FACULDADES NETWORK

ENGENHARIA MECATRONICA

MONTAGEM E SISTEMAS DE CONTROLE DE

UM SEGWAY COM KIT LEGO

CAIO GABRIEL ZANOTTO

DOUGLA ALMEIDA

FABIO COSTA

HANIEL GARCIA

SUMARÉ, ABRIL DE 2015

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ENGENHARIA MECATRONICA

CAIO GABRIEL ZANOTTO

DOUGLA ALMEIDA

FABIO COSTA

HANIEL GARCIA

SUMARÉ, ABRIL DE 2015

1. INTRODUÇÃO

MONTAGEM E SISTEMAS DECONTROLE DE UM SEGWAY

COM KIT LEGO

1.1 SISTEMA DE CONTROLE

Um sistema de controle é um conjunto de componentes organizados de forma a

conseguir a resposta desejada de um sistema. A base da análise de um sistema é a

fundação provida pela teoria de sistemas lineares.

Existe um processo a ser controlado e uma relação entre entrada e saída do sistema.

Representação em diagrama de blocos:

Fluxograma de Controle

Engenharia de sistemas de controle se preocupa com compreensão e controle desegmentos do seu ambiente, geralmente, chamados de sistemas, para prover produtoseconômicos para a sociedade. A isso podemos acrescentar: Produtos econômicos, estáveise robustos, preocupa-se também, com sistemas “verdes”.

Compreensão e controle exigem que os sistemas sejam modelados. Pior, há casosonde precisamos considerar o controle de sistemas pouco compreendidos. O desafio para aengenharia de controle é modelar e controlar sistemas modernos, complexos, comosistemas de controle de tráfego, controle de processos químicos e sistemas robóticos.

Um sistema de controle consiste de subsistemas e processos agrupados, com opropósito de obter uma saída desejada com um desempenho desejado, dada uma entradaespecífica.

2. HISTORICO DA TEORIA MATEMÁTICA DE CONTROLE

G.B.Airy (1840)

O primeiro a discutir instabilidade em um sistema de controle com re-alimentação

O primeiro a analisar tais sistemas através de equações diferenciais

J.C.Maxwell (1868)

O primeiro estudo sistemático da estabilidade de um sistema de controle com re-alimentação

E.J.Routh (1877)

Definiu critérios de estabilidade para sistema lineares.

A.M.Lyapunov (1892)

Definiu critérios de estabilidade para equações diferenciais lineares e não-lineares

Resultados só introduzidos na teoria de controle em 1958.

H.Nyquist (1932) Surgimento dos métodos clássicos de controle

Desenvolveu um procedimento simples para determinar estabilidade a partir de uma representação gráfica da resposta em frequência.

H.W.Bode (1945)

Método de Resposta em Frequência.

W.R.Evans (1948)

Método do Local das Raízes.

3. ELEMENTOS BÁSICOS DE UM SISTEMA DE CONTROLE.

Planta

Variável de Controle

Valor Esperado

Controlador

Atuador

Sensor

Distúrbio

4. DIAGRAMA DE BLOCOS DE SISTEMA DE CONTROLE

Engenharia de controle envolve:

Teoria de re-alimentação (ou retro-alimentação)

Sistemas Lineares

Teoria de Redes

Teoria de Comunicações

Aplicável a qualquer engenharia.

Como vimos, um sistema de controle é um conjunto de componentes formando aconfiguração de um sistema que irá prover uma determinada resposta.

Em geral, sistemas de malha fechada são mais precisos do que sistemas de malhaaberta. São menos sensíveis a ruído, perturbações e mudanças no ambiente. No entanto,os sistemas de malha fechada são mais complexos e custosos do que os de malha aberta.Imagine um sistema para uma torradeira:

Em um sistema de malha aberta, a torradeira simplesmente considera a torradapronta quando a temperatura atinge um grau X Em um sistema de malha aberta, a torradeirapode analisar, além da temperatura, a cor da torrada, concluindo assim se ela está pronta ounão.

5. LABORATORIO DE ROBÓTICA: LEGO MINDSTORMS EV3

O Lego Mindstorms EV3 mais se parece com um brinquedo, e é utilizadoamplamente em todo o mundo por escolas, universidades, e mesmo por crianças.

Na verdade ele é um kit de robô programável, voltado para a educação tecnológica,lançado pela Lego em Julho de 2006, substituindo a primeira geração do kit LegoMindstorms. O nosso kit é composto por servomotores, sensores (toque, som, luz eultrassom), cabos para conexões com motores e sensores, um cabo para interface USB, oBrick Inteligente EV3, que é o corpo central do robô, bateria recarregável, base giratória,rodinhas com pneus e várias peças conhecidas como Lego Technic, como blocos, vigas,eixos, rodas, engrenagens e polias.

6. EXPLICANDO OS SENSORES

Os sensores biológicos do nosso corpo são células especializadas que são sensíveisa temperatura, luminosidade, vibração, toxinas, hormônios, proteínas, entre outros. No casodos nossos robôs, podemos pegar a definição do dicionário:

"Designação comum de dispositivos elétricos, eletrônicos, mecânicos ou biológicoscapazes de responder a estímulos de natureza física (temperatura, pressão, umidade,velocidade, aceleração, luminosidade e etc.). São utilizados em sistemas de controle emonitoramento."

No nosso kit temos quatro sensores: o de luz, o de toque, o de ultrassom e o de som.

SENSOR DE LUZ

O sensor de luz é um dos dois sensores que dá visão ao robô (o sensor de ultrassomé o outro). É ele que permite que o robô distinga entre claro e escuro, branco e preto. Elepode ler a intensidade de luz numa sala e pode medir a intensidade de luz em superfíciescoloridas.

SENSOR DE TOQUE

O sensor de toque concede ao robô o sentido do tato. Ele detecta quando o botão dosensor está sendo pressionado, indicando que está em contato com alguma coisa, etambém quando ele é liberado.

SENSOR DE ULTRASSOM

Permite que o robô "veja" e passe a detectar onde os objetos estão. Você pode usá-lo para fazer o robô evitar obstáculos, detectar e medir a distância, e detectar movimentos.O sensor de ultrassom mede distâncias em centímetros e em polegadas. Ele é capaz demedir distâncias de 0 a 255 centímetros com uma precisão de +/- 3 cm. Ele usa a mesmatécnica que os morcegos usam: ele consegue medir a distância calculando o tempo que levapara uma onda sonora bater em um objeto e retornar – como se fosse um eco. Os objetosmaiores com superfícies duras retornam melhores leituras. Enquanto que objetos feitos detecido macio ou que possuem curvas (como uma bola) ou que são muito finos e pequenospodem ser difíceis para o sensor detectar.

SENSOR DE SOM

O sensor de som faz com que seu robô ouça! O sensor de som pode detectar tantodecibéis (dB) quanto decibel ajustado (dBA). Um decibel é uma medida da pressão do som.

No modo dBA a sensibilidade do sensor de som é ajustada para a sensibilidade dosouvidos humanos. Em outras palavras, são os sons que os seus ouvidos são capazes deouvir. Na medição de decibéis padrão todos os sons são medidos com a mesmasensibilidade. Deste modo, estes sons podem ser muito altos ou muito baixos para serem

ouvidos por nossos ouvidos. O sensor de som pode medir níveis de pressão de som de até90 dB – o mesmo produzido por uma roçadeira de gramas. Níveis de pressão sonora sãomuito complexos, então as leituras do sensor de som são mostradas no visor empercentagens (%). Quanto menor for o valor, mais calmo é o ambiente. Por exemplo:

5% - é como uma sala de estar silenciosa; 10% - seria como uma pessoa conversando um pouco distante; 10 - 30% - é como uma conversação normal próxima ao sensor, ou uma música

tocando em um volume normal; 30 - 100% - é como pessoas gritando ou uma música sendo tocada em volume alto.

7. MONTAGEM NO LABORATORIO: SEGWAY EV3

O robô EV3, da linha LEGO Mindstorms, pode ser construído de cinco maneirasdiferentes. Ele se conecta à internet e é dotado de USB, leitor de cartão SD, autofalante,memória de 16MB, sensor infravermelho de movimentos e controle remoto.

Sensores do Kit

No laboratório, realizamos a montagem do SEGWAY, que é uma das opções que aLEGO traz em seus esquemas de montagem.

Programa Realizado na Aula

Segway

8. BIBLIOGRAFIA

Control Systems Engineering, Norman Nise, 6ª edição, 2011 Sistemas de Controle Modernos, Richard Dorf e Robert Bishop, 12ª edição, 2013 Engenharia de Controle Moderno, Katsuhiko Ogata, 5ª edição, 2011