que, ao contrrio dos flip-flops

que dependem das transies de estados de um clock, dependem de estados fixos e no pela transio do

Clock (ascendeste ou descendente).

No caso do flip-flop JK ligeiramente diferente, pois em vez de termos apenas uma entrada, temos agora

duas a entrada J (set) e a entrada K (reset). Este flip-flop bastante usado pois proporciona um circuito final

bastante mais simplificado com muito menos lgica envolvida mas, para se conseguir este circuito com

flip-flop JK necessrio percorrer um processo bastante mais complexo para a obteno desse mesmo

circuito (tabelas de verdade mais complexas, diagrama de estados com uma lgica mais acentuada e mapas

de Karnaugh mais simples), resultado contudo mais simplificado e como escolha para o grupo.

Todos os Flip-Flops dependem do tempo, e esse feito conseguido atravs de uma variao de estados

constante (TTL) denominada de, Clock. Este Clock tem uma entrada especifica no Flip-Flop normalmente

representada no Flip-Flop por >.

Estes Flip-Flops conseguem armazenar estados (0 ou 1), e coloc-los na sua sada que ficam armazenados

at haver uma alterao no Clock, se a entrada tiver um valor diferente. Este Clock pode estar dependente

da sada de outro Flip-Flop assim, tem-se vrios Flip-Flops a funcionar com Clocks diferentes, este

acontecimento chamado de circuito assncrono. Tambm existem circuitos sncronos que possuem todos

o mesmo Clock, ou seja todos entram em funcionamento ao mesmo tempo.

Esse armazenamento pode ocorrer em paralelo ou em srie, isto , em srie os flip-flops encontram-se com

a entrada dependente da sada de outro flip-flop, enquanto que em paralelo as entradas ento ligadas entre

si assim como as sadas, originando assim uma forma de armazenar uma grande quantidade de bits no

mesmo espao de tempo.

Tem-se tambm o caso do flip-flop T que consiste que a entrada T estiver em estado lgico alto, o flip-flop

T ("toggle") muda o estado da sada sempre que a entrada de clock sofrer uma modificao. Se a entrada T

foi baixa, o flip-flop mantm o valor anterior da sada.

Flip Flop JK

Tabela de verdade

J K Qprx Comentrio

0 0 Qanterior mantm (hold)

0 1 0 reestabelece (reset)

1 0 1 estabelece (set)

1 1 Qanterior alterna (Toggle)

Q* Estado anterior do Q

Tebela 2.1. Flip Flop J-K

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3. Implementao Conceptual do Projeto

Como o grupo optou pela utilizao de um circuito sequencial, tive-se escolher um Flip-Flop que consiga

realizar as funes pretendidas. Optou-se pelo flip-flop JK pois assim no final acabou-se com equaes de

entrada muito mais reduzidas comparando com as expresses finais do flip flop tipo D.

O projeto construdo com base no diagrama que se apresenta atravs da Figura 3.1.

Figura 3.1. Diagrama de blocos do Projeto.

Para a anlise deste diagrama teve-se de comear no topo. Os sensores usados so os sensores

Infravermelhos (Sharp GP2D150A), pois o Robot no teria de embater nos obstculos. Estes sensores

interpretam informao sobre o ambiente em que o Robot esta inserido e enviar esta informao para o

sistema de controlo.

Figura 3.2. Sharp GP2D150A

As caratersticas sobre o sensor esto apresentadas na Tabela 3.1.

Tabela 3.1. Caractersticas tcnicas do sensor infravermelho

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Este sistema de controlo um circuito sequencial desenvolvido pelo grupo, baseado em flip-flops JK, este

consegue saber o que fazer com a informao proveniente dos sensores e ir originar uma resposta no

sistema de potncia e por fim atuar no motor do robot. O Circuito oscilador tem como funo criar o Clock,

na Figura 3.3 apresentado o circuito oscilador e o aspeto fsico do NE555 na Figura 3.4, gerador de onda

quadrada.

Figura 3.3. Circuito Oscilador Figura 3.4. NE555 -Gerador de onda quadrada.

Aqui esta apresentado caractersticas sobre o NE 555

Tabela 3.2. Caractersticas do NE555.

O sistema de potncia baseado no IC L293 que o pr-atuador e consegue ter sinais nas entradas de baixa

tenso e corrente, onde disponibiliza na sada um sinal com tenso e corrente superior. Este ganho

determinado pela alimentao feita ao IC que definida pelo sistema de alimentao.

Figura 3.5. L293 Pinout.

Tabela 3.3. Caractersticas do L293.

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A sada deste sistema de potncia ligada aos servos modificados (motores DC) que so usados a

locomoo do Robot.

O sistema de alimentao o mesmo mas este est dividido em duas partes, isto , uma pilha de 9V para

alimentar o Robot e o pr-atuador (L293) que fornece potncia aos servos, esta tambm usada para

alimentar o regulador de tenso, 7805, que regula a tenso a 5V com uma corrente mxima para consumo

de 1A que mais do que suficiente para alimentar circuito de controlo que tem consumos relativamente

baixos.

Figura 3.6. Circuito de Potncia com Regulador de Tenso 7805.

Tabela 3.4. Tabela de informaes.

Os atuadores do robot esto suportados por dois motores (dois servos modificados). Um servo um

elemento mecnico, que assegura a locomoo do robot. O servo apresenta um movimento proporcional a

um comando, em vez de girar ou se mover livremente sem um control mais efetivo de posio como a

maioria dos motores; servo so dispositivos de malha fechada, ou seja: recebem um sinal de controle;

verificam a posio atual; atuam no sistema indo para a posio desejada, esto limitados a um angulo dado

pelo fabricante, que neste caso o angulo no est limitado devido modificao feita nos servos. Um servo

est fechado, ou seja, tem o controlo em malha fechado porque o sinal que vai sair possui um efeito direto

na ao de controlo, logo para este projeto no o mais conveniente para isso vamos utilizar um servo

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modificado. Neste projeto so utilizados servos modificados, que consiste num motor DC, retirou-se a drive

de potncia, onde esta estava includa no servo e ainda uma modificao mecnica, permitindo que rode a

360 graus para que o robot se desloque sempre numa velocidade mxima e com uma deslocao livre visto

que permite ter o comportamento de uma roda.

Figura 3.7. Motor: servo modificado.

4. Circuito Proposto

Aps a realizao do diagrama de estados da tabela de verdade e Mapas de Karnaught apresenta-se o

circuito que foi testado e simulado em MultiSim 2013. Na figura 4.1 apresenta-se o circuito final proposto

justamente com a expresso dos Flip Flop J-K.

Figura 4.1. Circuito proposto para o projeto

5. Resultados

Os resultados a que o grupo chegou foram, que o circuito feito em MultiSim funcionava na perfeio e

montagem deste correu bem estando todos os componentes a trabalhar corretamente na board. Nas figuras

seguintes apresentado os testes feitos em MultiSim para cada um dos estados do nosso robot, estados

que o robot executar.

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Figura 4.2. Circuito teste. Figura 4.3. Circuito teste

Figura 4.4. Circuito teste Figura 4.5. Circuito teste.

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A tabela de verdade do circuito juntamente com o diagrama de estados do circuito que nos possibilitou a

realizao dos estados do robot e os mapas de Karnaugh para finalizar as expresses dos Flip Flop J-K

esto afixados em anexo. Em anexo est tambm o esboo fsico do robot em 3D juntamente com fotos

do circuito em tempo real finalizado.

6. Concluso

A concluso a que o grupo chegou foi que para a realizao deste Projeto tive-se de passar por vrias etapas

a idealizao de um Robot com certas funcionalidades que incluam, a criao de um diagrama de estados

a retirada de uma tabela de verdade desse mesmo diagrama e de mapas de Karnaught e por fim a construo

do circuito resultante desses mesmos mapas. Neste documento aborda-se certos aspetos sobre o

desenvolvimento de um Robot Mvel que tenha a capacidade de se conseguir desviar de obstculos sem

precisar da interveno humana. Isto foi conseguido atravs da utilizao de um circuito sequencial

constitudo por flip flops JK. Com o SketchUp 2015 concebeu-se o esboo fsico do robot em 3D de forma

a uma visualizao geral de como o robot estar fisicamente.

7. Referncias Bibliogrficas

[1] Mestre Eng. Luis Pires, Manual Circuitos Sequencias, INETE Sistemas Digitais, 05/2015.

[2] http://www.datasheetcatalog.com/, 21:00, 05-05-2015

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7. Anexo:

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