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Engenharia de Controle e Automação

Desenvolvimento de Veículos Autônomos em Escala. Identificação de

Parâmetros e Calibração dos Modelos dos Sistemas de Propulsão, Frenagem e Direção

Aluno: Thais Barreto Joffe Orientador: Mauro Speranza Neto

1) Introdução

Desde o primeiro modelo comerciável, o automóvel foi recebido como um meio de locomoção que facilitaria a vida de quem pudesse adquiri-lo e bancá-lo. Anos de estudos, testes, fracassos e descobertas foram investidos para que se chegasse ao veículo ao qual, hoje, as sociedades modernas estão tão acostumadas. Além de facilitar a locomoção devido à velocidade a qual um carro convencional pode atingir, tal veículo foi aos poucos sendo adaptado para se tornar mais confortável e seguro, não apenas para seus passageiros, mas também para os pedestres e motoristas ao seu redor. No entanto, as mudanças aprimorativas sobre os carros ainda não chegaram ao seu limite, por isso é necessário que engenheiros das mais diversas especialidades se reúnam, continuem elaborando testes e alcançando resultados que ajudem à continuidade da evolução dos automóveis.

A fim de se conseguir maiores informações sobre as respostas veiculares a cada

estímulo sofrido, neste projeto, serão feitos estudos estáticos e dinâmicos em cima de um carro em escala radio controlado. O veículo adotado para tal estudo foi um Traxxas Slash (Figura 1).

Figura 1: modelo Traxxas Slash

Alguns testes estáticos foram realizados no carro, sendo para isso, utilizadas réguas, paquímetros e uma balança com uma precisão suficientemente confiável.

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3.1) Projeto em 2D da plataforma em Solidworks

Figura 3: esquema em 2D da plataforma

3.2) Plataforma feita com acrílico

A plataforma foi furada de maneira incorreta, mas ainda assim deve cumprir com sua função, então será utilizada no projeto. Se os furos a mais que ela possui atrapalharem na disposição dos sensores em sua superfície, uma segunda versão será construída (Figuras 4, 5 e 6).

Figura 4: plataforma de acrílico


Figura 5: vista lateral do carro

Figura 6: vista superior do carro

4) Sensores

Para obter os dados necessários aos testes dinâmicos, a princípio, um acelerômetro e um giroscópio serão usados na coleta dos valores desejados. Será feita a interface de tais sensores com o microprocessador Arduino, possibilitando a passagem dos dados coletados para o computador durante o decorrer dos testes dinâmicos. O Arduino escolhido para esta etapa do projeto foi o Arduino UNO (Figura 7).


Figura 7: Arduino UNO

O sensor selecionado para a coleta de dados foi o Razor IMU (Figura 8) de nove graus de liberdade divididos em três sensores a ele já incorporados (um ITG que é um Giroscópio triaxial de saída digital, o ADXL345 que é um acelerômetro triaxial e o HMC5883L que é um magnetômetro digital triaxial). As saídas de todos os sensores são processadas pelo chip microcontrolador ATmega328, já presente no Razor. A partir desses dados, o 9DOF Razor pode ser utilizado como um poderoso mecanismo de controle de UAVs e veículos autônomos.

Figura 8: Razor IMU 9DOF

A fim de conectar o Razor ao computador via USB para fazer testes e calibragem antes de iniciar a aquisição de dados dos parâmetros dinâmicos do Traxxas, será utilizado o FTDI Basic Breakout de 3,3V (Figuras 9 e 10).

Figura 9: FTDI BB 3,3V


Figura 10: FTDI BB conectado à USB

Ao conectarmos o Razor com o FTDI e este com o computador através da entrada USB, e tendo baixado o software Razor AHRS Firmware (Attitude and Heading Reference System), é possível visualizar uma representação do Razor na tela do computador que, ao ser calibrada, irá se movimentar em sincronia com o hardware Razor conforme rotações forem sendo aplicadas a este (Figura 11). Além disso, também são fornecidos os valores de yaw, pitch e roll do sensor.

Figura 11: FTDI BB sendo representado no software AHRS

Com o software do Arduino baixado e instalado, é possível receber os dados de guinada, arfagem, rolagem e aceleração nos eixos x, y e z. Os dados recebidos são impressos na tela do computador e podem ser coletados e usados para plotagem ou montagem de tabelas de valores. Através de um código em Python (Anexo 1), são coletados os valores de rolagem, arfagem e guinada durante um determinado período de tempo, sendo possível, com eles, fazer plotagens em função do tempo. O próximo passo é coletar os valores das acelerações longitudinais nos três eixos e, em fim, será possível realizar os testes de aceleração diretamente no carro.


Os dados abertos no Excel não têm, inicialmente, a aparência semelhante ao da Tabela 1, mas assumem tal visualização após serem feitas algumas triviais mudanças na configuração de formatação dentro do próprio Excel.

Tabela 1: Dados coletados em Excel

5) Conclusão

Com este projeto está sendo possível um bom avanço no entendimento do funcionando tanto do Arduino, quanto dos sensores de aceleração e velocidade. O próximo passo será estudar o controle remoto do carro e sua influência na movimentação do veículo em termos de corrente e posição percentual do cursor do controlador, enquanto a análise e calibragem do acelerômetro e do giroscópio continuam a evoluir. Com todos os dados necessários coletados, o projeto estará mais próximo de seu objetivo final que é identificar os sistemas de locomoção do modelo em escala e entender as respostas do veículo a cada estímulo a ele aplicado.

6) Referências:

a. https://www.sparkfun.com/products/10736 b. https://www.sparkfun.com/products/10121 c. https://dev.qu.tu-berlin.de/projects/sf-razor-9dof-ahrs/files d. https://www.sparkfun.com/products/9873 e. https://dev.qu.tu-berlin.de/projects/sf-razor-9dof-ahrs/wiki/Tutorial


Anexo 1: Código em Python

import serial import string import math from time import time # Collect user input title = raw_input("Enter filename [YYMMDD_TestName]: ") t_warm = 15 f_s = 8.5 #Adjusted Factor t_record = input("Enter length of recording period (sec): ") t_record = f_s*t_record # Check your COM port and baud rate ser = serial.Serial(port='COM13',baudrate=57600, timeout=1) f = open("Serial_"+str(title)+".csv", 'w') i=0 while i<t_warm: line = ser.readline() print "Warming up" i=i+1 i=0 while i<t_record: line = ser.readline() line = line.replace("!FIN:","") line = line.replace("\r","") print line f.write(line) # Write to the output log file i=i+1 ser.close f.close

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