implementação de uma plataforma robótica terrestre não
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Centro de Tecnologia e Urbanismo
Departamento de Engenharia Elétrica
Rubens Galante Filho
Implementação de uma plataforma robótica terrestre não tripulada
microcontrolada utilizando controle PID
Monografia apresentada ao curso de
Engenharia Elétrica da Universidade
Estadual de Londrina como parte dos
requisitos necessários para a obtenção
do título de Engenheiro Eletricista.
Londrina, PR
2014
Rubens Galante Filho
Implementação de uma plataforma robótica terrestre não tripulada
microcontrolada utilizando controle PID
Monografia apresentada ao curso de
Engenharia Elétrica da Universidade
Estadual de Londrina como parte dos
requisitos necessários para a obtenção
do título de Engenheiro Eletricista.
Orientador:
Prof. Dr. Aziz Elias Demian Junior
Londrina, PR
2014
Ficha Catalográfica
Rubens Galante Filho
Rubens Galante Filho
Galante Filho, Rubens
Implementação de uma plataforma robótica móvel terrestre não
tripulada com controlador PID, identificação e desvio de obstáculos.
Londrina, PR, 2014. 106 p.
Monografia (Trabalho de Conclusão de Curso) – Universidade
Estadual de Londrina, PR. Departamento de Engenharia Elétrica.
1. Plataforma Robótica 2. Controlador PID 3. Sistema
Embarcado Controle de velocidade. Departamento de
Engenharia Elétrica.
Implementação de uma plataforma robótica terrestre não tripulada
microcontrolada utilizando controle PID
Monografia apresentada ao curso de
Engenharia Elétrica da Universidade
Estadual de Londrina como parte dos
requisitos necessários para a obtenção
do título de Engenheiro Eletricista.
Comissão Examinadora
___________________________________
Prof. Dr. Aziz Elias Demian Junior Depto. De Engenharia Elétrica
Orientador
_____________________________________
Prof. Dr. Leonimer Flávio de Melo Depto. De Engenharia Elétrica
Universidade Estadual de Londrina
__________________________________
Prof. Dr. Ernesto Fernando F. Ramírez Depto. De Engenharia Elétrica
Universidade Estadual de Londrina
17 de Novembro de 2014
Dedicatórias
Dedico este trabalho à minha mãe Rose, pela dedicação à minha vida e
minha educação.
Às minhas irmãs Yasmin e Rebecca Galante.
À minha noiva Thiemi Shiraishi por todo amor, companheirismo, dedicação e
paciência.
Em especial ao meu pai, Rubens Galante (in memoriam) sempre me
apoiando nos estudos e na vida, sendo minha maior fonte de inspiração e orgulho.
Sem dúvidas, mesmo não estando presente neste momento tenho certeza que de
onde esteja também realizou um sonho.
Agradecimentos
Primeiramente a Deus por minha vida, família e amigos. Aos meus pais
Rubens e Rose, às minhas irmãs Yasmin e Rebecca, à minha noiva Thiemi por toda
ajuda e paciência durante os momentos mais difíceis. Agradeço aos amigos João
Gabriel, Guedes, Chapecó, Stellio, Leonardo, Heitor, Guilherme, David,
companheiros de estudo que fizeram parte da minha formação. Agradeço aos
professores Aziz e Leonimer por sempre estarem disponíveis para ajudar e pela
paciência. Ao professor Osni Vicente por estar presente me aconselhado em
momentos difíceis.
Resumo
Cada vez mais protótipos robóticos estão sendo inseridos no mercado com o
intuito de facilitar o trabalho humano e aumentar a eficiência de produção nos mais
variados campos industriais. Neste trabalho foi projetado um protótipo robótico
terrestre não tripulado microcontrolado por um PIC 18F452 executando trajetórias
aleatórias e desviando de obstáculos presentes à frente do protótipo utilizando
sistema de detecção por sensor ultrassônico. O sistema será acionado através de
sinais PWM por um módulo contendo ponte H dupla para controlar o sentido de giro
dos motores. O controle de velocidade ficará por conta de um controlador PID,
ajustando a igualdade entre a velocidade angular de ambos os motores para a
execução de trajetórias retilíneas quando necessárias. O firmware introduzido neste
sistema embarcado deverá controlá-lo, de forma a realizar todas as tarefas pré-
definidas, eliminando eventuais erros, respeitando sempre os limites físicos do
sistema. O protótipo foi submetido à ensaios, testes e simulações para verificação
do desempenho do sistema, principalmente relacionado ao controle de velocidade.
Palavras–chave: robótica móvel, sistemas embarcados, controle de velocidade,
controlador PID, sistemas de malha fechada.
Abstract
Increasingly robotic prototypes are being entered in the market in order to
facilitate human work and increase production efficiency in many fields on the
industry. This work was designed a land prototype robotic no manned
microcontrolled by a PIC 18F452 executing a random paths and dodging obstacles in
front of the prototype using a detection system by ultrasonic sensor. The system is
triggered by PWM signals for a module containing double H bridge to control the spin
direction of the motors. The speed control will be the responsibility of a PID
controller, adjusting the equality between the angular speeds of both motors for
executing straight trajectories when necessary. The firmware added in this
embedded system should control it performing all pre-defined tasks, eliminating
errors while respecting the physical limits of the system. The prototype was subjected
to trials, tests and simulations to verify the performance of the system, mainly about
to speed control.
Key-words: mobile robotics, embedded systems, speed control, PID controller,
closed loop systems.
Sumário
Lista de Figuras
Lista de Tabelas
Lista de Acrônimos
1. Introdução 1
1.1 Objetivos Gerais ..................................................................................... 4
1.2 Objetivos Específicos ............................................................................. 5
1.3 Motivação e Justificativa ........................................................................ 6
1.4 Estrutura do Trabalho ............................................................................ 7
2 Revisão Bibliográfica 8
2.1 Sistemas embarcados ........................................................................... 8
2.2 Sistemas de controle ............................................................................. 9
2.3 Controle automático ............................................................................. 10
2.4 Sistemas de controle em malha aberta ............................................... 11
2.5 Sistemas e controle em malha fechada ............................................... 12
2.6 Sistemas de controle em malha aberta x sistemas de controle em
malha fechada ...................................................................................... 13
2.7 Controle digital .................................................................................... 13
2.8 Modulação por largura de pulso .......................................................... 15
2.9 Sistemas de controle para motores de corrente contínua ................... 16
2.10 Análise de resposta transitória e resposta estacionária ..................... 17
2.11 Controlador PID ................................................................................. 18
2.11.1 Ação proporcional ..................................................................... 19
2.11.2 Ação integral ............................................................................. 21
2.11.3 Ação derivativa ......................................................................... 22
2.11.4 Regras de sintonia para controladores PID .............................. 23
2.12 Motor de corrente contínua ............................................................... 26
2.13 Ponte H ............................................................................................. 29
2.14 Sensor de Ultrassom ........................................................................ 31
2.15 Microcontroladores ........................................................................... 32
2.16 Plataforma robótica móvel ................................................................ 35
3 Descrição do projeto 36
3.1 Descrição do software ........................................................................ 36
3.2 Descrição do hardware ....................................................................... 38
3.2.1 Microcontrolador PIC 18F452 ................................................... 42
3.3 Implementações ................................................................................. 43
4 Metodologia 44
4.1 Testes e simulações com PIC ............................................................ 44
4.1.1 PCW PIC C – IDE ..................................................................... 44
4.1.2 Proteus Design Suite ................................................................ 46
4.1.3 Programando o microcontrolador ................................................48
4.2 Testes dos componentes do protótipo ............................................... 53
4.2.1 Motores ..................................................................................... 53
4.2.2 Módulo L298N ........................................................................... 56
4.2.3 Encoders ................................................................................... 60
4.3 Placa de circuito impresso .................................................................. 60
4.4 Controlador PID .................................................................................. 62
4.5 Módulo HC-SR04 ............................................................................... 63
4.6 Potência consumida ............................................................................. 66
5 Resultados 68
6 Conclusão 83
7 Referências Bibliográficas 86
Apêndice A - Firmware 88
A.1 Firmware finalizado ...............................................................................88
A.2 Definições do microcontrolar .................................................................94
Anexo A – Microcontrolador PIC 18F452 95
Anexo B – L298 104
Anexo C – MÓDULO HC-SR04 106
Lista de Figuras
1.1 Diagrama de blocos do funcionamento do sistema..............................1
1.2 Motores e encoders fixados no protótipo..............................................2
2.1 Sistema de controle multivariável........................................................12
2.2 Sistema de controle a malha aberta (sem retroação)..........................12
2.3 Sistema de controle a malha fechada (com retroação).......................13
2.4 Amostragem de sinal senoidal.............................................................15
2.5 Sinal modulado por largura de pulso através de sinal analógico.......16
2.6 Sinais PWM com diferentes ciclo tarefa...............................................17
2.7 Controle de velocidade de motor CC com retroação...........................17
2.8 Diagrama de blocos do controlador PID..............................................20
2.9 Diagrama de blocos ação proporcional................................................21
2.10 Simulação de valores da constante proporcional.................................21
2.11 Diagrama de blocos ação integral........................................................22
2.12 Simulação para valores da constante integral......................................22
2.13 Diagrama de blocos ação derivativa.....................................................23
2.14 Simulação para valores da constante integral......................................24
2.15 Sistema estável com controlador PID...................................................26
2.16 Sistema instável com controlador PID..................................................26
2.17 Motor de corrente contínua de 6 Volts..................................................27
2.18 Seção transversal de motor de imã permanente..................................28
2.19 Inversão dos polos do rotor..................................................................29
2.20 Ponte H com transistores bipolar para acionamento de motor cc........30
2.21 Funcionamento da ponte H...................................................................31
2.22 Comprimento da onda comparada ao diâmetro mínimo do objeto.......32
2.23 Robô móvel – ‘Inspector Bot’.................................................................36
3.1 Fluxograma do código gerado para o sistema robótico.........................38
3.2 Componentes do kit robótico.................................................................40
3.3 Kit robótico montado..............................................................................41
3.4 Diagrama de pinos PIC 18F452.............................................................44
4.1 Ambiente Gráfico de desenvolvimento PCW.........................................46
4.2 Compilador PCW PIC C.........................................................................47
4.3 Exemplo de simulação no software Proteus..........................................48
4.4 Simulação para testar ponte H com PIC 16F873A................................49
4.5 Bateria de íon-lítio .................................................................................50
4.6 Programador PIC KIT 2..........................................................................51
4.7 Conexões entre microcontrolador PIC18F452 e PIK KIT 2....................52
4.8 Operações para programação PIC18F452 através do MPLAB..............53
4.9 Funcionamento do motor utilizando fonte de tensão continua...............54
4.10 Motor acionado por ponte H com transistores bipolares.........................55
4.11 Módulo L298N.........................................................................................56
4.12 Diagrama do circuito integrado L298N....................................................57
4.13 Verificação do funcionamento do módulo L298N....................................59
4.14 Teste dos motores utilizando módulo L298N...........................................60
4.15 Teste de encoder utilizando osciloscópio analógico................................60
4.16 Projeto da placa de circuito impresso......................................................61
4.17 Alimentação dos componentes do circuito..............................................62
4.18 Leitura dos encoders através de osciloscópio digital...............................62
4.19 HC-SR04 módulo sensor ultra-sônico......................................................64
4.20 Diagrama temporal sensor ultrassônico...................................................65
4.21 Teste com protótipo com rodas sem contato com a superfície................66
5.1 Código para geração de sinal PWM.........................................................67
5.2 Simulação de sinal PWM para acionamento de motores com L298........69
5.3 Primeira versão do hardware do projeto...................................................70
5.4 Interrupção para determinação da velocidade do protótipo......................72
5.5 interrupção para contagem dos pulsos dos encoders...............................73
5.6 Primeira tentativa para correção de velocidade.........................................73
5.7 Constantes do controlador PID..................................................................75
5.8 Equação do controlador PID para correção da velocidade........................77
5.9 Código para determinação de obstáculo....................................................77
5.10 Código para desvio de obstáculo...............................................................78
5.11 Placa de circuito impresso..........................................................................79
5.12 Projeto da placa de circuito impresso em 3D..............................................80
5.13 Projeto da placa de circuito impresso em 3D..............................................81
5.14 Plataforma robótica final..............................................................................82
Lista de tabelas
1.1 Tipos de memória do PIC 18F452.......................................................................43
4.1 Portas do módulo L298N.....................................................................................58
4.2 Potências consumidas no protótipo...................... ..............................................68
Lista de Acrônimos
CAD Computer–Aided Design
PID Proporcional-Integral-Derivativo
PWM Pulse Width Modulation
PTM Pulse Time Modulation
LCD Liquid Crystal Display
CC Corrente Contínua
DC Direct Current
PIC Peripheral Integrated Controller
HD Hard Disk
PDA Personal Digital Assistant
LED Light Emitting Diode
RS Recommended Standard
CAN Controller Area Network
I²C Inter-Integrated Circuit
SPI Serial Peripheral Interface
IDE Integrated Development Environment
USB Universal Serial Bus
TCP/IP Transmission Control Protocol/ Internet Protocol
A/D Analog/ Digital
D/A Digital/ Analog
EEPROM Electrical Erasable Programmable Read Only Memory
RAM Random Access Memory
ROM Read Only Memory
OTP One Time Programmable
USART Universal Synchronous/ Asynchronous Receiver/ Transmitter
SSP Software Support Package
LIN Local Interconnect Network
IRDA Infra-red Data Association
DIP Dual in Line Package
PCB Printed Circuit Board
ANSI American National Standards Institute
CCP Capture/Compare/PWM
FFT Fast Fourier Transform
TTL Transistor – Transistor - Logic
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
1
1 Introdução
Com o avanço da tecnologia tornou-se necessário a utilização de circuitos
eletrônicos cada vez menores e com maiores velocidades de processamento. A
partir daí surgiram os primeiros sistemas embarcados, sendo sistemas
microcontrolados com tarefas especificas com um microprocessador controlando
todo o sistema através de um programa chamado firmware (programa específico
para realizar as tarefas projetadas).(BOSE, 1992).
Com a melhoria dos sistemas microcontrolados tem trazido inúmeras
inovações para o campo da engenharia e com isso a otimização dos mais diversos
setores industriais com a introdução de sistemas robóticos otimizando e aumentando
a produtividade, diminuindo o trabalho exaustivo e braçal, melhorando a qualidade
de vida de trabalhadores neste setor, entre muitos outros benefícios.
Com o intuito de melhorar cada vez mais a eficiência de produtividade e
também auxiliar em pesquisas e verificações em ambientes agressivos aos seres
humanos plataformas mecânicas móveis com certa autonomia para locomoção
começaram a ser criadas. (AFUSO, 2012)
A diferença entre robótica móvel e outras áreas da robótica é o realce quanto
ao estudo sobre sua locomoção em um ambiente qualquer levando em consideração
os obstáculos móveis e imóveis, presentes a esse ambiente tendo a capacidade de
reconhecê-los, analisá-los e reagir em tempo real. (MELO, 2007)
Um protótipo terrestre autônomo possui diversas utilidades desde inspeções e
manutenção de equipamentos em áreas de difícil acesso até robôs domésticos
promovendo maior conforto para as pessoas.
A base geral para um protótipo terrestre para as mais diversas funções é a
mesma. Uma base mecânica, possuindo um sistema de locomoção autônomo ou
controlado através de comandos enviados por um dispositivo auxiliar. Desta maneira
basta modificar tais bases robóticas de maneira específica de acordo com a tarefa a
ser executada.
2
Através destes conceitos será projetado um protótipo embarcado terrestre
não tripulado.
A figura 1.1 mostra um diagrama de blocos contendo as funções a serem
projetadas pelo protótipo.
Figura 1.1: Diagrama de blocos do funcionamento do sistema.
Como pode ser visto através da figura acima, um sistema embarcado
microcontrolado controlará todo o sistema através de um firmware projetado para
realizar as tarefas cabíveis ao projeto.
Os motores serão acionados através de circuito contendo ponte H via sinal
PWM criados a partir do sistema embarcado projetado. Mas, para um controle de
velocidade preciso entre dois motores, apenas ondas moduladas por largura de
pulso não são o suficiente, pois motores reais, com as mesmas curvas
características, especificações e mesma tensão de operação, possuem ainda sim
3
velocidades angulares diferentes. Para isso serão utilizados encoder ópticos para
leitura de velocidade dos motores, realimentando o sistema. Para restaurar o erro
causado pela diferença de velocidade entre as duas roda será projetado um
controlador PID (proporcional, integral e derivativo) através da leitura realizada pelos
encoders. Desta maneira o sinal PWM poderá ser compensado de moto a igualar a
velocidade angular de ambos os motores.
Um sensor ultrassônico será utilizado na parte frontal do protótipo, enviando
sinais ao microcontrolador quando fizer a detecção de obstáculos a uma distância
mínima a ser projetada. Com isso o protótipo deverá realizar operação para fazer o
desvio de tais obstáculos.
Paralelamente a este projeto alguns tipos de comunicação serão introduzidos
no protótipo com o intuito de controlar perfeitamente a trajetória do veículo. Um
exemplo de comunicação será uma pequena tela de LCD, de onde os comandos de
direção e sentido serão gerados, comandados via bluetooth. Desta maneira o
veículo possuirá uma trajetória precisa.
Figura 1.2: Motores e encoders fixados no protótipo.
4
A figura 1.2 evidencia a base a ser utilizada no projeto contendo dois motores
de corrente contínua e um sistema de tração diferencial com roda livre na parte
frontal. Os encoders estão acoplados ao eixo do motor.
1.1 Objetivos Gerais
Programação de um microcontrolador PIC 18F452 para um protótipo móvel
terrestre não tripulado, realizando trajetórias aleatórias desviando de obstáculos
estáticos ou móveis.
Desenvolvimento de um firmware para controlar o sistema embarcado em
questão, projetar controlador PID e determinar suas constantes de forma precisa,
simulações a partir do software ISIS PROTEUS, design e roteamento de placa de
circuito impresso.
Testes práticos com o protótipo, com hardware completamente finalizado,
alterando algumas variáveis do circuito de forma a otimizá-lo.
5
1.2 Objetivos específicos
Estudo de microcontrolador PIC.
Estudo de controlador PID.
Projeto de circuitos eletrônicos.
Projeto e aplicação de sistemas embarcados.
Implementação de firmware para microcontrolador PIC 18F452.
Estudo da cinemática aplicada.
Estudo de encoder óptico.
Aplicação do módulo integrado (L298N) com ponte H dupla para acionamento
de motores CC.
Controle de velocidade de motores CC.
Estudo e aplicação de sensor ultrassônico (HC-SR04).
Roteamento e produção de placa de circuito impresso em software de CAD
6
1.3 Motivação e Justificativas
Robôs móveis autônomos possuem as mais diversas aplicações na área da
ciência. Manutenções, explorações, inspeções, entre muitas outras ações vem
sendo aprimoradas devido à utilização de robôs móveis. Porém devido o alto custo,
baixa confiabilidade e robustez esses robôs não são produzidos em larga escala
para utilização doméstica e industrial.
O aprimoramento deste tipo de tecnologia irá beneficiar a sociedade, incluindo
tais robôs em um ambiente real, executando tarefas ainda realizadas por seres
humanos, aumentado à eficiência da tarefa realizada independentemente da área de
atuação.
Através de uma base móvel autônoma, diversas aplicações podem ser feitas.
Neste trabalho o protótipo estudado e construído poderá servir, por exemplo, como
base de uma cadeira de rodas para deficientes físicos. Hoje, no Brasil, o preço de
uma cadeira de rodas motorizada custa em dia R$ 5000,00 e para muitos deficientes
físicos torna-se inviável adquiri-la.
Outros projetos estão sendo estudados paralelamente a este com o intuito de
agregar dispositivos ao protótipo como alguns tipos de comunicação e displays de
LCD para o controle da dinâmica do protótipo.
Este projeto tem o intuito também de aprendizado acadêmico, pois várias
ramificações da engenharia elétrica como instrumentação eletrônica, sistemas de
controle, sistemas embarcado, eletrotécnica, programação, microcontroladores, são
utilizadas.
7
1.4 Estrutura do Trabalho
O presente trabalho é dividido em capítulos para facilitar ao leitor o
entendimento do projeto.
Inicialmente efeito uma introdução sobre o projeto em geral para situar o leitor
sobre o trabalho em si, todos os objetivos que devem ser alcançados, as propostas
para o protótipo e um pouco sobre o porquê a pesquisa sobre o assunto.
No capitulo 2 é mostrado e explicado, segundo diversos livros, monografias,
teses e artigos, de forma geral, todos os assuntos pertinentes ao projeto, de forma
sucinta e objetiva, para dar o embasamento necessário ao leitor para o
entendimento sobre as ações feitas no trabalho, descritas nos tópicos seguintes.
O capitulo 3 é a descrição do projeto. Todas as implementações e descrições
dos softwares utilizados e hardware construído para o sistema embarcado em
questão.
O capitulo 4 refere-se à metodologia utilizada no trabalho. Esta é uma parte
extremamente importante do trabalho, pois mostra e explica vários testes, medições
e simulações para comprovar o funcionamento de componentes, a veracidade do
firmware programado e a potência consumida pela plataforma móvel.. Neste capitulo
encontram-se também algumas soluções para alguns casos onde as ações do
protótipo não funcionaram devidamente como nos objetivos estipulados no inicio do
trabalho.
Todos os resultados obtidos no decorrer do projeto encontram no capitulo 5.
Hardware inicial e final, partes do firmware projetado, projeto da placa de circuito
impresso em 3D, resultados falhos e o resultado final são alguns dos itens presentes
neste capitulo.
No capitulo 6 encontra-se a conclusão final do trabalho. Nesta parte é
apresentada a conclusão adquirida em relações às constantes do controlador PID e
sobre o encoder utilizado para fazer a realimentação do sistema e assim fazer a
correção do erro gerado. Nesta parte encontram-se também algumas sugestões
para trabalhos futuros.
8
2 Revisão Bibliográfica
2.1 Sistemas Embarcados
Sistemas embarcados são sistemas microprocessados onde o computador
que controla o sistema por um todo é devidamente dedicado. Ao contrário de
computadores convencionais que possuem muiti tarefas, os sistemas embarcados
são arquitetados para realizar apenas tarefas específicas, otimizando o projeto de
forma a reduzir seu tamanho, diminuir o custo do produto como um todo e aumentar
a capacidade de processamento. (HEATH, 2003).
Na década de 1980, com o avanço da tecnologia, componentes analógicos
externos foram introduzidos em uma unidade ou módulo, juntamente com o
microprocessador, a esta circuito integrado deu-se o nome de microcontroladores. A
partir deste momento começou a transição do uso de componentes analógicos por
eletrônica digital controlada por microcontroladores.
Desta maneira o custo de circuitos eletrônicos, agora conhecidos como
sistemas embarcados, diminuiu bastante tornando-se possível a utilização em
massa para os mais variados projetos.
Os softwares desenvolvidos para sistemas embarcados são comumente
chamados de firmware, e armazenados em memoria ROM ou flash do
microcontrolador, não necessitando da utilização de discos rígidos (HD’s),
diminuindo assim o custo do projeto e o tamanho do hardware.
A partir do projeto pré-estabelecido, basta inserir o programa na unidade de
processamento e construir o hardware apenas com componentes específicos de
acordo com o projeto e, desta maneira, as tarefas projetadas serão executadas.
Como o sistema possui tarefas especificas este pode ser reduzido
drasticamente em um tamanho mínimo, comparado a um computador de uso geral,
pelo fato do uso de apenas componentes necessários para o projeto.
9
Os sistemas embarcados podem ou não ter interface para o usuário. Essas
interfaces vão desde as mais simples como push-buttons, leds, displays para
mostrar alguma informação, como podem ser mais sofisticadas como a utilização de
PDA’s (Personal Digital Assistant) que funciona basicamente como um sistema
operacional de um sistema embarcado.
A comunicação com o meio externo é feita a partir de periféricos. Os tipo mais
comum de periféricos são:
Leds
Display’s de LCD
Interface serial Assíncrona (RS-232)
Interface serial (protocolo CAN, I2C, protocolo SPI, entre outros)
USB
TCP/IP
Diariamente temos contato com dispositivos embarcados como, por exemplo
telefones celulares, impressoras, roteadores, videogames, eletrodomésticos entre
muitos outros (HEATH, 2003).
.
2.2 Sistemas de Controle
Um sistema pode ser definido como um dispositivo qualquer que após receber
certa entrada, elabora uma saída, correspondente à entrada.
Sistemas de controle, como o próprio nome sugere, é um ou mais dispositivos
que tem a função de controlar algum sistema. Tais sistemas devem ser específicos
para cada função a ser controlada (OGATA, 1998).
.
Segundo (DORF; BISHOP, 2001, pg. 2) “um sistema de controle é uma
interconexão de componentes formando uma configuração de sistema que produzirá
uma resposta desejada ao sistema”.
10
2.3 Controle Automático
O controle automático essencial em qualquer campo da engenharia ou
ciência. Temos exemplos de métodos de controle em nosso cotidiano sem que
percebamos sua existência. A grande maioria de equipamentos eletrônicos que
utilizamos possuem controle automático e a tecnologia em que hoje se fala tanto
seria impossível ter tal crescimento sem as técnicas de controle (OGATA, 1998).
.
O primeiro controle automático surgiu em meados do século XVIII, inventado
por James Watt que consistia em um controlador centrífugo para o controle de
velocidade de uma maquina à vapor (DORF; BISHOP, 2001).
.
Durante a década de 1940 tivemos um grande avanço relacionado as
técnicas de controle onde foram introduzidos os conceitos de sistemas de controle
de malha fechada a partir dos métodos de resposta em frequência melhorando o
desempenho dos sistemas de controle da época. Nessa época foi também
desenvolvido o método de lugar das raízes por Evans, constituindo dessa maneira a
teoria de controle clássica.
Com avanço da tecnologia surgiram sistemas mais modernos com múltiplas
entradas e saídas e, com isso a teoria de controle clássica não era suficiente para
resolução dos problemas e a partir da década de 1960, com o auxilio de
computadores digitais foi desenvolvida a moderna teoria de controle baseada em
técnicas de análise e síntese através de variáveis de estado e também o controle
ótimo de sistemas determinísticos e estocásticos (OGATA, 1998).
11
Figura 2.1: Sistema de controle multivariável (DORF; BISHOP, 2001).
Os sistemas de controle possuem dois tipos:
Sistemas de controle em malha fechada.
Sistemas de controle em malha abera.
2.4 Sistemas de controle em malha aberta
Figura 2.2: Sistema de controle a malha aberta (sem retroação) (DORF; BISHOP, 2001).
Neste sistema os valores desejados serão conhecidos apenas após a
operação ter sido completada. Não possui realimentação e, portanto não se pode
fazer um monitoramento temporal das variáveis em questão. A resposta de saída
não exerce qualquer ação no sinal de controle. Para cada valor de saída irá
corresponder uma condição da variável de entrada. Este sistema de controle de
malha aberta deve ser utilizado apenas quando a relação entre entrada e saída é
muito bem conhecida. A isso dá-se o nome de função de transferência, que será
abordado mais pra frente neste trabalho. Em um sistema de controle em malha
12
aberta possui alguns elementos básicos como o sinal de entrada, o controlador que
engloba o elemento de controle juntamente com o elemento de correção para
eliminar possíveis ruídos indesejados, o processo e sim e desta maneira temos o
sinal de saída.
Em um sistema de controle de malha aberta, o sinal de saída não é enviado
de volta para a comparação com o sinal de entrada e assim comparado com o
mesmo (OGATA, 1998).
2.5 Sistemas de controle em Malha fechada.
Figura 2.3: Sistema de controle a malha fechada (com retroação). (DORF; BISHOP, 2001)
Comumente referido como sistema de controle com retroação, refere a
uma operação que, em presença de ruídos desconhecidos, ou seja, sinais de erro,
tenta diminuir a diferença entre o sinal retroativo do sistema e algum sinal de
referência pré-estabelecido fazendo com que tal sinal de erro reduza e desta
maneira o valor do sinal de saída seja o desejado. Distúrbios conhecidos
previamente podem ser compensados ao longo do sistema. O sinal de erro em
sistemas de malha fechada é a diferença entre o sinal de entrada e o sinal de
retroação (que pode ser o próprio sinal de saída ou uma função deste sinal)
(OGATA, 1998).
.
13
2.6 Sistemas de em controle malha fechada X sistemas de
controle em malha aberta.
Como sistemas de malha fechada utilizam realimentação através do sinal de
retroação temos que ruídos externos e variações internas do sistema afetam
relativamente muito pouco tal sistema, fazendo-se desta maneira o uso de
componentes com menos exatidão sem maiores problemas, porém pelo fato da
correção do sinal de erro, temos certa instabilidade do sistema. Outra desvantagem
para o sistema de malha fechada é a quantidade de componentes utilizados
tornando o custo do projeto mais caro. (OGATA, 1998).
Em contrapartida sistemas de malha aberta são mais estáveis comparados ao
anterior e menos componentes são necessários para o projeto deste sistema,
tornando-o menos caro e com economia de potência em relação ao sistema de
malha fechada. Porém o sistema de malha aberta deve ser usado apenas quando as
entradas do sistema são conhecidas antecipadamente.
Dependendo do projeto pode-se usar combinações de sistemas de malha
aberta com sistemas de malha fechada tornando o sistema om operação satisfatória
e sendo menos dispendiosos, principalmente na questão de potência. (OGATA,
1998).
2.7 Controle Digital
Com o avanço da tecnologia, o crescimento na área computacional nas
ultimas décadas e a invenção dos mais modernos e eficientes microcontroladores,
fez-se necessário a implementação dos sistemas de controle digitalmente para
atender a demanda de mercado que está cada vez mais exigente em questão de
precisão e velocidade de processamento.
14
Devido à simplicidade e flexibilidade na implantação em sistemas dinâmicos,
os controles digitais têm sido muito utilizados na indústria, substituindo os circuitos
analógicos, cujas configurações são rígidas e pré-definidas (REZEK, et. al, 2003).
A saída de um controlador digital como o próprio termo sugere possui a
resposta digital, para isso a informação antes analógica e agora digital (após
conversão feita por um conversor A/D) passa por um processo de amostragem (com
frequência e instantes de amostragem definidos) e posteriormente quantização.
Figura 2.4: Amostragem de sinal senoidal. (DORF; BISHOP, 2001).
Após a quantização da informação tem-se o sinal digital, que foi transformado
em um código binário. Com o código binário pode-se fazer uso de
microprocessadores ou microcontroladores que realizarão todas as devidas
operações necessárias para operação do sistema conforme o projetado. Após todas
as operações realizadas o sinal é convertido para analógico novamente (através de
um conversor D/A) para que o sinal binário (onde esses seriam ‘sinais’ ora nível
logico ‘1’ ora nível logico ‘0’) se transforme em níveis contínuos de tensão (DORF;
BISHOP, 2001).
15
2.8 Modulação por Largura de Pulso
Do inglês “Pulse Width Modulation”, mais conhecido como PWM, é um dos
principais tipos de modulação dor tempo de pulso (PTM, “Pulse time modulation”).
Valores da forma do sinal analógico são utilizados para determinar a largura
do pulso do sinal. Através de detector de sinal PWM como mostra a figura 2.5
(COUCH, 1997).
Figura 2.5: Sinal modulado por largura de pulso através de sinal analógico(COUCH, 1997).
.
PWM é um sinal digital que codifica níveis sinais analógicos. A onda digital
uma frequência fixa onde apenas o ciclo de trabalho é alterado, ou seja, o sinal
PWM possui nível lógico alto e nível lógico baixo e o ciclo de trabalho determina a
porcentagem em que o sinal permanece em nível lógico alto durante o período da
onda. A figura 2.6 a seguir mostra três sinais PWM com diferentes ciclos de trabalho
(BARR, 2009).
.
16
Figura 2.6: Sinais PWM com diferentes ciclo tarefa(BARR, 2009)
.
2.9 Sistemas de controle para motores de corrente contínua
Figura 2.7: Controle de velocidade de motor CC com retroação. (DORF; BISHOP, 2001).
Quando o motor CC está operando, a velocidade angular da roda pode ser
alterada devido a vários distúrbios e, desta maneira, o veículo não consegue
executar sua trajetória em linha reta (sem variações angulares). Tais distúrbios
podem ser provenientes de vários fatores como variações de cargas mecânicas
aplicadas à seu eixo, pequenas variações na tensão de alimentação do motor,
variações na curva entre dois motores, entre outros aspectos.
17
O controlador tem como função manter a variável controlada segundo
determinação do projeto, ou seja, um valor estabelecido anteriormente (SOARES,
2004).
Como descrito anteriormente, a função de um método de controle em malha
fechada é fazer uma comparação entre o valor medido e o valor desejado e com
isso fazer as correções necessárias.
É necessário um método de controle para controlar a velocidade de rotação
do motor e o torque do mesmo. Existem basicamente dois tipos de controle de
velocidade para motores CC.
Controle de potência.
Controle por PWM (modulação por largura de pulso).
(DORF; BISHOP, 2001).
2.10 Análise de resposta transitória e resposta estacionária.
A análise de respostas transitórias é feita para investigar características de
um sistema de controle no domínio do tempo.
O sinal de saída de um sistema de controle possui dois tipos de respostas. A
resposta transitória e a resposta estacionária (OGATA, 1998)..
Segundo (OGATA, 1998, p.113) “ Entende-se por resposta transitória aquela
que vai do esta do inicial até o estado final. Por resposta estacionária entende-se a
maneira como o sinal de saída do sistema quando o t tende a infinito.”
Segundo (DORF; BISHOP, 2001, pg 322). “A resposta em frequência de um
sistema é definida como a resposta de estado estacionário do sistema a um sinal
senoidal de entrada. A onda senoidal é um sinal de entrada peculiar, e o sinal de
saída resultante em um sistema linear, bem como os sinais ao longo deste, é
senoidal em regime permanente; difere da forma de onda do sinal de entrada
somente no que diz respeito a amplitude e ângulo de fase.”
18
Além de sinais de entrada e saída dos sistemas de controle, outra variável de
extrema importância é a estabilidade que pode ser definida quando um sistema
linear e invariante no tempo quando submetido à uma condição inicial sua saída
retorna a um estado de equilíbrio. Em um sistema de controle pode-se ter uma
estabilidade absoluta quando o sistema é instável ou não ou também estabilidade
relativa que caracteriza o grau de estabilidade (DORF; BISHOP, 2001).
Ainda, segundo (DORF; BISHOP, 2001, pg 230).“Um sistema estável é um
sistema dinâmico com uma resposta limitada a uma entrada limitada.
2.11 Controlador PID
O controle PID (Proporcional, Integral e derivativo) apesar de ser
implementado a bastante tempo é um dos métodos de controle mais usados pela
indústria atualmente pela sua facilidade de implementação tanto para aplicações
analógicas como aplicações digitais.
Controladores PID são de grande utilidade para reduzir o erro de estado
estacionário e melhorar a resposta transitória do sistema (DORF; BISHOP, 2001).
Segundo (OGATA, 1998, p.544) “É interessante assinalar que mais da
metade dos controladores industriais em uso nos dias atuais utiliza estratégias de
controle PID ou PID modificadas. A maioria dos controladores analógicos é
hidráulica, pneumática, elétrica e eletrônica, ou resulta em combinações destes
tipos. Correntemente, muitos deles são transformados em digitais por intermédio dos
microcontroladores.”
Tal método consiste em um algoritmo matemático que possui a função de
controlar precisamente uma ou mais variáveis de um sistema, fazendo com que o
sistema atue estavelmente como projetado mesmo existindo ruídos, distúrbios ou
variações que poderiam afetar a estabilidade do sistema. (SOARES, 2004).
A equação matemática abaixo descreve o controle proporcional, integral e
derivativo:
19
𝑚(𝑡) = 𝐾𝑃 . 𝑒(𝑡) + 𝐾𝐼 ∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡𝑡
0+ K𝐷.
𝑑𝑒(𝑡)
𝑑𝑡 (2.1)
onde:
_ m(t) é a variável manipulada.
_ 𝐾𝑃 é o ganho proporcional.
_ 𝐾𝐼 é o ganho integral.
_ K𝐷 é o ganho derivativo.
_ e(t) é o erro.
(OGATA, 1998)
Figura 2.8: Diagrama de blocos do controlador PID (OGATA, 1998).
.
2.11.1 Ação Proporcional
Controlador proporcional tem por objetivo amplificar a variável manipulada, ou
seja, quanto maior o erro de regime, maior deve ser o a correção do projeto. Se o
ganho proporcional for escolhido corretamente o sistema tenderá a ficar estável,
porém esta ação apresenta um erro estacionário em função do ganho proporcional.
20
A relação entre a saída do controlador e o sinal de erro, também conhecida
como função de transferência do controlador, é o ganho proporcional como pode ser
confirmado na equação 2.2, descrita abaixo (PANTANÉ,2008).
𝑢(𝑡) = 𝐾𝑃. 𝑒(𝑡) (2.2)
Figura 2.9: Diagrama de blocos ação proporcional. (PANTANÉ, 2008)
.
A função proporcional produz um erro proporcional à saída devido ao ganho
proporcional e quanto maior a constante, maior a instabilidade do sistema e quanto
menor a constante de integração, maior o tempo de resposta, ou seja, o erro demora
mais para ser compensado. (ASTRÖM; HÄGGLUND, 1995).
Figura 2.10: Simulação de valores da constante proporcional (ASTRÖM; HÄGGLUND, 1995).
21
2.11.2 Ação Integral
A ação de controle integral atua no processo no decorrer de todo o tempo que
existir algum sinal de erro (a diferença entre o valor medido e o valor esperado) e
tem como principal função eliminar o erro estacionário causado pelo controlador
proporcional, porém piora a estabilidade do sistema graças ao aumento do tempo de
estabelecimento do atuador (PANTANÉ,2008).
𝑢(𝑡) = 𝐾𝐼 ∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡𝑡
0 (2.3)
Figura 2.11: Diagrama de blocos ação integral. (PANTANÉ, 2008)
A função integral elimina o erro causado pela constante proporcional e
acelera o movimento do processo até o ponto desejado, porém como esta função é
uma somatória de erros instantâneos, o resultado do processo pode ultrapassar o
ponto desejado, fenômeno conhecido como overshoot. (ASTRÖM; HÄGGLUND,
1995).
.
22
Figura 2.12: Simulação para valores da constante integral (ASTRÖM; HÄGGLUND, 1995).
2.11.3 Ação Derivativa
O controle derivativo permite aumentar a velocidade de resposta do sistema,
tendo como principal função melhorar o desempenho do processo em regime
transitório, atenuando as variações em ocorrência. Quando ocorre uma perturbação
no sistema, tirando-o do estado de equilíbrio, o controle derivativo consegue detectar
tal perturbação rapidamente diferentemente do controle proporcional que começa
atuar apenas quando há uma ‘quebra’ de estabilidade do sistema.
Vale ressaltar que a ação derivativa ocorre apenas com a variação de erro do
sistema. Caso o processo esteja estável tal controle não é efetivo (PANTANÉ,2008).
𝑢(𝑡) = K𝐷 .𝑑𝑒(𝑡)
𝑑𝑡 (2.4)
Figura 2.13: Diagrama de blocos ação derivativa. (PANTANÉ, 2008).
23
A função derivativa diminui o tempo de estabilidade do sistema bem como o
overshoot causado pela ação integral.
Pelo fato de ser bastante susceptível à ruído, quanto maior o valor da
constante derivativa, maior o ruído introduzido ao sistema e consequentemente pode
causar retardo na resposta do sistema. (ASTRÖM; HÄGGLUND, 1995).
Figura 2.14: Simulação para valores da constante integral. (ASTRÖM; HÄGGLUND, 1995).
2.11.4 Regras de sintonia para controladores PID
Se a planta do sistema possuir um modelo matemático, várias técnicas de
projeto para as determinações do controlador proporcional, integral e derivativo
podem ser utilizadas obtendo respostas em regime transitório e regime permanente
do sistema.
Caso não seja possível obter o modelo matemático da planta do sistema,
métodos experimentais devem ser utilizados para a sintonia do controlador PID, ou
seja, a determinação de seus parâmetros.
As regras de Ziegler-Nichols determinam valores para o ganho proporcional
( 𝐾𝐶), o tempo integral (𝑇𝐼) e o tempo derivativo (𝑇𝐷) (OGATA, 1998).
24
A sintonia do controlador deve ser feita para a determinação dos parâmetros
de controle do sistema para produzir uma saída desejada, permitindo a otimização
do processo e minimização dos erros.
Durante a década de 1940, Ziegler e Nichols inventaram dois métodos para
obtenção dos parâmetros de um controlador PID.
Quando há realimentação do erro através de medidos, este método pode ser
utilizado.
A equação do controlador PID é mostrada a seguir:
𝑢(𝑡) = 𝐾𝐶[𝑒(𝑡) +1
𝑇𝐼∫ 𝑒(𝜏)𝑑𝜏
𝑡
0+ 𝑇𝐷
𝑑𝑒(𝑡)
𝑑𝑡] (2.5)
onde:
u(t) é o sinal de controle
e(t) é o erro ou a diferença entre o valor esperado e o valor medido
𝐾𝐶 é o ganho proporcional
𝑇𝐼 é o tempo integral (dimensiona o controlador integral)
𝑇𝐷 é o tempo derivativo (dimensiona o controlador derivativo)
t é o tempo necessário para a medição do erro.
No processo experimental, segundo o algoritmo de Ziegler-Nichols Basta
fazer 𝑇𝐼=999 e 𝑇𝐷=0, desta maneira o sistema irá operar apenas com a ação
proporcional. O valor da constante proporcional deve ser alterado de um valor
pequeno até obter a estabilidade parcial do sistema. Após isso Manter 𝑇𝐷=0 e
encontrar o valor de 𝑇𝐼 de modo a melhorar a estabilidade do sistema e por último
fazer o mesmo processo para 𝑇𝐷.
Deve-se tomar cuidado para superamortecer o sistema de modo a perder a
estabilidade como mostram as figuras 2.15 e 2.16:
25
Figura 2.15: Sistema estável com controlador PID. (BENNETT, 2006).
Figura 2.16: Sistema instável com controlador PID. (BENNETT, 2006).
A Vantagem do sistema deve-se ao fato da fácil obtenção dos valores das
constantes do controlador PID.
A desvantagem fica por conta da possível demora a determinar os parâmetros
do controlador PID. (BENNETT, 2006).
.
26
2.12 Motor de corrente contínua
Figura 2.17: Motor de corrente contínua de 6 Volts. (Fitzgerald, et. al, 2006).
A nomenclatura motores “DC” deriva do fato dos motores funcionarem por
corrente contínua (do inglês, Direct Current).
O motor de corrente contínua converte energia elétrica em energia mecânica.
(SIMONE, 2000).
Para motores de corrente contínua de baixa potência os comumente
utilizados são motores DC com imã permanente (estator) e com escovas. (BRAGA,
2012).
.
27
Este tipo de motor possui duas estruturas magnéticas como mostra a figura
2.18. Rotor e estator (imã permanente).
Figura 2.18: Seção transversal de motor de imã permanente. (FITZGERALD, et. al, 2006).
Um sistema de comutação é alimentado por uma bateria onde sua função é
inverter a corrente para o rotor e com isso comutando os polos positivo e negativo
nas bobinas. Quando a bateria fornece a tensão constante apropriada para o motor,
a corrente contínua introduzida passa por entre as espiras de cobre do motor
gerando um campo magnético.
Tal campo magnético induz atração ou repulsão com os imãs fixos no motor
fazendo desta maneira com que o rotor gire devido à repulsão entre polos iguais
como mostra a figura 2.19 de forma a encontrar a região de equilíbrio ou seja, com
polos distintos entre estator e campo magnético induzido. O comutador entra nesta
parte. À medida que o estator e o campo magnético induzido começam a entram em
equilíbrio, o comutador inverte a corrente para o rotor fazendo com que a polaridade
no rotor mude e assim saindo da região de equilíbrio, fazendo com que o rotor gire
constantemente enquanto houver uma fonte de tensão injetando corrente.
A intensidade de corrente elétrica que o motor necessita para é proporcional
ao trabalho que o motor realizará. Quanto maior o esforço mecânico (maior a
28
resistência para o movimento), maior será a intensidade de corrente que o motor irá
usufruir.
Porém como o motor de corrente continua não mantém uma velocidade
precisamente constante, é necessário um circuito auxiliar de controle de velocidade
para que assim consiga tal velocidade constante (Fitzgerald, et. al, 2006).
Figura 2.19: Inversão dos polos do rotor.
Na figura 2.19, a repulsão faz o motor girar meia volta, mas antes de
conseguir chegar em sua região de equilíbrio o comutador inverte os polos do rotor
fazendo com que o motor não pare de girar. (BRAGA, 2012).
29
2.13 Ponte H
A ponte H é comumente utilizada em circuitos eletrônicos para acionamento
de motores de corrente contínua a partir de sinais elétricos fazendo o controle e
determinando o sentido de rotação do motor. Porém, os motores em geral
necessitam de potências altas e a ponte H fornece o ganho de corrente para o
funcionamento exato do motor.
O nome ponte H é dado pelo fato da forma do circuito assume quando
montado como pode ser evidenciado na figura 2.20.
Figura 2.20: Ponte H com transistor bipolar para acionamento de motor cc. (BARR, 2009).
O circuito é constituído por quatro chaves, geralmente transistores, onde
metade dos transistores são PNP e a outra metade são NPN. Os transistores, para
funcionarem como chaves, trabalham na forma de corte e saturação.
O funcionamento do circuito é relativamente simples. Segundo configuração
da figura 2.20, temos os transistores NPN com seus emissores ligados à referência
(sem tensão) e os transistores PNP com seus emissores ligados a uma fonte de
30
tensão Vcc (geralmente quando se trabalha com microcontroladores essa tensão é 5
Volts). Chamaremos o transistor superior esquerdo de S1, o inferior esquerdo de S3,
o superior direito de S2 e o inferior direito de S4.
Como mostrado na teoria de transistores trabalhando na região de corte e
saturação temos que quando um transistor NPN possui tensão de base em nível
lógico alto, sua base está polarizada e desta maneira conduz corrente entre o coletor
e o transmissor do transistor tornando-se praticamente um curto circuito, caso
contrário torna-se um circuito aberto, impedindo a passagem de corrente. O
funcionamento de transistores PNP é o contrário do NPN pois para polarizar a base
deste tipo de transistor basta introduzir nível lógico baixo na base e desta maneira a
corrente flui de emissor para coletor. (BOYLESTAD, 2004).
As bases dos transistores da ponte H (A e B) serão alimentadas com entradas
1 e 0, ou seja, 5V e 0V, respectivamente, como mostrado na figura. Caso no lado
esquerdo da ponte H existir 5V injetados nas bases de S1 e S3 (no ponto A) e como
explicado acima, apenas o transistor a chave S3 irá conduzir. Já do lado direito da
ponte H (ponto B) temos nível lógico zero nas bases de S2 e S4 e, portanto, apenas
S2 irá conduzir.
Desta maneira, a corrente fluirá pelo motor da direita para esquerda fazendo-
o girar em um sentido. Para inverter o sentido de rotação do motor, basta abrir as
chaves S2 e S3 e fechar as chaves S1 e S4. Pra isso basta inverter as tensões de
base, colocando as bases de S1 e S3 em nível lógico baixo e as bases de S2 e S4
em nível lógico alto.
Figura 2.21: Funcionamento da ponte H. (BARR, 2009).
31
Deve-se tomar muito cuidado para não fechar as quatro chaves da ponte H
pois isso poderá danificar o motor.
A troca de tensão para inverter o sentido de rotação do motor não pode ser
feita manualmente e por isso ela deve ser feita com o auxilio de um
microcontrolador.
2.14 Sensor de ultrassom
Sensores ultrassônicos são amplamente utilizados, principalmente em
aplicações industriais para fazer a detecção de objetos, substâncias, presença de
pessoa, etc. em uma linha de produção.
O principio de funcionamento de um sensor é baseado nas ondas emitidas
pelos morcegos para detectar objetos e presas durante seu vôo, devido seu baixo
campo visual.
Pelo fato do baixo comprimento de onda emitido pelo sensor de ultra-som, as
ondas são refletidas pelo objeto e desta maneira captadas por um receptor embutido
no sensor de forma a detectar o mesmo, bem como a distância aproximada.
O comprimento de onda do ultrassom está intimamente ligado ao diâmetro do
objeto, onde o sensor consegue detectar objetos de no mínimo 10%
aproximadamente do comprimento de onda.
Figura 2.22: Comprimento da onda ultrassônica comparada ao diâmetro mínimo do objeto.
32
Basicamente o sensor é formado por um emissor que um receptor onde eles
emitem e recebem, respectivamente, as ondas ultrassônicas. (SABER
ELETRÔNICA, 2006).
2.15 Microcontroladores
A evolução da tecnologia com o dispositivo transistor que surgiu ao fim da
década de 40, possibilitou ao homem uma imensa gama de aplicações (não
imediatas). Vale a pena destacar que grandes computadores após o
desenvolvimento do circuito integrado aliado aos transistores, puderam ser
reduzidos de tamanho físico e adquiriram uma capacidade de processamento que
crescia ao longo do tempo, então cada vez mais era possível calcular problemas
mais complicados e mais elaborados, criando assim, sempre um projeto mais
avançado. Atualmente a utilização de microcontroladores esta cada vez mais
frequente dentro das mais distintas áreas de produtos, presente no nível industrial,
pesquisa, militar e casual.
No inicio da década de 70 foi lançado o primeiro processador de 4 bits,
chamado 4004, operando a uma frequência de 6 KHz. Em abril de 1972 a Intel
lançou o processador de 8 bits (conhecido como 8008) e logo após começaram
aparecer outras empresas concorrentes lançando novos processadores com cada
vez maior capacidade de processamento.
Os microcontroladores possuem todas as funcionalidades em uma única
pastilha como memorias, chipsets e dispositivos de entrada e saída por exemplo.
Os PIC (Peripheral Integrated Controler) são uma família de
microcontroladores fabricados pela Microchip Technology, que processam dados de
8 bits com extensa variedade de modelos, com recursos de programação por
memória FLASH,
EEPROM e OTP. Os microcontroladores PIC têm famílias de 12 bits, 14 bits e
16 bits de núcleo de processamento e trabalham em velocidade de 0kHz a 48MHz.
33
Funcionam com tensões de alimentação de 2 a 6V e os modelos possuem
encapsulamento de 6 a 100 pinos em diversos encapsulamentos
Seus principais periféricos internos são:
• Conversores Analógico-Digitais de 8 a 12 bits
• Contadores e timers de 8 e 16 bits
• Comparadores Analógicos
• USARTs
• Controladores de comunicação I2C, SSP, USB
• Controladores PWM
• Controladores de LCD
• Controladores de motores• Periféricos para LIN, CAN
• Controladores Ethernet
• Periféricos IRDA
• Codificadores para criptografia Keeloq
• Watchdog timer
• Detetores de falha na alimentação
• Portas digitais com capacidade de 25mA (fornecer ou drenar) para acionar
circuitos externos
• Osciladores internos
A programação de um microcontrolador pode ser deveras complicada, porém
com o avanço da tecnologia tornou-se bem mais pratico. Tudo isso porque começo
da existência dos microcontroladores, eles eram programados em linguagem de
máquina que consiste códigos binários realmente complexos. Com o avanço no uso
de programação foi criada a linguagem assembly que nada mais é de uma forma
alternativa de representar os códigos binários usando abreviações que descrevem
as operações. Mas a linguagem assembly ainda não resolvia todos os problemas na
questão de operações e rotinas fazendo com que o programador tivesse bastante
trabalho para executá-las. A partir daí foram criadas as linguagem de alto nível como
a linguagem C, por exemplo.
Hoje em dia a grande maioria dos microcontroladores é programada em
linguagem C ou derivações da mesma devida sua facilidade de execução e
34
eficiência, pois para microcontroladores que possui um limite baixo de palavras de
memória é estritamente necessário economizar memoria. Isto é possível com
linguagem de programação C pelo fato da sua proximidade com o hardware e a
linguagem assembly. (PEREIRA, 2004).
2.16 Plataforma robótica Móvel
A robótica teve grande avanço no século XXI, onde vários robôs foram
introduzidos em indústrias e muitas outras áreas. No setor industrial a robótica
possui o intuito de aumentar a produtividade e qualidade dos produtos bem como
amenizar os serviços braçais muitas vezes desgastantes, melhorando a qualidade
de vida dos trabalhadores. (SECCHI, 2008).
Nos anos de 1960 os robôs manipuladores foram introduzidos na indústria
otimizando o processo de produção e a partir daí pesquisadores de diversas áreas
começaram a desenvolver robôs cada vez mais rápidos precisos, melhorando cada
vez mais a produtividades do setor industrial.
Robôs móveis são plataformas mecânicas possuindo algum sistema de
locomoção com certa autonomia podendo ser terrestre, aéreo e até mesmo aquático
podem ter diversas finalidades como domésticos, militares, para pesquisa entre
muitas outras. Geralmente estas plataformas móveis estão relacionadas à
aplicações que podem oferecer algum risco à integridade humana, executando as
mais variadas tarefas. (SECCHI, 2008).
A autonomia destes robôs móveis está desde a parte energética como a
capacidade de execução de tarefas sem a intervenção humana, mediantes à
limitação física do sistema.
A figura 2.23 mostra um robô móvel conhecido como ‘Inspector Bot’ capaz de
inspecionar tubulações, da empresa Eventronic ES (SECCHI, 2008).
35
Figura 2.23: Robô móvel – ‘Inspector Bot’. (SECCHI, 2008).
Ao contrário de robôs presentes nas indústrias atualmente as plataformas
robóticas móveis podem ser deslocadas de um local para o outro permitindo
diversas aplicações nas áreas de educação e pesquisa como afirma o Engenheiro
Hugo Bertone com formações na área de mecânica, elétrica e eletrônica
(BERTONE, 2012).
36
3 Descrição do Projeto
O projeto a ser desenvolvido compreende o estudo e a implementação de um
sistema embarcado microcontrolado através de um microcontrolador PIC 18F452
introduzido em uma plataforma robótica móvel.
O projeto proposto faz a montagem, programação e simulação de um
protótipo autônomo terrestre, onde este percorre uma trajetória retilínea qualquer
desviando de obstáculos presentes à sua frente. Quando o protótipo detectar algum
obstáculo ele deve parar, executar leve conversão em relação ao seu eixo e seguir
em frente mantendo sua velocidade constante.
3.1 Descrição do Software
O firmware gerado para o controle do sistema robótico será feito a partir do
ambiente de desenvolvimento integrado PCW PIC C, compilando o código e
gerando os arquivos necessários para a programação do microcontrolador.
O fluxograma a seguir demonstra as ações a serem executadas pelo
microcontrolador e com isso o suporte para a construção do firmware:
37
Figura 3.1: Fluxograma do código gerado para o sistema robótico.
Como pode ser analisado, a primeira etapa a ser executada é a determinação
das constantes do controlador PID. Após isso será habilitado o sentido do motor de
38
forma com que o protótipo siga para frente com a velocidade inicial estipulada de
aproximadamente 40% da velocidade máxima.
Nesse momento o protótipo não conseguirá se movimentar de forma retilínea
e assim deve ser feita a correção das velocidades. O primeiro passo é determinar a
roda de referência e a roda ser corrigida. Com isso, será feito uma rotina de
interrupção para contar a quantidade de pulsos enviada através do encoder para o
microcontrolador. A maneira com que os pulsos são gerados já foi explicada
anteriormente.
A diferença entre o numero de pulsos gerados pela roda de referência e a
roda a ser corrigida será o sinal de erro a ser compensado pelo controlador PID.
Através da equação do controlador PID, será feita a correção do erro e a cada
iteração ocorrida, o irá diminuindo de forma a manter a mesma velocidade angular
para ambas as rodas.
Caso haja algum obstáculo no meio da trajetória, o protótipo irá parar, retornar
de forma a fazer uma ligeira curva e continuar sua trajetória. Porém, quando a
trajetória é reiniciada, o erro também é reiniciado. Desta maneira o processo para
eliminação do erro deve ser feito novamente.
3.2 Descrição do Hardware
A plataforma robótica terrestre possui como base mecânica um kit robótico,
comumente utilizado por iniciantes com o microcontrolador Arduíno. O kit é
encontrado em diversos sites de compra online e possui os itens descritos abaixo:
Plataforma em acrílico
Dois motores CC – (6V)
Caixa de bateria
Parafusos para fixação
2 rodas de borracha
1 roda boba (utilizada para apoio frontal e fazer curvas)
39
2 discos de encoders
Suporte para pilha
As figuras 3.2 e 3.3 possuem os componentes presentes no kit adquirido e o
protótipo montado, respectivamente.
Figura 3.2: Componentes do kit robótico.
40
Figura 3.3: Kit robótico montado.
Este módulo mecânico servirá como base para o módulo eletrônico.
Todo o sistema é microcontrolado através do Microchip PIC 18F452, onde o
firmware programado deverá executar todas as tarefas que o projeto tem por
objetivo.
As rodas, que estão acopladas aos eixos dos motores, devem girar em ambos
os sentidos e para isso será utilizado um módulo L298N contendo ponte H dupla via
sinais PWM gerados pelo microcontrolador com o intuito de controlar a velocidade
dos motores. Este módulo permitirá inverter o sentido de giro dos motores quando
necessário.
Contudo, os motores recebendo o mesmo sinal PWM, ou seja, com uma
mesma tensão média, os motores não possuem as mesmas velocidades angulares,
podendo ser comprovado, pois as rodas giram com velocidades diferentes. Isso
implica que fisicamente o veículo não consegue manter a trajetória retilínea proposta
anteriormente.
41
Para manter as rodas girando com mesma velocidade angular para manter a
trajetória em linha reta deve ser feito um controlador para compensar a roda que
está girando com menor velocidade angular.
O controlador utilizado será um controlador PID (proporcional, integral e
derivativo) que, através da compensação do erro gerado entre a diferença de
velocidade das duas rodas, fará a correção da rotação do motor a ser corrigido em
relação ao motor utilizado para referência, Assim será possível fazer com que o
protótipo consiga se locomover em linha reta.
A leitura da velocidade de ambos os motores será feita através de enconders.
Os encoders farão a realimentação do sistema, enviando o monitoramento da
velocidade dos motores para o microcontrolador consiga, desta maneira, compensar
a defasagem de velocidade de uma das rodas, aumentando o valor do sinal PWM
enviada para a mesma.
Após isso será introduzido no sistema o módulo ultrassônico HC-SR04 tendo
por função detectar os obstáculos presentes à frente do protótipo.
Os códigos gerados serão simulados através do software ISIS Proteus
sempre que possível antes da programação no microcontrolador
Com a simulação do projeto torna-se mais fácil a detecção de erros bem
como a autenticação da funcionalidade do projeto, podendo assim, em um passo
seguinte montar o circuito em uma placa de circuito impresso com total certeza que
o circuito projetado está correto.
Para fazer a programação do microcontrolador será utilizado um programador
PIC KIT 2 fazendo a conexão entre software MPLAB que carregará o código com o
PIC 18F452.
42
3.2.1 Microcontrolador PIC 18F452
Os microcontroladores PIC da família 18F, em especial o PIC 18F452 possui
16 núcleos de processamento. Possui velocidade de processamento maior em
comparação aos seus antecessores, com 10 MPIS a 40MHz de clock, níveis de
prioridade para interrupções e encapsulamento de 40 pinos(DIP – “Dual in Line
Package”).
Possui também arquitetura Harvard, onde tanto os programas como os dados
podem ser acessados de maneira diferentes, facilitando a operação dos circuitos de
entrada e saída.
A tabela a seguir mostra a quantidade e tipo de memórias de um PIC 18F452.
Tabela 1.1: Tipos de memória do PIC 18F452.
Tipo Quantidade(bytes)
Memória FLASH 32768
Palavras de instrução 16384
Memória RAM de uso geral 1536
Memória de dados EEPROM 256
As principais características são:
8 canais para conversão analógico/digital a 10 bits.
Alta corrente (25 mA).
Três pinos de interrupção externa.
Timer 0: timer 16 bits e contador de 8 bits com 8 bits de prescaler
programável.
Timer 1: timer/contador de 16 bits.
Timer 2: timer 8 bits e contador com 8 bits de registrador.
Timer 3: timer/contador 16 bits.
Dois módulos de captura, comparação e PWM (CCP1 e CCP2).
I2C ™ modo ‘mestre e escravo’.
Módulo USART (suporta RS-485 e RS-232).
Frequência de operação de DC 40MHz.
43
5 portas de entrada/saída.
Quatro(4) Timers
8 canais entrada para módulo conversão A/D.
18 fontes internas/externas de interrupção.
Figura 3.4: Diagrama de pinos PIC 18F452. (MICROCHIP, 2006).
3.3 Implementações
Para a montagem da placa de circuito impresso para o controla embarcado do
sistema, será utilizado o software ALTIUM DESIGN, gerando também imagens da
placa em 3D, facilitando para o design final da placa.
Nesta placa estará inclusa o microcontrolador PIC 18F452, o cristal de 8MHz
que determinará a frequência de oscilação do microcontrolador, o módulo com
sensor ultrassônico, led para informação do funcionamento do circuito, resistores
para evitar queima de componentes, capacitores e conectores para alimentação e
outros periféricos.
Após a placa devidamente roteada com todos os componentes soldados,
serão conectados outros periféricos como o módulo ponte H dupla, os encoders e a
fonte de alimentação do circuito.
44
4 Metodologia
Em um projeto eletrônico é essencial a utilização de equipamentos para
aferições bem como softwares para simulações, pois em um ambiente real existem
muitas fontes de ruído e interferências devidos a diversos fatores. As simulações
servem para que o sistema funcione com todos os componentes ideais, livres de
ruído e interferência.
Neste projeto foram utilizados alguns equipamentos para verificação da
veracidade de componentes e testes dos mesmos como multímetros para medir
continuidade entre conexões, fazer a verificação de tensões e correntes,
osciloscópio analógico e digital, fonte de tensão contínua e gerador de sinais.
4.1 Testes e simulações com o PIC
4.1.1 PCWH PIC C – IDE
Software compilador que consiste em um ambiente de desenvolvimento
Integrado implementado pela CCS para microcontroladores Microchip PIC sendo
utilizado em sistema operacional Windows™.
O compilador suporta todas as famílias de microcontroladores PIC desde a
série PIC12 até a série PIC18 (com exceção da série PIC17).
O IDE é constituído por módulos dependo da quantidade de bits do
dispositivo. O PCH é utilizado para dispositivos de 16 bits, no caso
microcontroladores da série PIC18.
O compilador da CCS possui um ambiente gráfico de programação, como
mostra a figura 4.1.
45
Figura 4.1: Ambiente Gráfico de desenvolvimento PCW.
Segundo (PEREIRA, 2004 p. 33). “As principais características do compilador
em estudo são:
Compatibilidade com a padronização ANSI e ISO;
Grande eficiência no código gerado;
Grande diversidade de funções e bibliotecas da linguagem C, tais como:
entrada/saída serial, manipulação de strings e caracteres, funções
matemáticas C, etc.;
Grande portabilidade de código entre os diversos microcontroladores PIC.
inclusive um código para outros microcontroladores ou sistemas. Isto significa
que é muito fácil adaptar um programa escrito em C para outro dispositivo ou
sistema.;”
O ambiente de programação é bastante interativo possuindo bastante
facilidade para programação, incluindo seleção de alguns quesitos como módulos
CCP microcontrolador, seleção e configuração de timers, habilitação de pinos como
entrada ou saída, habilitação de interrupções, entre muitas outras funcionalidades.
Com a seleção dos itens listados acima, o próprio compilador gera linhas de
código, facilitando assim o trabalho do programador.
46
Um exemplo de teste é mostrado na figura 4.2. O teste consiste na geração
de sinais PWM para o acionamento de motores de corrente contínua através de
ponte H construída a partir de transistores bipolares onde. O sinal PWM é
incrementado através de botões. .
Figura 4.2: Compilador PCW PIC C.
4.1.2 Proteus Design Suite
Isis Proteus, pertencente à indústria inglesa Labcenter Eletronics, sendo um
software para simulação e design de placas de circuito impresso.
Entre as funcionalidades deste software está a simulação de circuitos
integrados programáveis como o PIC, por exemplo, através da ferramenta ISIS.
47
A simulação se torna essencial em projetos elétrico-eletrônicos pelo fato de
ruído térmico presente à temperatura acima de zero Kelvin, capacitâncias parasitas
presentes em protoboard (utilizado para montagem de um circuito), maus contatos,
indutâncias parasitas, entre muitos outros fatores presentes em um ambiente real
que podem atrapalhar no correto funcionamento do sistema.
Além dos quesitos mencionados acima, o software é uma ferramenta que
pode ser implementada com extrema facilidade introduzindo os componentes
analógicos, bem como circuitos integrados que podem ou não serem programáveis
através das bibliotecas do próprio programa.
A figura 4.3 mostra um exemplo de amostra fornecida pelo software no
ambiente ISIS Professional para simulação de circuitos.
Figura 4.3: Exemplo de simulação no software Proteus.
Várias simulações foram feitas utilizando a ferramenta ISIS do software
Proteus com o intuito de projetar o sistema em um ambiente ideal, livre de ruído ou
48
interferências e desta maneira comprovar a veracidade do firmware projetado.
Abaixo na figura 4.4, a simulação do teste programado na figura 4.2.
Figura 4.4: Simulação para testar ponte H com PIC 16F873A.
4.1.3 Alimentação do circuito
Inicialmente, após a construção da primeira versão do hardware da
plataforma robótica, a alimentação do circuito era feira a partir de uma fonte de
alimentação contínua evitando o uso de baterias e o descarregamento das mesmas
bem como encontrar a melhor tensão de trabalho para o projeto. Em vários testes
essa fonte foi tensão foi utilizada, pois além da praticidade ela limita a corrente
enviada para o circuito evitando a queima de dispositivos eletrônicos.
Os testes de rodagem foram feitos através de um conjunto de seis pilhas
recarregáveis, mas além do peso sobre a plataforma as pilhas descarregavam
rapidamente. A alternativa encontrada foi o uso de baterias de íon-lítio, como na
figura 4.5. Essas baterias são as mesmas utilizadas em celulares atualmente. A
tensão fornecida por cada bateria é de 3.7 Volts quando totalmente carregada com
fornecimento de aproximadamente 2,6 amperes. Com isso foram ligadas 2 baterias
49
em serie para a alimentação do circuito, tendo a durabilidade muito maior que as
pilhas utilizadas anteriormente, devido sua maior densidade energética, melhora no
design e diminuição do peso.
Figura 4.5: Bateria de íon-lítio.
4.1.4 Programando o microcontrolador
Para testar a programação no ambiente real, o firmware era programado no
microcontrolador através de um programador PIC KIT 2 com o auxilio do software
MPLAB, onde os programas eram carregados, como mostram as figuras 4.6 e 4.7:
50
Figura 4.6: Programador PIC KIT 2.
O programador transporta o código do firmware para o microcontrolador PIC,
fazendo a comunicação do ambiente onde se encontra o código com o PIC.
As figuras a seguir mostram o passo-a-passo como é feita a programação do
código no microcontrolador.
51
Figura 4.7: Conexões entre microcontrolador PIC18F452 e programador PIC KIT 2.
Após conexões feitas entre o programador e o microcontrolador, o software
MPLAB fornecerá o suporte necessário para a inserção do firmware no PIC.
No ambiente do MPLAB, inicialmente deve-se fazer o reconhecimento com o
programador PIC KIT 2. Com o dispositivo reconhecido pelo software, o código a ser
gravado no PIC deve ser importado. O arquivo importado é a extensão ‘.hex’ gerada
pelo compilador. Após estas operações basta selecionar o comando para programar
o PIC.
Todas as operações podem ser vistas na figura 4.8.
52
Figura 4.8: Operações para programação PIC18F452 através do MPLAB.
Devido alguns testes de rodagem sem sucesso, alguns testes foram
feitos com alguns componentes da plataforma robótica.
53
4.2 Testes dos componentes do protótipo
4.2.1 Motores
Os testes com os motores foram feitos injetando tensão contínua nos
mesmos, proveniente da fonte de alimentação da figura 4.5. Através destes testes
foi constatado que os motores operavam de forma satisfatória.
Para testar o controle de velocidade através de sinais PWM, foi feito um teste
construindo uma simples ponte H com transistores bipolares sendo acionada através
de uma onda quadrada com frequência de 500 Hz, proveniente de um gerador de
sinais, simulando o sinal PWM que será criado pelo microcontrolador. O ciclo tarefa
da onda foi iniciado em 50% e quando era aumentado, manualmente, a rotação da
roda também aumentava.
54
Figura 4.9: Verificação do funcionamento do motor utilizando fonte de tensão contínua.
55
Figura 4.10: Motor acionado por ponte H com transistores bipolares.
56
4.2.2 Módulo L298N
A figurara 4.11 mostra um modulo Driver com ponte H dupla, ou seja, para
acionamento de dois motores de corrente contínua. Esse tipo de placa é muito boa
para trabalhar em conjunto com um microcontrolador, pois possibilita o controle de
velocidade dos motores com grande facilidade.
Figura 4.11: Módulo L298N. (ST MICROELETRONICS, 2000).
O módulo L298N possui saída para dois motores, alimentação externa, saída
de 5V, diodos de proteção, chave liga/desliga, led indicador de alimentação, leds
indicadores de direção do motor, regulador de tensão de 5V (LM7805), Resistores
de Pull-up, duas entradas para habilitar os respectivos motores, controle de direção
dos motores, circuito integrado L298 com dissipador de potência.
A tabela 4.1 descreve cada porta do módulo L298N:
57
Tabela 4.1: Portas do módulo L298N.
Nome da porta Descrição
Vcc Alimentação externa da placa
GND Referência externa da placa
ENA Habilita motor A
ENB Habilita o motor B
IN1 Controle de direção motor A
IN2 Controle de direção motor A
IN3 Controle de direção motor B
IN4 Controle de direção motor B
Motor A Saída para o motor A
Motor B Saída para o motor B
CSA Pino para testar corrente da ponte A
CSB Pino para testar corrente ponte B
UR Resistores de pull-up
5V Módulo fornece 5V.
O funcionamento do módulo é relativamente simples e bastante didático para
usar. Basta conectar os motores, habilitar as saídas (enable A e B) e conectar as
entradas (IN1, IN2, IN3, IN4) conforme o sentido de rotação desejado para os
motores. Esta parte deve ser ligada com muito cuidado para não ligar dois lados da
mesma ponte como mencionado acima.
Para o controle de velocidade, basta ligar sinais pwm (gerados por um
microcontrolador) nas entradas de habilitação dos motores (enable). E para controlar
o sentido de rotação do motor basta ligar as entradas (IN1, IN2, IN3, IN4) de entrada
e saída do microcontrolador que, com a programação correta irá responder ao
desejado.
58
Figura 4.12: Diagrama do circuito integrado L298N. (ST MICROELETRONICS, 2000).
Alguns testes quanto ao funcionamento do módulo L298N foram feitos,
testando apenas suas portas de habilitação, alimentação, entrada e saída e também
acionando motor de um protótipo móvel.
59
Figura 4.13: Verificação do funcionamento do módulo L298N.
Figura 4.14: Teste dos motores utilizando módulo L298N.
60
4.1.3 Encoders
Os testes dos encoders foram executados utilizando osciloscópio analógico,
analisando a resposta que o sensor enviará ao microcontrolador.
Figura 4.15: Teste de encoder utilizando osciloscópio analógico.
4.3 Placa de circuito impresso
A placa de circuito impresso foi projetada através do software Altium
Designer, conforme a figura 4.16.
61
Figura 4.16: Projeto da placa de circuito impresso.
Este software possui diversas ferramentas, facilitando na execução para
construção da placa, inclusive simulação 3D e organização dos componentes com
suas respectivas conexões.
Figura 4.17: Alimentação dos componentes do circuito.
62
Após impresso o desenho da placa, ela deve ser roteada com todo o cuidado
possível. O processo de soldagem de componentes requer muito cuidado e precisão
devido ao tamanho das trilhas e conexões entre componentes, pois qualquer ligação
equivocada ou mesmo uma quantidade mínima de estanho pode relacionar duas
trilhas diferentes e quando o circuito é alimentado, poderá ocorrer um curto circuito
ocasionando na queima de componentes. Portanto, apesar de parecer uma simples,
este trabalho requer muita atenção e cuidado.
4.4 Controlador PID
Como dito anteriormente, o tipo de controlador usado foi o controlador PID
(proporcional, integral e derivativo), onde suas respectivas constantes, estipuladas
de maneira correta, determinam a estabilidade do sistema.
Os primeiros testes para determinar as constantes do controlador PID foram
feitos através de um osciloscópio digital onde os sinais de ambos os encoders eram
lidos e subtraídos. Teoricamente o sinal dos encoders deveriam ser ondas
quadradas ciclos tarefa diferentes devido à diferença de velocidade proporcionada
pelos motores. A subtração das duas formas de onda seria uma onda também
quadrada onde seu ciclo tarefa seria a subtração dos dois primeiros. Aplicando a
Transformada de Fourier Rápida (FFT, do inglês “Fast Fourier Transformation”)
Obter-se-á uma onda sinc com o mesmo período da onda no domínio do tempo. E
assim, quanto menor a diferença (erro) entre a leitura dos encoders, menor seria o
período da onda no domínio da frequência. Quando o erro tende-se a zero teríamos
apenas um pulso na origem.
Porém, não foi isso que aconteceu, pois o osciloscópio não conseguia ler
ondas perfeitamente quadradas provenientes do encoder como podem ser visto na
figura 4.18.
63
Figura 4.18: Leitura dos encoders através de osciloscópio digital.
Desta maneira foram feitos testes práticos de rodagem com o protótipo. Toda
vez que as constantes eram alteradas, o microcontrolador era reprogramado, como
nas imagens acima, com o auxilio de um pic kit 2 e do software Microchip MPLAB.
Através de análise visual as constantes foram reguladas até encontrar o ponto mais
próximo do ideal.
4.5 Módulo HC-SR04
Como mostra a figura 4.19 o módulo possui quatro pinos com Vcc, GND, Trig
e Echo.
64
Figura 4.19: HC-SR04 módulo sensor ultrassônico. (ELECFREAKS, 2006)
O módulo sensor ultrassônico funciona como um detector de objetos,
permitindo medir distâncias de até 400 cm com precisão de aproximadamente 3 mm
e ângulo de medição de 15° Possui transmissor de ultra-som, recepto e circuito de
controle. Opera com 5 Volts DC ligado ao pino Vcc e 0V ao pino GND. Sua
frequência e corrente de operação são de 40 KHz e 15 mA, respectivamente. O sinal
de entrada de trigger possui pulso TTL de 10µs e o sinal de saída Echo é
proporcional ao sinal de entrada TTL.
Segundo o diagrama temporal mostrado abaixo o trigger envia um curto pulso
de 10µs e o módulo enviará uma onda de 40KHz com 8 ciclos e o pino de Echo
receberá uma onda TTL com largura de pulso proporcional à distância do objeto. A
distância entre o módulo e o objeto pode ser calculada através do tempo entre o
disparo e o recebimento do pulso, bastando apenas dividir esse tempo (em micro
segundos) por 58 e desta forma terá a distância em centímetros.
Lembrando apenas que o sinal trigger deve ser enviado conforme
programado pelo usuário e este intervalo de tempo deve ser tal que não sobreponha
as ondas ultrassônicas enviadas anteriormente.
65
Figura 4.20: Diagrama temporal sensor ultrassônico. (ELECFREAKS, 2006).
Como descrito anteriormente, toda a lógica para desviar o protótipo será feita
através do microcontrolador com o firmware produzido pelo software PCW PIC C.
A distância com que o sensor de ultrassom irá detectar os obstáculos será
determinada a partir do intervalo de tempo do sinal enviado e do sinal refletido no
obstáculo, podendo ser calculada através de uma simples equação, mostrada na
folha de dados do sensor.
𝐷 = ∆𝑡
58 (4.1)
Onde D é distância em centímetros, ∆𝑡 é a diferença de tempo entre a onda
transmitida e a onda recebida e 58 é o valor fornecido pelo datasheet do módulo HC-
SR04 para obtenção da distância em centímetros.
Os testes com o módulo HC-SR04 foram feitos primeiramente sobre uma
bancada, evitando o contato das rodas com qualquer superfície. Quando qualquer
obstáculo era colocado à frente do sensor a menos de 20 centímetros, os motores
paravam de funcionar, invertiam o sentido de uma das rodas, mantendo a outra
parada, de forma a fazer o desvio de obstáculo e continuava sua trajetória. Um
exemplo de teste é mostrado na figura 4.21.
66
Figura 4.21: Teste com protótipo com rodas sem contato com a superfície.
Após isso o teste foi através de rodagem do protótipo.
Quando algum objeto era detectado pelo sensor, os motores desligavam,
porém devido à inercia dos motores, o protótipo não parava instantaneamente,
consequentemente acabava colidindo com o obstáculo.
A alternativa executada foi ‘dar um tranco para trás’, ou seja, diminuir um
pouco a velocidade dos motores e inverter o sentido de giro de ambos sem pará-los
previamente. Com isso o protótipo para quase que instantaneamente, evitando a
colisão com os obstáculos.
4.6 Potência consumida
Alguns testes foram feitos quanto à potência consumida. Para isso o protótipo
foi colocado sobre a bancada, como na figura 4.21, onde as rodas não tinham
contato direto com a superfície, ou seja, as rodas não sofriam atrito. A alimentação
do circuito foi feita com a fonte de tensão DC e foi medida a tensão e a corrente de
67
em três casos. Partida, rodando normalmente e inversão do sentido quando é
detectado o obstáculo.
Através da equação:
Potência [Watt] = Tensão [Volt] x Corrente [Ampere] [4.2],
Foi obtida a tabela 4.2.
Tabela 4.2: Potências consumidas no protótipo.
Tensão [V] Corrente [A] Potência [W]
Partida 8 0,95 7,60
Rodagem 8 0,45 3,60
Detecção obst. 8 1,60 12,80
Como pode ser visto na tabela 4.2, a potência demandada quando há
detecção de obstáculos é maior até quando ocorre a partida dos motores. Isso
ocorre pelo fato do tranco gerado quando há tal detecção. Antes mesmo de parar os
motores, o microcontrolador envia um sinal para o módulo L298N para inverter o
sentido de giro dos motores, acarretando tal consumo demasiadamente grande de
potência comparado à partida dos motores.
68
5 Resultados
A execução do projeto foi realizada em três partes.
Controle de malha aberta apenas com sinal PWM acionando os motores
Controle em malha fechada com encoders realimentando o microcontrolador
para compensação do sinal PWM através d controlador PID.
Introdução do módulo sensor ultrassônico no sistema para detecção e desvio
de obstáculos.
Primeiramente foi gerada a primeira versão do firmware para construção do
sinal PWM para acionamento dos motores. Essa primeira versão apenas testava o
PWM nos motores, ou seja, após a escolha da frequência do PWM de 500 Hz, o
microcontrolador gerava o pulso de um valor inicial igual a zero até 1000 e
reiniciava-o, pois como o PWM do PIC 18F452 possui 10 bits a largura de pulso
máxima será:
𝐿𝑀𝐴𝑋 = 2𝑛 − 1 = 210 − 1 = 1023
Esta primeira versão girava as rodas em apenas um sentido.
Figura 5.1: Código para geração de sinal PWM.
69
Após o programa compilado, com o auxilio do software MPLAB, de um
programador PIC KIT 2, o microcontrolador PIC foi programado com o firmware
acima, da figura 5.1.
O veículo não funcionou como esperado porque apenas uma das rodas
funcionava. A programação foi revisada bem como as conexões do hardware para
analisar fios mal encaixados ou possíveis interferências causadas por capacitâncias
parasitas, porém nada foi constatado. Com isso foi feita simulação no software
Proteus.
Figura 5.2: Simulação de sinal PWM para acionamento de motores com módulo L298.
A simulação funcionava perfeitamente, mas quando o programa era
introduzido no hardware, os resultados não eram como os previstos pela simulação.
Alguns testes foram feitos com relação aos motores, apenas injetando tensão
de 6V obtida a partir de uma fonte de tensão DC em casa um deles para ver se
funcionavam perfeitamente. Os polos das ligações nos motores foram invertidos
para ter certeza do correto funcionamento em ambos os sentidos.
70
No teste apenas a roda esquerda gira corretamente quando 6 Volts são
colocados entre os termineis do motor acoplado ao eixo desta. A roda direita
também funciona corretamente em ambos os sentidos.
Com os motores funcionando corretamente, o próximo passo foi testar o
módulo L298N (ponte H dupla).
A priori, neste primeiro teste, o módulo estava funcionando corretamente.
Então o último teste cabível a ser feito era montar uma ponte H com transistores e
introduzir o sinal PWM na ponte H de forma a variar o sentido de giro o motor.
O sinal PWM foi simulado através de um gerador de sinais como é mostrado
na figura acima, com uma onda quadrada de aproximadamente 500 Hz e ciclo tarefa
de 100%.
Os resultados obtidos foram satisfatórios, pois os motores giraram conforme
planejado e com isso foi concluído que os motores funcionavam corretamente. Mas
quando o sistema foi novamente testado, com a primeira versão do firmware o
mesmo problema aparecia. Apenas uma roda girava.
Com isso o módulo L298N foi novamente testado, apenas introduzindo tensão
contínua nas portas que habilitam o módulo L298N, ou seja, as duas ponte H foram
habilitadas (enable A e B com 5V em suas portas – nível lógico alto) e as entradas
que indicam o sentido de giro do motor foram corretamente ligadas (IN1, IN2, IN3 e
IN4 com 5V,0V,5V,0V, respectivamente). O módulo foi ligado ao protótipo e o
resultado foi que apenas uma das rodas girava e com uma análise aprofundada com
auxilio de um multímetro medindo a continuidade entre componentes foi constatado
que o lado motor B do módulo estava queimado.
Com isso foi adquirido outro módulo L298N e posteriormente testado
conforme descrito acima. Este novo teste obteve resultados satisfatórios onde as
duas rodas do protótipo funcionaram corretamente em ambos os sentidos, como
planejado.
Novamente o protótipo foi testado conforme e desta vez o teste foi concluído
com sucesso, ou seja, o sinal PWM funcionava corretamente.
71
A figura 5.3 mostra a primeira versão do hardware do projeto.
Figura 5.3: Primeira versão do hardware do projeto.
Após a conclusão da primeira etapa, os encoders foram ligados ao sistema e
desta maneira feita a segunda versão do firmware.
Como mostrado anteriormente os encoders possuem discos com vários
orifícios que permitem a passagem de luz. Sabendo disso, o encoder possui um
diodo emissor de luz (led) e um foto sensor receptor que irá captar este feixe de luz.
À medida que a roda gira, o disco de encoder gira conjuntamente, pois está
acoplado ao eixo da roda, alternando entre orifícios e partes sólidas.
O led transmissor está sempre transmitindo um feixe de luz e à medida que o
disco de encoder roda, quando o feixe de luz passa pelo orifício do disco o foto
sensor consegue captar esse feixe, emitindo um sinal elétrico.
72
O encoder será ligado a uma porta de entrada do microcontrolador onde este
receberá a informação quando o foto sensor capta o feixe luz.
Através da programação basta gerar uma rotina de interrupção em um
determinado tempo para contar quantas vezes houve passagem de luz.
Tecnicamente falando, quando há uma passagem de luz (o receptor consegue
captar o feixe de luz) o encoder envia um pulso para o microcontrolador e assim
simplesmente foi feita a contagem de pulsos no intervalo de tempo estabelecido pela
interrupção.
Figura 5.4: Interrupção para determinação da velocidade do protótipo.
73
Figura 5.5: interrupção para contagem dos pulsos dos encoders.
Os códigos acima são interrupções geradas pelo compilador. A primeira é
uma interrupção por tempo e a segunda uma interrupção na porta B. Para as portas
‘B’ selecionadas, segundo o datasheet da Microchip PIC 18FXX2, as portas B4 a B7
estão reservadas para esse tipo de interrupção. Desta maneira os sinais gerados
pelos dois encoders estão ligados nas portas ‘B4’ e ‘B5’, respectivamente.
Durante um segundo, toda vez que houver uma mudança de borda no sinal
proveniente do encoder, a variável ‘AuxVelocidade’ será incrementada. Ao final de 1
segundo, teremos a quantidade de bordas em ‘AuxVelocidade1’ e ‘AuxVelocidade2’
referentes ao encoder1 e encoder2, respectivamente . Porém, como queremos
apenas as bordas de subida, esse valor foi dividido por dois e gravado nas variáveis
‘qtid_borda_subida1’ e ‘qtid_borda_subida2’.
Através da equação:
𝑉 = ∆𝑆
∆𝑡 (5.1)
Onde:
V é velocidade, ∆𝑆 deslocamento e ∆𝑡 o tempo
74
E sabendo que o perímetro do disco do encoder possui 20 centímetros e
possui 20 orifícios. Conseguimos descobrir a velocidade como mostra a figura
acima.
A partir das variáveis do sistema ‘qtid_borda_subida1’ e ‘qtid_borda_subida2’
foi possível estabelecer a diferença de velocidade em cada uma das rodas. Essa
diferença será o sinal de é o sinal de erro que deve ser compensado de forma a
igualar as quantidades de bordas e subida e por consequência a velocidade em
ambas as rodas.
A primeira tentativa foi fazer uma simples compensação do sinal PWM a
partir das velocidades obtidas nesta versão do programa.
A técnica limita-se em verificar se a velocidade de uma roda está entre dois
valores, no caso 19 cm/s e 21 cm/s. Caso a variável esteja fora destes valores a
variável ‘controle_pwm’ será incrementada ou decrementada de 10 unidades. O
mesmo será feito para a outra roda.
A variável ‘controle_pwm’ como o próprio nome sugere, irá controlar o PWM
em um valor especifico. Como mencionado anteriormente a variável que indica o
valor do pwm poderá ir apenas de 0 a 1023.
A diferença entre a velocidade da roda direita do protótipo (roda de referência)
e a roda esquerda (roda a ser corrigida) é o sinal a ser compensado.
Através do encoder temos um sistema de malha fechada onde o sinal de erro
realimenta o sistema e como se pode perceber, através da figura abaixo, a cada
ciclo de operação tal sinal de erro diminui, ou seja, ao final de infinitas iterações o
erro tende a zero o que implica em igualdade das variáveis ‘controle_pwm1’ e
‘controle_pwm2’. Desta maneira o veículo irá se locomover em linha reta.
75
Figura 5.6: Primeira tentativa para correção de velocidade.
O próximo passo foi simular este programa. Porém o software PROTEUS não
disponibiliza esse tipo de encoder para simulação, com isso não foi possível simular
esta versão do firmware.
Assim, a segunda versão do firmware foi passada para o microcontrolador e
testado. O resultado não ocorreu como o esperado, pois o controle de velocidade
não funcionou.
Após uma analise detalhada desta versão da programação não foram
encontrados erros e assim o hardware foi novamente testado. Desta vez foram feitos
testes com ambos os encoders com o auxilio de um osciloscópio analógico. A
resposta esperada seria uma oscilação entre pulsos positivos e zeros, mostrando
que o foto sensor está recebendo o sinal do led transmissor e enviando-o para o
microcontrolador. Com uma ponta de prova nas portas do PIC onde estão
conectados ambos os encoders foram analisados o sinal de resposta.
Foi constatado que um dos encoders não funcionava, pois a porta do
microcontrolador em que este encoder estava conectado mantinha-se em nível
lógico alto quando a roda estava girando. Desta maneira podemos concluir que o
foto sensor não estava recebendo o sinal transmitido pelo led.
76
Após a substituição do encoder defeituoso, foi feito um novo teste. O controle
de velocidade estava funcionando, mas não como esperado. O veículo andava em
forma de S, bastante desbalanceado.
Na prática, o erro não seria totalmente eliminado, pois a variável
‘controle_pwm’ é ajustada conforme uma diferença de valores através das variáveis
‘velocidade1’ e ‘velocidade2’ e esta variação é razoavelmente grande para sistemas
microcontrolados. Outro fator é o incremento e decremento da variável
‘controle_pwm’ de 10 unidades. O correto seria um incremento ou decremento
menor uma unidade, porém o sistema demoraria muito para estabilizar.
Após algumas pesquisas sobre controle de velocidade, um controle PID
(proporcional, integral e derivativo) foi escolhido para ser utilizado.
Com isso alguns métodos foram estudados e o mais acessível a ser
implementado era o método de Ziegler-Nichols. Este método é um algoritmo para se
determinar as constantes do controlador quando não há o modelo matemático do
sistema, como descrito anteriormente.
Utilizando algoritmo de Ziegler-Nichols, as constantes do PID foram obtidas
experimentalmente, e ajustadas a partir de várias tentativas.
Com isso foi gerada a terceira versão do firmware. As imagens das figuras 5.7
e 5.8 mostram os valores das constantes e a correção efetuada através do
controlador PID, respectivamente.
Figura 5.7: Constantes do controlador PID.
77
Figura 5.8: Equação do controlador PID para correção da velocidade.
Após a regulação das constantes de controlador PID, o firmware foi
programado no microcontrolador e testado o protótipo. Os resultados foram
satisfatórios e desta maneira a quarta e ultima versão do firmware contendo a
programação sensor de ultrassom foi inserido no sistema.
Como mostrado anteriormente, o módulo HC-SR04 possui quatro pinos. Dois
para sua alimentação (Vcc e GND), o pino trigger para emitir o sinal e o pino echo
para captar o sinal refletido no obstáculo.
Através desta lógica foi estipulada uma distância mínima de 20 centímetros
para detecção de objetos.
A cada iteração do firmware, o trigger envia o sinal durante 20µs. Caso o echo
capte algum onda proveniente da reflexão em algum obstáculo, este pino envia uma
onda quadrada ao microcontrolador proporcional à distância do que se encontra
esse obstáculo.
O tempo de duração desta onda é reservado no timer 1. Caso este tempo (em
micro segundos) dividido por 58 for menor que os 20 cm estipulado anteriormente, o
protótipo para, faz uma pequena curva e continua seu trajeto.
78
Figura 5.9: Código para determinação de obstáculo.
79
Figura 5.10: Código para desvio de obstáculo.
A figura abaixo mostra o hardware do protótipo finalizado contento o módulo
ponte H, placa de circuito embarcado contendo microcontrolador e sensor de
ultrassom e baterias de íon-lítio que fornecem alimentação para o sistema.
Para finalização do projeto foi roteada uma placa de circuito impresso com
todos os componentes a serem utilizados. O software utilizado possui ferramenta
para simulação da placa em 3D com todos os componentes, antecipando e tendo
como referência a placa final.
80
Figura 5.11: Placa de circuito impresso.
Figura 5.12: Projeto da placa de circuito impresso em 3D.
81
Figura 5.13: Projeto da placa de circuito impresso em 3D.
As figuras 5.11 a 5.13 foram geradas através do software ALTIUM DESIGN, com o auxilio
das especificações de desenvolvimento do software. (ALTIUM LIMITED, 2014).
82
Figura 5.14: Plataforma robótica final.
83
6 Conclusões
O trabalho apresentado possui a proposta de desenvolvimento de um sistema
de controle embarcado para uma plataforma robótica móvel terrestre não tripulada
possuindo um sistema de controle em malha fechada para controle da velocidade
bem como a detecção e desvio de obstáculos presentes à sua trajetória aleatória.
Fica evidente a importância de testes, simulações, medições e monitoramento
do funcionamento do protótipo a fim de validar a veracidade dos componentes
físicos do sistema e fazer as atualizações devidas do firmware implementado para o
sistema embarcado em questão.
Com o decorrer do desenvolvimento do trabalho nota-se a importância e a
dificuldade de fazer um controle de velocidade preciso. Este com certeza é o ponto
mais importante do trabalho. No caso deste trabalho a variável a ser controlada é a
diferença de velocidade entre as rodas traseiras, em vista que o protótipo possui um
sistema de tração diferencial. Os sistemas em malha fechada proporcionam um
controle mais preciso da variável a ser controlada e com isso os encoders utilizados
fizeram a realimentação do sistema onde o controle da variável controlada estava
intimamente ligado ao sinal obtido na saída e reenviado para a entrada do sistema
com o objetivo da compensação do sinal.
Através dos resultados obtidos nota-se a eficiência do controlador
proporcional, integral e derivativo para sistemas robóticos móveis, mas, pelo fato da
falta de dados dos parâmetros dos motores de corrente contínua, torna-se uma
tarefa, apesar de simples, bastante trabalhosa, pois as constantes do controlador
que satisfazem o sistema para a compensação da variável controlada foram
determinadas empiricamente, através de diversas tentativas.
Ainda sobre o controlador PID pode-se concluir em virtude dos testes
aplicados ao sistema, a ação proporcional possui grande impacto ao protótipo, ou
seja, seria possível a utilização de apenas essa ação para um protótipo com menos
precisão.
84
Apesar de fazer a estabilidade parcial do sistema, os incrementos da
constante proporcional que irá fazer a compensação do sinal de erro possui uma
margem de extensão relativamente grande de valores. Como este valor foi
encontrado empiricamente e não de forma exata isso ajudou para manter a
estabilidade do sistema.
A ação integrativa realmente corrige o erro causado pela ação proporcional
através da analise feita durante os testes, porém o incremento um pouco maior que
o necessário torna o sistema instável, saindo do ponto de equilíbrio. Já a ação
derivativa possui um comportamento extremamente sensível ao sistema. Pôde ser
comprovado com o aumento da constante derivativa, o tempo para que o sistema
encontre o ponto de equilíbrio indubitavelmente diminui, porém devido a essa
sensibilidade extrema ocasionada por esta ação, um mínimo incremento pode
ocasionar na instabilidade do sistema.
Os discos de encoder utilizados no protótipo possuem resolução
relativamente baixa, pois a cada volta completa do disco o encoder consegue enviar
apenas 20 pulsos ao microcontrolador. Como os dois motores utilizados são iguais,
a diferença entre a quantidade de pulsos durante uma volta do disco gerada pela
roda de referência é basicamente igual a quantidade de pulsos gerada pela roda a
corrigida. Isso implica em um maior tempo para que o sistema encontre seu ponto
de estabilidade, ou seja, as duas rodas possuam a mesma velocidade angular.
Com isso o sistema opera satisfatoriamente de modo a atender os objetivos
quanto ao controle de velocidade da plataforma robótica.
A detecção de obstáculos funciona como programado para a distância de 20
centímetros. Através de testes de rodagem ficou evidente que a inercia derivada dos
motores implicava na frenagem não imediata do protótipo ocasionando a colisão do
mesmo com o obstáculo. Após a mudança da lógica para a frenagem, o sensor
funcionou adequadamente.
A sugestão de melhorias para projetos futuros consiste na obtenção de uma
plataforma robótica móvel mais robusta ou até mesmo profissional, diferentemente
da plataforma utilizada no processo proveniente de um kit de “hobby” para iniciantes,
85
com motores de corrente contínua possuindo parâmetros especificados e encoders
ópticos com maior resolução.
Através dos parâmetros dos motores de corrente contínua, a função de
transferência dos mesmos poder ser encontradas e com isso através do método de
Ziegler-Nichols a obtenção dos parâmetros do controlador PID torna-se imediata.
Um microprocessador com maior capacidade de processamento tornará o
firmware mais eficiente, realizando as operações mais rapidamente e
consequentemente encontrando a estabilidade do sistema com maior facilidade.
Fazer a implementação de comunicações para o controle de todas as ações a
serem executadas no protótipo com o intuito de aprimorar a eficiência do mesmo.
86
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88
Apêndice A - Firmware
A.1 Firmware finalizado.
O código a seguir representa o firmware final programado no PIC18F452 para
execução do protótipo robótico com todos os comentários necessários para
entendimento do processo.
#include <main.h>
// Determina a velocidade inicial (valor DO pwm de 0 - 1023). #define VEL_INICIAL 350
// Determina a distancia para colizão (em cm). #define DIST_MIN 20
// Variáveis utilizadas para contar a duração dos pulsos dos encoders. // A palavra VOLATILE indica que essas variáveis são acessadas fora do programa // principal. volatile SIGNED INT16 cntA, cntB;
void main() { // Constantes DO controlador PID. const FLOAT Kp = 18.3; // Constante de proporção. const FLOAT Ki = 0.3; // Constate de integral. const FLOAT Kd = 0.002; // Constante de diferencial.
// Variáveis contendo a velocidade de ambas as rodas. SIGNED INT16 VelA; // Contém a velocidade da roda A. SIGNED INT16 VelB; // Contém a velocidade da roda B.
// Váriaveis para o sensor de ultrassom. UNSIGNED INT16 Dur; // Duração do pulso do sensor de distância.
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UNSIGNED Int16 TempoI; // Tempo Inicial do pulso. UNSIGNED Int16 TempoF; // Tempo Final do pulso. UNSIGNED INT16 Dist; // Distância detectada pelo sensor.
// Variáveis para o controlador PID FLOAT Err; // Erro utilizado no PID. FLOAT I; // Soma dos erros ao longo do tempo. FLOAT Err_Tmp; // Erro anterior. FLOAT D; // Diferença entre o erro atual e o anterior. FLOAT Correcao; // Valor a ser ajustado na velocidade de B.
// Coloca os pinos de controle de sentido em 0V para o carrinho não andar // durante a configuração. output_low (FRENTE_B); output_low (FRENTE_A); output_low (TRAS_B); output_low (TRAS_A);
// Configura o CCP1 e 2 para modo PWM. setup_ccp1 (CCP_PWM); setup_ccp2 (CCP_PWM);
// Ajusta a frequência DO PWM. // Frequência do pwm = Frequência de osc (cristal) / (4 * t2div * (t2max + 1) // Nesse caso: Fpwm = 8e6 / (4 * 16 * (255 + 1) = 488,28 Hz setup_timer_2 (T2_DIV_BY_16, 255, 1);
// Determina o sinal PWM i igual a zero para ambas as rodas. set_pwm2_duty (0); // PWM2 - > Roda A. set_pwm1_duty (0); // PWM1 - > Roda B.
// Habilita as interrupções externas (INT0 e INT1) para o encoder. enable_interrupts (INT_EXT); enable_interrupts (INT_EXT1);
// Habilita o Timer 1 com um periodo de 1us. // Este timer será utilizado pelo sensor de distância. // Periodo = 4 * T1Div / Frequência de osc. setup_timer_1 (T1_INTERNAL|T1_DIV_BY_2);
// Desliga o led. Led com lógica invertida (0V - > Ligado, 5V - > Desligado) .
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output_high (LED);
// Coloca o pino TRIGGER DO sensor de distância en 0V. output_low (TRIGGER);
// Define a velocidade inicial. VelA = VEL_INICIAL; VelB = VEL_INICIAL;
// Liga as rodas para andar para frente. output_high (FRENTE_B); output_high (FRENTE_A);
// Define o erro anterior igual a zero para ser utilizado no PID. Err_Tmp = 0; // Loop infinito WHILE (TRUE) { // Ajusta o ciclo tarefa do sinal PWM da roda A e B. set_pwm2_duty (VelA); // PWM2 - > Roda A. set_pwm1_duty (VelB); // PWM1 - > Roda B.
// Zera os contadores dos encoders. cntA = cntB = 0;
// Habilita chave global de interrupção para contagem de pulsos dos encoders. enable_interrupts (GLOBAL);
// Pega a velocidade das rodas através dos encoders. delay_ms (400); // Espera 400ms.
// Desabilita a contagem de pulsos dos encoders. disable_interrupts (GLOBAL);
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// Controlador P.I.D. // Ajusta a velocidade da roda B para ficar iguar a roda A. Err = cntA - cntB; // Calcula o Erro. I += Err; // Add o erro ao I (Calcula a integral DO erro) . D = Err - Err_Tmp; // Calcula o diferencial DO erro. Err_Tmp = Err; // Salva o erro atual. Correcao = Err * Kp + I * Ki + D * Kd; // Calcula o ajuste da roda B. VelB = VelB + ((SIGNED INT16) Correcao); // Calcula a nova velocidade. set_pwm2_duty(VelA); // Mantem a velocidade da roda A. set_pwm1_duty (VelB); // Ajusta a velocidade da roda B.
// Detecta obstaculo. // Gera o sinal para iniciar a medida da distância. output_high (TRIGGER); // Coloca o trigger em 5V. delay_us (20); // Espera 20us. output_low (TRIGGER); // Coloca o trigger em 0V.
// Espera o sinal de Echo aparecer. WHILE (input (ECHO) == 0);
// Captura a duração. TempoI = get_timer1 (); // Pega o tempo inicial. WHILE (input (ECHO) == 1); // Espera o sinal do echo acabar. TempoF = get_timer1 (); // Pega o tempo final.
// Calacula o tempo entra o sinal transmitido o sinal recebido. IF (TempoF >= TempoI) { Dur = TempoF - TempoI; // Calcula a duração. ELSE Dur = TempoI - TempoF; // Calcula a duração. }
// Calcula a distância (em cm) . De acordo com o datasheet DO sensor: // Dist [cm] = Dur [us] / 58 Dist = Dur / 58;
// Da meia volta se o objeto estiver muito perto.
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IF (Dist < DIST_MIN) { // Desliga os motores. set_pwm1_duty (170); set_pwm2_duty (170); // Inverte o sentido da roda A. output_low (FRENTE_A); output_high (TRAS_A); // Inverte o sentido da roda B. output_low (FRENTE_B); output_high (TRAS_B); // Espera 150 mili segundos. delay_ms (150) ; // Desliga os motores. set_pwm1_duty (0); set_pwm2_duty (0); // Espera o motor parar. delay_ms (200); // Inverte o sentido da roda A. output_low (FRENTE_A); output_high (TRAS_A);
// Inverte o sentido da roda B. output_high (FRENTE_B); output_low (TRAS_B);
// Gira um pouco. set_pwm2_duty (250); // Coloca uma velocidade baixa. delay_ms (400); // Espera girar.
// Volta a andar para frente.
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output_low (TRAS_A); output_high (FRENTE_A);
// Reseta a velocidade. VelA = VEL_INICIAL; VelB = VEL_INICIAL;
// Reseta o PID para que ele não desestabilizar. I = 0; Err_Tmp = 0; }
// Faz o led piscar. output_toggle (LED); }
}
// Interrupção INT0, conta pulsos DO encoder A. // Cada vez que der um pulso pino RB0, incrementa o contador de pulsos A. #INT_EXT void EXT_isr(VOID) { cntA++; } // Interrupção INT0, conta pulsos DO encoder B. // Cada vez que der um pulso pino RB1, incrementa o contador de pulsos B. #INT_EXT1 void EXT1_isr(VOID) { cntB++; }
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A.2 Definições do microcontrolador.
O firmware acima possui uma extensão .h, onde as variáveis utilizadas como portas
de entrada ou saída do microcontrolador, o microcontrolador PIC utilizado e o clock
proveniente de um cristal externo são especificadas, como mostrado a seguir.
// Inclui a biblioteca do PIC18F452. #include <18F452.h> // Define o clock para o delay #use delay(clock=8MHz) // Define o oscilador a cristal #fuses HS // Pinos #define LED PIN_B4 #define TRIGGER PIN_B2 #define ECHO PIN_B3 #define ENC_A PIN_B0 #define ENC_B PIN_B1 #define EN_A PIN_C1 #define EN_B PIN_C2 #define FRENTE_A PIN_C4 #define TRAS_A PIN_C5 #define FRENTE_B PIN_D0 #define TRAS_B PIN_D1
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Anexo A – Microcontrolador PIC 18F452
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Anexo B – L298
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Anexo C – Módulo HC-SR04